Biochars from solid digestates as sorbing materials for metal(loid)s removal from water

Abstract

Jätevesilietteen (SSD) ja kiinteän jätteen lietteen orgaaninen osuuden (OFMSWD) katsotaan tällä hetkellä olevan vaihtoehtoisia raaka-aineita biocharin tuotantoon käsittelyn jälkeisen korkean jäljelle jääneen kiinteän orgaanisen jätteen määränsä ansiosta. Kiinteän lietteen pyrolyysi tunnetaan vaihtoehtoisena menetelmänä, jolla edistetään orgaanisten jätteiden kierrätystä ja tuotetaan lisäarvoa tuottavia biotuotteita (esim. biochar). Yleisesti biochar on paljon alhaisempi sorptiokapasiteetti metalloid teihin verrattuna aktiivihiiliin. Siksi kemiallisen käsittelyn katsotaan olevan vaihtoehto biocharin pinnan ominaisuuksien parantamiseen ja täten paremman metall(oid)ien sorptiokyvyn indusointiin biocharin pinnalla.

Tässä työssä, SSD ja OFMSWD pohjaiset biochar it käsiteltiin 2 M KOH:lla tai 10% H2O2:lla jonka jälkeen ne eräpestiin tai eräpestiin ja kolonnipestiin ultrapuhtaalla vedell'. Fysikokemialliset ominaisuudet mukaanlukien isoelektrisen pisteen pH:n (pHPZC), Brunauer-Emmet-Tellerin pinta-alan (SBET) ja kationinvaihtokapasiteetin (CEC) määriteltiin kaikille biochareille, tavoitteena liittää niiden paremmat pintaominaisuudet metall(oid)ien lisääntyneeseen sorptiokykyyn. Kaikkia biochareja käytettiin sen jälkeen kemiallisen käsittelyn ja biochar pesun vaikutuksen tutkimiseen Pb(II):n, Cd(II):n ja As(III, V):n sorptiokäyttäytymiseen eräsoprptiokinetiikan ja isotermian avulla. Lisäksi, As redox-tila jakauma (As(III) ja As(V)) As(III):n sorption aikana biochar pintaan ja neste yhdisteeseen määriteltiin käyttämällä kiinteä-nesteuuttoa ja sen jälkeistä nesteen kromatograafista analyysia.

Tulokset osoittivat pHPZC:n, SBET:n ja CEC:n lisääntymisen biocharin kemiallisen käsittelyn jälkeen Pb(II):n, Cd(II):n ja As(V):n tehostetun sorptiokyvyn mukaisesti. Esimerkiksi maksimaalinen sorptiokapasiteetti (Qm) kasvoi 1,6 umol g⁻1:stä (As(V)) ja 15,4 umol g⁻1:stä (Cd(II)) raakaa SSD-biocharista arvoon 8,1 umol g⁻1 (As( V)) ja 306,1 μmol g⁻1 (Cd(II)) H2O2:n ja KOH-käsittelyn jälkeen (alussa pH 5,0). Samoin Pb(II):n Qm:ää lisättiin 31,4 μmol g⁻1:stä (raakaa SSD-biocharia) 121,9 μmol g⁻1:een H2O2-modifioidulla SSD-biocharilla. Pb(II):n sorptiokapasiteettia ei kuitenkaan määritetty KOH-käsittelyn jälkeen, koska Langmuir-isotermimallia ei saatu sopimaan kokeellisiin tuloksiin. Tämä osoittaa, että KOH-modifioidun SSD-biocharin riittämätön pesu voi haitata Pb(II)-sorptiota, joka johtuu liuenneista orgaanisista yhdisteistä, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa Pb2+:n kanssa ja siten muodostaa Pb-ligandikomplekseja liuoksessa. Lisäksi As redox -jakauma osoitti suurta hapetusta (70%) As(III):sta As(V):hen KOH-modifioidussa SSD-biocharissa eräpesulla, kun taas As(III) hapetettiin osittain (7%) KOH-modifioitu SSD-biochar, jossa on erä- ja myöhemmät kolonnipestiin. Tämä korostaa pesumenettelyn tärkeää merkitystä metall(oid)in sorptiolle, erityisesti Pb(II):lle ja As(V):lle.

As-uutto ja sen jälkeinen nestekromatografinen analyysi suoritettiin onnistuneesti As(III):n hapettumisen kvantitatiivisen palautumisen ja säilyttämisen saavuttamiseksi askorbiinihapon avulla. Sorptiokinetiikan aikana As(III) voi olla stabiili tai osittain hapettunut biochar käsittelystä riippuen. Lisäksi biochar materiaali indusoi voimakkaan As(III):n hapettumisen ja vähäisemmän hapettumisen liuenneiden yhdisteiden vapautumisella biocharista.

Yhteenvetona voidaan todeta, että liete biocharit, joilla on kemiallinen käsittely ja oikeanlainen biochar pesumenettely, voidaan käyttää onnistuneesti sorbentteina Pb(II), Cd(II) ja As(III, V) sorptiokyvyn parantamiseksi. Lisäksi As redox-jakauma biocharilla ja nestemäisissä liuoksissa sorption aikana voidaan saavuttaa As-uutolla ja kromatografisella analyysillä, mikä antaa paremman käsityksen As(III):n ja As(V):n välisestä transformaatiosta biochar-neste-sorptiossa systeemissä.

Sewage sludge digestate (SSD) and the organic fraction of municipal solid waste digestate (OFMSWD) are currently considered as alternative feedstocks for biochar production due to the high amount of the organic solid waste remaining at the end of the treatment. The pyrolysis of solid digestate is known as an alternative to promote the recycling of organic wastes and generate added-value bio-products (e.g. biochar). Generally, the digestate biochar has a much lower sorption capacity for metal(loid)s compared to activated carbons. Therefore, chemical treatment is considered as a potential option to improve the biochar surface properties and thus inducing a better sorption ability for metal(loid)s on the biochar surface.

In this present work, the SSD and OFMSWD derived biochars were treated with 2 M KOH or 10% H2O2 followed by batch washing or batch and subsequent column washings with ultrapure water. The physicochemical properties including the pH of point of zero charge (pHPZC), the Brunauer-Emmett-Teller surface area (SBET) and cation exchange capacity (CEC) were determined for all the biochars in order to link their improved surface properties to the enhanced sorption ability for metal(loid)s. All the biochars were then used to study the influence of chemical treatment and biochar washing procedure on the sorption behavior of Pb(II), Cd(II) and As(III, V) through the batch sorption kinetics and isotherms. Moreover, the As redox state distribution (i.e. As(III) and As(V)) during the As(III) sorption onto the biochar surface and in liquid solution was determined by using solid-liquid extraction followed by liquid chromatographic analysis.

Results showed increases of the pHPZC, SBET and CEC after chemical treatment of the biochar, in accordance with the enhanced sorption ability for Pb(II), Cd(II) and As(V). For instance, the maximum sorption capacity (Qm) was increased from 1.6 μmol g−1 (As(V)) and 15.4 μmol g−1 (Cd(II)) on the raw SSD biochar to 8.1 μmol g−1 (As(V)) and 306.1 μmol g−1 (Cd(II)) after the H2O2 and KOH treatment, respectively (at initial pH 5.0). Similarly, the Qm of Pb(II) was also increased from 31.4 μmol g⁻1 (raw SSD biochar) to 121.9 μmol g⁻1 on the H2O2 modified SSD biochar. However, the sorption capacity for Pb(II) was not determined after KOH treatment due to the failing of the Langmuir isotherm model to fit the experimental data. This indicates that insufficient washing of the KOH-modified SSD biochar can hinder the Pb(II) sorption due to the release dissolved organic compounds from this biochar that may interact with Pb2+ and thereby forming Pb-ligand complexes in the solution. In addition, the As redox distribution showed a large oxidation (70%) of As(III) to As(V) in KOH-modified SSD biochar with batch washing, while As(III) was partially oxidized (7%) in the KOH-modified SSD biochar with batch and subsequent column washings. This highlights an important role of washing procedure for sorption of metal(loid)s, particularly for Pb(II) and As(V).

The As extraction followed by liquid chromatographic analysis was successfully established to quantitatively recover and preserve As(III) oxidation with the use of ascorbic acid. During the sorption kinetics, As(III) may be stable or partially oxidized depending on the biochar treatment. In addition, the oxidation of As(III) was strongly induced by the biochar material and to a lesser extent by the release of dissolved compounds from the biochar.

In summary, digestate biochars with the chemical treatment followed by a proper biochar washing procedure can be successfully used as potential sorbents to enhance the Pb(II), Cd(II) and As(III, V) sorption capacity. Moreover, the determination of As redox distribution on the biochars and in liquid phase during the sorption process can be achieved through the As extraction and chromatographic analysis, providing a better understanding of the transformation between As(III) and As(V) in the biochar-liquid sorption system.