水溶液からのリン酸塩除去のための無害な酸化亜鉛ベタイン修飾バイオ炭ナノコンポジット

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J. Environ. Manage..2020 Jul;272:111048. S0301-4797(20)30976-2. doi: 10.1016/j.jenvman.2020.111048.Epub 2020-07-12.

水溶液からのリン酸塩除去のための無害な酸化亜鉛ベタイン修飾バイオ炭ナノコンポジット

Benign zinc oxide betaine-modified biochar nanocomposites for phosphate removal from aqueous solutions.

Amita Nakarmi
Shawn E Bourdo
Laura Ruhl
Sushil Kanel
Mallikarjuna Nadagouda
Praveen Kumar Alla
Ioana Pavel
Tito Viswanathan

PMID: 32677621 DOI: 10.1016/j.jenvman.2020.111048.

抄録

リン酸塩は、水質を低下させ、きれいな水へのアクセスを低下させる富栄養化につながる、最もコストのかかる複雑な環境汚染物質の一つである。様々な吸着剤の中でも、バイオ炭はリン酸塩除去だけでなく、水溶液からの重金属除去のための有望な吸着剤の一つである。本研究では、バイオ炭をグリシンベタインの存在下でナノ酸化亜鉛を含浸させた。酸化亜鉛ベタイン修飾バイオ炭ナノコンポジット（ZnOBBNC）は、リン酸塩溶液中でリン酸塩の最大吸着容量（265.5mg.g）と高速吸着速度（リン酸塩10mg.Lとナノコンポジット3g.Lの用量で15分で〜100％除去）を示し、リン酸塩除去のための優れた吸着剤であることが証明されました。これらの良性ZnOBBNCの合成は、環境に優しく、経済的に実現可能なプロセスが含まれています。材料の特性評価から、我々は、ZnOBBNCが〜20〜30nmの粒子径、高い表面積（100.01m.g）、微多孔質（25.79Å）構造、および7.64％の亜鉛含有量を有することを発見した。pH(2-10)、共存陰イオン(Cl, CO, NO, SO)、初期リン酸塩濃度(10-500mg.L)、ZnOBBNC投与量(0.5-5g.L)の影響をバッチ実験で調べた。吸着等温線データから、ZnOBBNCを用いたリン酸塩の吸着はラングミュア等温線(R=0.9616)に沿っており、単層吸着機構を確認した。また、リン酸塩吸着の速度論的研究では、ZnOBBNCを用いたリン酸塩吸着は疑似2次モデル(R=1.0000)に従うことが示され、内球コンプレックスを持つ化学吸着機構を確認した。その結果、ZnOBBNCは、市販のナノコンポジットと比較して、実験室で準備した模擬排水と実際の現場で採取した排水の両方からリン酸塩を除去するのに適した、競争力のある候補物質であることを示した。

Phosphate is one of the most costly and complex environmental pollutants that leads to eutrophication, which decreases water quality and access to clean water. Among different adsorbents, biochar is one of the promising adsorbents for phosphate removal as well as heavy metal removal from an aqueous solution. In this study, biochar was impregnated with nano zinc oxide in the presence of glycine betaine. The Zinc Oxide Betaine-Modified Biochar Nanocomposites (ZnOBBNC) proved to be an excellent adsorbent for the removal of phosphate, exhibiting a maximum adsorption capacity of phosphate (265.5 mg. g) and fast adsorption kinetics (~100% removal at 15 min at 10 mg. L phosphate and 3 g. L nanocomposite dosage) in phosphate solution. The synthesis of these benign ZnOBBNC involves a process that is eco-friendly and economically feasible. From material characterization, we found that the ZnOBBNC has ~20-30 nm particle size, high surface area (100.01 m. g), microporous (25.79 Å) structures, and 7.64% zinc content. The influence of pH (2-10), coexisting anions (Cl, CO, NO and SO), initial phosphate concentration (10-500 mg. L), and ZnOBBNC dosage (0.5-5 g. L) were investigated in batch experiments. From the adsorption isotherms data, the adsorption of phosphate using ZnOBBNC followed Langmuir isotherm (R = 0.9616), confirming the mono-layered adsorption mechanism. The kinetic studies showed that the phosphate adsorption using ZnOBBNC followed the pseudo-second-order model (R = 1.0000), confirming the chemisorption adsorption mechanism with inner-sphere complexion. Our results demonstrated ZnOBBNC as a suitable, competitive candidate for phosphate removal from both mock lab-prepared and real field-collected wastewater samples when compared to commercial nanocomposites.