Removal of phosphate from wastewater using zirconium/iron embedded chitosan/alginate hydrogel beads: An experimental and computational perspective

Abstract

Adsorptive removal of phosphate plays a crucial role in mitigating eutrophication. Herein, the Zr/Fe embedded chitosan/alginate hydrogel bead (Zr/Fe/CS/Alg) is reported as an effective phosphate adsorbent. This polymer nanocomposite is synthesized by the in-situ reduction of the metals on the polymer matrix. The synthesized adsorbent was characterized by the FTIR, SEM-EDX, TGA, BET, and XPS. The adsorbent showed a maximum phosphate adsorption capacity of 221.72 mg/g at pH 3. The experimental data fit well with the Freundlich isotherm and pseudo-second-order kinetics model, indicating a heterogeneous multilayer surface formation and a chemisorption-dominated adsorption process. Density Functional Theory (DFT) and Monte Carlo (MC) calculations revealed high negative adsorption energy due to the chemisorption of phosphate on the adsorbent. Hence, the major interactions such as electrostatic attraction, hydrogen bonding, and inner-sphere complexation of phosphate adsorption and Zr/Fe/CS/Alg hydrogel beads were investigated from the experimental and computational analysis. The negative values of thermodynamic parameters indicated a spontaneous, exothermic, and less random adsorption process. The synthesized adsorbent exhibited excellent selectivity towards phosphate and maintained 73% efficiency after six adsorption/desorption cycles. The Zr/Fe/CS/Alg hydrogel beads reduced the phosphate concentration in real wastewater samples from 19.02 mg/L to 0.985 mg/L, suggesting that these nanocomposite hydrogel beads could be a promising adsorbent for real-world applications.

Adsorpční odstraňování fosfátů hraje zásadní roli při zmírňování eutrofizace. Zde se jako účinný adsorbent fosfátů uvádí chitosan/alginátová hydrogelová kulička (Zr/Fe/CS/Alg) se zabudovaným Zr/Fe. Tento polymerní nanokompozit je syntetizován in situ redukcí kovů na polymerní matrici. Syntetizovaný adsorbent byl charakterizován pomocí FTIR, SEM-EDX, TGA, BET a XPS. Adsorbent vykazoval maximální adsorpční kapacitu fosfátu 221,72 mg/g při pH 3. Experimentální data dobře zapadají do Freundlichova izotermického modelu a kinetického modelu pseudo-druhého řádu, což ukazuje na heterogenní tvorbu vícevrstvého povrchu a proces adsorpce s převahou chemisorpce. Výpočty pomocí teorie funkcionálu hustoty (DFT) a metody Monte Carlo (MC) odhalily vysokou negativní adsorpční energii v důsledku chemisorpce fosfátu na adsorbentu. Na základě experimentální a výpočetní analýzy byly tedy zkoumány hlavní interakce, jako je elektrostatická přitažlivost, vodíková vazba a komplexace vnitřní sféry adsorpce fosfátů a hydrogelových kuliček Zr/Fe/CS/Alg. Záporné hodnoty termodynamických parametrů indikovaly spontánní, exotermický a méně náhodný adsorpční proces. Syntetizovaný adsorbent vykazoval vynikající selektivitu vůči fosfátu a udržoval si 73% účinnost po šesti cyklech adsorpce/desorpce. Hydrogelové kuličky Zr/Fe/CS/Alg snížily koncentraci fosforečnanů ve skutečných vzorcích odpadní vody z 19,02 mg/l na 0,985 mg/l, což naznačuje, že tyto nanokompozitní hydrogelové kuličky by mohly být slibným adsorbentem pro aplikace v reálném světě.