Publicado

2016-05-01

Nanostructured MnO2 catalyst in E. crassipes (water hyacinth) for indigo carmine degradation

Catalizador de MnO2 nanoestructurado en E. crassipes (jacinto de agua) para la degradación de índigo carmín

DOI:

https://doi.org/10.15446/rev.colomb.quim.v45n2.60395

Palabras clave:

Eichhornia crassipes, indigo carmine, nanostructured material, manganese oxide (en)
Eichhornia crassipes, índigo carmín, materiales nanoestructurados, óxido de manganeso (es)

Descargas

Autores/as

  • Tatiana Cuervo Blanco Universidad Nacional de Colombia
  • César Augusto Sierra Ávila Universidad Nacional de Colombia
  • Hugo Ricardo Zea Ramírez Universidad Nacional de Colombia
The use of water hyacinth’s dried matter (Eichhornia crasippes) as a support matrix for nano-MnO2 and its application for the removal of indigo carmine (IC) was studied. Different pretreatment processes were tested and results indicated that an acid-alkali pretreatment is an efficient method to binding nanoparticles (NPs) to cellulosic matrix. In adittion, the MnO2 NPs were synthesized by sonochemical reduction of MnO4- using different methods (ultrasonic horn system, ultrasonic bath and reaction with ethanol), where the influence of the precursor concentration was observed. The synthesized material was further characterized by ATR-IR, AAS, XRD, SEM, nitrogen isotherms adsorption, EDS, and pHpzc. The IC removal capacity of the nanostructured material, the chemical nature of the degradation products and the effect of various parameters (temperature, pH, initial IC concentration, among others) were explored in water samples. After this process, the material, obtained by the ultrasonic bath method, was able to remove 97.6% of IC color in five min, without losing dye degradability efficiency for several consecutive cycles. Through this approach, environmental dangerous effluents from many commercial activities such as textile industry can be efficiently removed with low cost, using synthesize process biodegradable nanocomposite materials.
Se estudió el uso de la materia seca del jacinto de agua (Eichhornia crassipes) como matriz-soporte para nano-MnO2 y su eficiencia en la eliminación de índigo carmín (IC). Se ensayaron diferentes procesos de pretratamiento y los resultados indicaron que un tratamiento previo ácido-alcalino es un método eficiente para unir las nanopartículas (NPs) a la matriz celulósica. Así mismo, las NPs de MnO2 se sintetizaron por reducción sonoquímica de MnO4- utilizando diferentes métodos (un sistema emisor de ultrasonido, baño de ultrasonido y reacción convencional con etanol como medio). El material sintetizado se caracterizó por ATR-IR, AAS, DRX, SEM, isotermas de adsorción de nitrógeno, EDS y pHpzc. Se exploró la capacidad de eliminación de IC por parte del material nanoestructurado y la naturaleza química de los productos de degradación en muestras acuosas. Se analizó el efecto de diversos parámetros tales como temperatura, pH, concentración inicial de IC, entre otros. Finalmente, el material nanoestructurado, obtenido con un baño de ultrasonido, mostró una eficiencia de 97,6% en la eliminación del color característico de IC en 5 min, sin perder la eficiencia en la degradación del colorante por varios ciclos consecutivos. A través de este enfoque, se pueden eliminar efluentes ambientalmente peligrosos provenientes de actividades comerciales como la industria textil, de manera eficiente y a un bajo costo, mediante el uso de materiales nanocompuestos biodegradables cuya síntesis es de fácil aplicación.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Citas

Saha, S.; Pal, A. Microporous assembly of MnO2 nanosheets for malachite green degradation. Sep. and Purif. Technolgy. 2014, 134 (0), 26-36. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.seppur.2014.07.021

Priya, E. S.; Selvan, P. S. Water hyacinth (Eichhornia crassipes) – An efficient and economic adsorbent for textile effluent treatment-A review. Arabian J. Chem. 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.arabjc.2014.03.002

Vautier, M.; Guillard, C.; Herrmann, J. M. Photocatalytic Degradation of Dyes in Water: Case Study of Indigo and of Indigo Carmine. J. Catal. 2001, 201 (1), 46-59. DOI: http://dx.doi.org/10.1006/jcat.2001.3232

Palma, R. E; Macías, J.; González, I.; Torres, R. A. Tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria textil mediante oxidación electroquímica. Revista Colombiana de Materiales. 2013, 4, 93-108.

Barka, N.; Assabbane, A.; Nounah, A.; Ichou, Y. A. Photocatalytic degradation of indigo carmine in aqueous solution by TiO2-coated non-woven fibres. J. Hazard. Mater. 2008, 152 (3), 1054-1059. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.07.080

Rauf, M. A.; Ashraf, S. S. Radiation induced degradation of dyes—An overview. J. Hazard. Mater. 2009, 166 (1), 6-16. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.11.043

Ahmed, K. A. M.; Peng, H.; Wu, K.; Huang, K. Hydrothermal preparation of nanostructured manganese oxides (MnOx) and their electrochemical and photocatalytic properties. Chem. Eng. J. (Amsterdam, Neth.) 2011, 172 (1), 531-539. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2011.05.070

Yu, C.; Li, G.; Wei, L.; Fan, Q.; Shu, Q.; Yu, J. C. Fabrication, characterization of β-MnO2 microrod catalysts and their performance in rapid degradation of dyes of high concentration. Catal. Today 2014, 224 (0), 154-162. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cattod.2013.11.029

Maliyekkal Shihabudheen, M.; Kinattukara Lisha, P.; Pradeep, T. A novel cellulose–manganese oxide hybrid material by in situ soft chemical synthesis and its application for the removal of Pb(II) from water. J. Hazard. Mater. 2010, 181, 986-995. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.05.112

Zhang, W.; Yang, Z.; Wang, X.; Zhang, Y.; Wen, X.; Yang, S. Large-scale synthesis of β-MnO2 nanorods and their rapid and efficient catalytic oxidation of methylene blue dye. Catal. Commun. 2006, 7 (6), 408-412. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.catcom.2005.12.008

Sui, N.; Duan, Y.; Jiao, X.; Chen, D. Large-Scale Preparation and Catalytic Properties of One-Dimensional α/β-MnO2 Nanostructures. J. Phys. Chem C. 2009, 113 (20), 8560-8565. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jp810452k

Invasive Species Compendium, Datasheet Eichhornia crassipes. https://www.invasivespeciesinfo.gov/aquatics/waterhyacinth.shtml (accessed November 1st 2015)

Téllez, T. R.; López, E. M. D. R.; Granado, G. L.; Pérez, E. A.; López, R. M.; Guzmán, J. M. S. The water hyacinth, Eichhornia crassipes: an invasive plant in the Guadiana River Basin (Spain). Aquatic Invasions 2008, 3 (1), 42-53. DOI: http://dx.doi.org/10.3391/ai.2008.3.1.8

Lin, S.; Wnag, G.; Na, Z.; Lu, D.; Liu, Z. Long-root Eichhornia crassipes as a biodegradable adsorbent for aqueous As (III) and As (V). Chem. Eng. J. 2012, 183, 365-371. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2012.01.013

Komy, Z. R.; Abdelraheem, W. H.; Ismail, N. Biosorption of Cu2+ by Eichhornia crassipes: Physicochemical characterization, biosorption modeling and mechanism. J. King Saud. Univ. Sci. 2013, 25, 47-56. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jksus.2012.04.002

Zheng, J. C.; Feng, H. M.; Lam, M. H.W.; Lam, P. K.S. Removal of Cu(II) in aqueous media by biosorption using water hyacinth roots as a biosorbent material. J. Hazard. Mater. 2009, 171, 780-785. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.06.078

National Environment Protection Council NEPC Schedule B3: Guideline on Laboratory Analysis of Potentially Contaminated Soils, 2011. http://goo.gl/g0uQz4 (accessed December 12 2015)

Wang, H..; Zheng, M.; Chen, J.; Ji, G.; Cao, J. M. Synthesis of MnO2 Microfiber with Secondary Nanostructure by Cotton Template. J. Nanotech. 2010, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1155/2010/479172

Zhu, S.; Zhang, D.; Li, Z.; Furukawa, H.; Chen, Z. Precision Replication of Hierarchical Biological Structures by Metal Oxides Using a Sonochemical Method. Langmuir 2008, 24, 6292-6299. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/la7037153

Chacón Patiño, M. L.; Blanco Tirado, C.; Hinestroza, J. P.; Combariza, M. Y. Biocomposite of nanostructured MnO2 and fique fibers for efficient dye degradation. Green Chem. 2013, 15, 2920–2928. DOI: http://dx.doi.org/10.1039/C3GC40911B

Kumar, P.; Barrett, D. M.; Delwiche, M. J.; Stroeve, P. Methods for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass for Efficient Hydrolysis and Biofuel Production University of California. Division of Agriculture and Natural Resources [Online], 2009. http://ucanr.edu/datastoreFiles/234-1388.pdf (accessed August 26th 2015)

Esteghlalian, A.; Hashimoto, A. G.; Fenske, J. J.; Penner, M. H. Modeling and optimization of the dilute-sulfuric-acid pretreatment of corn stover, poplar and switchgrass. Bioresour. Tech. 1997, 59 (2–3), 129-136. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0960-8524(97)81606-9

Ganguly, A.; Das, S.; Bhattacharya, A.; Dey, A.; Chatterjee, P. K. Enzymatic hydrolysis of water hyacinth biomass for the production of ethanol. Optimization of giving parameters. Indian J. Exp. Biol. 2013, 51, 556-566.

Agbor, V. B.; Cicek, N.; Sparling, R. Biomass pretreatment: Fundamentals toward applicaton. Biotechnol. Adv. 2011, 29, 675-685. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.biotechadv.2011.05.005

V. Subramanian, H.; Zhu, H.; Wei, B. Alcohol-assisted room temperature synthesis of different nanostructured manganese oxides and their pseudocapacitance properties in neutral electrolyte. Chem. Phys. Lett. 2008, 453, 242-249. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cplett.2008.01.042

Chacón, M.L. Síntesis in situ y caracterización de nanopartículas de óxidos de manganeso en fibras de fique y su aplicación en el tratamiento de agua contaminada con colorantes. MSc. Thesis, UIS, Bucaramanga, 2011.

Al-Degs, Y. S.; El-Barghouthi, M. I.; El-Sheikh, A. H.; Walker, G. M. Effect of solution pH, ionic strength, and temperature on adsorption behavior of reactive dyes on activated carbon. Dyes Pigm. 2008, 77 (1), 16-23. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.dyepig.2007.03.001

Elmorsi, T., Equilibrium Isotherms and Kinetic Studies of Removal of Methylene Blue Dye by Adsorption onto Miswak Leaves as a Natural Adsorbent. J. Environ. Protection 2011, 2, 817-827.

Singha, S.; Sarkar, U.; Mondal, S.; Saha, S. Transient behavior of a packed column of Eichhornia crassipes stem for the removal of hexavalent chromium. Desalination 2012, 297 (0), 48-58. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2012.04.016

Lakshmi, U. R.; Srivastava, V. C.; Mall, I. D.; Lataye, D. H. Rice husk ash as an effective adsorbent: Evaluation of adsorptive characteristics for Indigo Carmine dye. J. Environ. Manage. 2009, 90 (2), 710-720. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jenvman.2008.01.002

Grządka, E. The Adsorption Layer in the System: Carboxymethylcellulose/Surfactants/NaCl/MnO2. J. Surfact. Deterg. 2012, 15 (4), 513-521. DOI: http://dx.doi.org/10.1007%2Fs11743-012-1340-5

Dalmázio, I.; de Urzedo, A. P.; Alves, T.; Catharino, R. R.; Eberlin, M. N.; Nascentes, C. C. et al. Electrospray ionization mass spectrometry monitoring of indigo carmine degradation by advanced oxidative processes. J. mass spectrom. 2007, 42(10), 1273-1278. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/jms.1159

Coelho M.G. ; Lima G.M.; Augusti, R.; Maria, D.A.; Ardisson, J.D. New materials for photocatalytic degradation of Indigo Carmine—Synthesis, characterization and catalytic experiments of nanometric tin dioxide-based composites. Appl. Catal. B: Environ. 2010, 96, 67-71. DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.apcatb.2010.02.002

Zaied, M.; Peulon, S.; Bellakhal, N.; Desmazieres, B.; Chaussé, A. Studies of N-demethylation oxidative and degradation of methylene blue by thin layers of birnessite electrodeposited onto SnO2. Appl. Catal. B: Environ. 2011, 101(3), 441-450. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apcatb.2010.10.014

Licencia

Los autores/as conservarán sus derechos de autor y garantizarán a la revista el derecho de primera publicación de su obra, el cuál estará simultáneamente sujeto a la Licencia de reconocimiento de Creative Commons (CC. Atribución 4.0) que permite a terceros compartir la obra siempre que se indique su autor y su primera publicación en esta revista.

Los autores/as podrán adoptar otros acuerdos de licencia no exclusiva de distribución de la versión de la obra publicada (p. ej.: depositarla en un archivo telemático institucional o publicarla en un volumen monográfico) siempre que se indique la publicación inicial en esta revista.

Se permite y recomienda a los autores/as difundir su obra a través de Internet (p. ej.: en archivos telemáticos institucionales o en su página web) antes y durante el proceso de envío, lo cual puede producir intercambios interesantes y aumentar las citas de la obra publicada. (Véase El efecto del acceso abierto).