Novel approach to control adsorbent aggregation: iron fixed bentonite-fly ash for Lead (Pb) and Cadmium (Cd) removal from aqueous media

Highlights

A novel approach was used to control zero valent iron aggregation and separation problems by fixing zero valent iron (ZVI) on low cost bentonite-fly ash (BFA) pellets to produce ZVI-BFA.

ZVI-BFA pellets have good size, don’t disintegrate and can easily be separated from water when exhausted.

Removal kinetics followed the pseudo second order kinetic model.

Combined physical and chemical processes are the characteristic removal mechanisms of Pb²⁺ and Cd²⁺ by ZVI-BFA.

Abstract

In the present study, a novel approach was used to control zero valent iron aggregation and separation problems by fixing zero valent iron (ZVI) on bentonite-fly ash pellets. For this purpose, porous low cost bentonite-fly ash (BFA) pellets with size of 2.00 cm in length and 0.35 cm in diameter were prepared and fixed with ZVI to manufacture zero valent iron bentonite-fly ash (ZVI-BFA) pellets. Importantly, unlike powdered adsorbents, ZVI-BFA can easily be separated from final effluents when exhausted without any disintegration. The performance of the developed novel adsorbent was investigated for the removal of Pb²⁺ and Cd²⁺ from aqueous media. At 100 mg·L⁻¹ and 1 g adsorbent, a maximum of 89.5% of Cd²⁺ and 95.6% of Pb²⁺ was removed by ZVI-BFA as compared to 56% and 95% removal by BFA. At 200 mg·L⁻¹, Cd²⁺ and Pb²⁺ removal by ZVI-BFA was 56% and 99.8% respectively as compared to only 28% and 96% by BFA. Further, the removal kinetics was best fitted for pseudo-second order model. The study provides the basis for improving the removal capacity of porous materials by iron fixation while taking separation ability into consideration.

Graphical abstract

Keywords

Zero valent iron / Bentonite / Fly ash / Heavy metals removal / Synthesis

References

[1] IPCS. Cadmium, cadmium chloride, cadmium oxide, cadmium sulphide, cadmium acetate, cadmium sulphate. Geneva, World Health Organization, International Programme on Chemical Safety (International Chemical Safety Cards 0020, 0116, 0117, 0404, 1075 and 1318. Available online at http://www.who.int/ipcs/publications/icsc/en/ (accessed January 15, 2017)

[2] Hizal J, Apak R. Modeling of copper(II) and lead(II) adsorption on kaolinite-based clay minerals individually and in the presence of humic acid. Journal of Colloid and Interface Science, 2006, 295(1): 1–13

[3] WHO. Guidelines for Drinking-water Quality. First addendum to third edition. 2006. Available online at: http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/gdwq0506.pdf (accessed December 4, 2016).

[4] Wei Y T, Wu S C, Yang S W, Che C H, Lien H L, Huang D H. Biodegradable surfactant stabilized nanoscale zero-valent iron for in situ treatment of vinyl chloride and 1,2-dichloroethane. Journal of Hazardous Materials, 2012, 211– 212: 373–380 PMID:22118849 

[5] Shi L N, Lin Y M, Zhang X, Chen Z. Synthesis, characterization and kinetics of bentonite supported nZVI for the removal of Cr(VI) from aqueous solution. Chemical Engineering Journal, 2011a, 171(2): 612–617

[6] Shi Z, Nurmi J T, Tratnyek P G. Effects of nano zero-valent iron on oxidation-reduction potential. Environmental Science & Technology, 2011b, 45(4): 1586–1592

[7] Sunkara B, Zhan J, Kolesnichenko I, Wang Y, He J, Holland J E, McPherson G L, John V T. Modifying metal nanoparticle placement on carbon supports using an aerosol-based process, with application to the environmental remediation of chlorinated hydrocarbons. Langmuir, 2011, 27(12): 7854–7859

[8] Chen Z X, Jin X Y, Chen Z, Megharaj M, Naidu R. Removal of methyl orange from aqueous solution using bentonite-supported nanoscale zero-valent iron. Journal of Colloid and Interface Science, 2011, 363(2): 601–607

[9] Arancibia-Miranda N, Baltazar S E, García A, Muñoz-Lira D, Sepúlveda P, Rubio M A, Altbir D. Nanoscale zero valent supported by Zeolite and Montmorillonite: template effect of the removal of lead ion from an aqueous solution. Journal of Hazardous Materials, 2016, 301: 371–380

[10] Wu L, Liao L, Lv G, Qin F. Stability and pH-independence of nano-zero-valent iron intercalated montmorillonite and its application on Cr(VI) removal. Journal of Contaminant Hydrology, 2015, 179: 1–9

[11] Potuzak M. Potassium Dichromate Potentiometric Titration of Iron in Natural Magmas. LMU Intrainstitute Manual, 2001.

[12] Ho Y S, McKay G. A comparison of chemisorption kinetic models applied to pollutant removal on various sorbents. Process Safety and Environmental Protection, 1998a, 76(4): 332–340

[13] Ho Y S, McKay G. Sorption of dye from aqueous solution by peat. Chemical Engineering Journal, 1998b, 70(2): 115–124

[14] Alkan M, Demirbaş Ö, Doğan M. Adsorption kinetics and thermodynamics of an anionic dye onto sepiolite. Microporous and Mesoporous Materials, 2007, 101(3): 388–396

[15] Langmuir I. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum. Journal of the American Chemical Society, 1918, 40(9): 1361–1403

[16] Freundlich H M F. Über die adsorption in lösungen. Journal of Physical Chemistry, 1906, 57: 385–470

[17] Kong X, Han Z, Zhang W, Song L, Li H. Synthesis of zeolite-supported microscale zero-valent iron for the removal of Cr⁶⁺ and Cd²⁺ from aqueous solution. Journal of Environmental Management, 2016, 169: 84–90

[18] Wang L K, Hung Y T, Shammas N K. Physicochemical Treatment Processes.Totowa, NJ: Humana Press, 2005.

[19] Alloway B J. Sources of Heavy Metals and Metalloids in Soils. In: Heavy metals in soils. Netherlands: Springer, 2013, 11–50

[20] Srivastava P, Singh B, Angove M. Competitive adsorption behavior of heavy metals on kaolinite. Journal of Colloid and Interface Science, 2005, 290(1): 28–38

[21] Zhang X, Lin S, Lu X Q, Chen Z L. Removal of Pb(II) from water using synthesized kaolin supported nanoscale zero-valent iron. Chemical Engineering Journal, 2010, 163(3): 243–248

[22] Soleymanzadeh M, Arshadi M, Salvacion J W L, SalimiVahid F. A new and effective nanobiocomposite for sequestration of Cd(II) ions: nanoscale zerovalent iron supported on sineguelas seed waste. Chemical Engineering Research & Design, 2015, 93: 696–709

[23] Kim S A, Kamala-Kannan S, Lee K J, Park Y J, Shea P J, Lee W H, Kim H M, Oh B T. Removal of Pb(II) from aqueous solution by a zeolite–nanoscale zero-valent iron composite. Chemical Engineering Journal, 2013, 217: 54–60 doi:10.1016/j.cej.2012.11.097

[24] Fan T, Liu Y, Feng B, Zeng G, Yang C, Zhou M, Zhou H, Tan Z, Wang X. Biosorption of cadmium(II), zinc(II) and lead(II) by Penicillium simplicissimum: isotherms, kinetics and thermodynamics. Journal of Hazardous Materials, 2008, 160(2–3): 655–661 PMID:18455299 

[25] Huang Y, Yang C, Sun Z, Zeng G, He H. Removal of cadmium and lead from aqueous solutions using nitrilotriacetic acid anhydride modified ligno-cellulosic material. RSC Advances, 2015, 5(15): 11475–11484

[26] Cheng Y, Yang C, He H, Zeng G, Zhao K, Yan Z. Biosorption of Pb(II) ions from aqueous solutions by waste biomass from biotrickling filters: kinetics, isotherms, and thermodynamics. Journal of Environmental Engineering, 2015, 142(9): C4015001

[27] Attari M, Bukhari S S, Kazemian H, Rohani S. A low-cost adsorbent from coal fly ash for mercury removal from industrial wastewater. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2017, 5(1): 391–399

[28] Li X Q, Zhang W X. Sequestration of metal cations with zerovalent iron nanoparticles a study with high resolution X-ray photoelectron spectroscopy (HR-XPS). Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(19): 6939–6946

[29] Yan L G, Xu Y Y, Yu H Q, Xin X D, Wei Q, Du B. Adsorption of phosphate from aqueous solution by hydroxy-aluminum, hydroxy-iron and hydroxy-iron-aluminum pillared bentonites. Journal of Hazardous Materials, 2010, 179(1–3): 244–250

[30] Zhang Y, Li Y, Dai C, Zhou X, Zhang W. Sequestration of Cd(II) with nanoscale zero-valent iron (nZVI): characterization and test in a two-stage system. Chemical Engineering Journal, 2014, 244: 218–226

[31] Boparai H K, Joseph M, O’Carroll D M. Kinetics and thermodynamics of cadmium ion removal by adsorption onto nano zerovalent iron particles. Journal of Hazardous Materials, 2011, 186(1): 458–465

[32] O’Carroll D, Sleep B, Krol M, Boparai H, Kocur C. Nanoscale zero valent iron and bimetallic particles for contaminated site remediation. Advances in Water Resources, 2013, 51: 104–122

[33] Calderon B, Fullana A. Heavy metal release due to aging effect during zero valent iron nanoparticles remediation. Water Research, 2015, 83: 1–9 PMID:26115512 

[34] Otte K, Schmahl W W, Pentcheva R. Density functional theory study of water adsorption on FeOOH surfaces. Surface Science, 2012, 606(21): 1623–1632

[35] Noubactep C. Characterizing the discoloration of methylene blue in Fe⁰/H₂O systems. Journal of Hazardous Materials, 2009, 166(1): 79–87

Acknowledgements

This work was supported by the State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment (No.SKLECRA 2013FP12), and the Cultivation Fund of the Key Scientific and Technical Innovation Project, Ministry of Education of China (No.708060).

Electronic Supplementary Material

Supplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11783-017-0979-6 and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg