Removal of Contaminant Nanoparticles from Wastewater Produced Via Hydrothermal Carbonization by Spions

La carbonisation hydrothermale (CHT) peut être définie chimiquement comme un processus combiné de déshydratation et de décarboxylation dans un état humide. En bref, ce procédé est réalisé par l'application d'une température élevée (entre 180 à 250°C) et d'une pression (de l'ordre de 2 MPa) pour dégager l'eau de la biomasse et transformer le carbone en biocharbon de haute qualité en l'espace de quelques heures. D'abord la biomasse est chauffée sous forme de solution aqueuse dans un réservoir sous pression jusqu'à ce qu'un procédé exothermique entre en action. Dès ce moment l'exploitation de l'installation ne requiert aucune énergie additionnelle. En outre, pendant le processus de conversion humide, la forte teneur en résidus est transformée en nanoparticules qui pourraient présenter une nanostructure hétérogène bien définie. Bien que la CHT soit connue depuis des années, on observe un regain d'intérêt envers ce procédé en raison de sa rentabilité et des propriétés intéressantes de ses produits comme le biochar, un produit semblable à l'humus, qui peut être employé pour amender les sols agricoles et stocker le CO2. En fait, la CHT a été utilisé pour le traitement des boues et des eaux usées dans certains pays développés tels que l'Allemagne. Aujourd'hui, de nombreux scientifiques continuent à étudier les produits solides de ce procédé tel que le biochar. Ces études concernent la caractérisation physico-chimique et biologique des produits générés par la CHT, ainsi que leur utilisation potentielle. Toutefois, les produits aqueux de la CHT, riches en hydrocarbures dérivés et en nanoparticules (NPs), sont rarement étudiés. Ainsi, notre objectif est d'étudier les eaux usées générées par la CHT à partir d'une biomasse de glycérine ou de sucre. En outre, nous proposons une nouvelle stratégie de traitement pour éliminer les NPs de ces eaux usées. À cet égard, nous avons utilisés les nanoparticules superparamagnétiques d'oxyde de fer (SPIONs) en raison de leurs propriétés physico-chimiques uniques (propriétés magnétiques, capacité d'absorption, biocompatibilité et éco-compatibilité) pour la décontamination de l'eau et des eaux usées. Dans ce travail, nous avons synthétisé deux nanocomposites à base de SPIONs pour le retrait magnétique des nanoparticules des eaux usées. Dans le premier cas, nous avons synthétisé des SPIONS recouverts de polyéthylène-glycol (PEG) (SPIONs @ (PEG)). Dans le second cas, nous avons utilisé un procédé de croissance in situ pour produire un nanocomposite de SPIONS et d'oxyde de graphène purifié (OG), (SPIONs / OG), et recouvert par la suite de PEG (20000Da), (SPIONS / OG @ PEG). Comme les OG contiennent divers groupes fonctionnels comprenant, entre autres, les acides carboxyliques, les hydroxyles et les époxydes, ayant une valence élevée pour l'adsorption de contaminants en raison de leur teneur élevée en oxygène, nous supposons que SPIONS / GO @ PEG améliorent le procédé de décontamination.

Abstract

Hydrothermal carbonization (HTC) is a chemical approach that can be defined as a combined dehydration and decarboxylation process in a wet state. Briefly, this process is performed by applying elevated temperature (between 180-250°C) and pressure (arround 2MPa) to convert biomass from aqueous suspension (e.g. sludge, wastewater, natural products, among other) into three different phases and materials products, including biocoal. Further, during the wet conversion process the high residue content is transformed into nanoparticles that could present well-defined or heterogeneous nanostructure. Although HTC was known for years, it has been focused only recently due to exclusive products properties and cost-effective production. In fact, HTC has been used for sludge and wastewater treatment plants in some developed countries such as Germany. Nowadays, many scientific groups still investigate solid products (e.g. biocoal) from HTC. These studies are related to physico-chemical and biological characterization of HTC's generated materials, as well as their potential uses. However, aqueous products from HTC, which are rich in hydrocarbons derivatives and nanoparticles (NPs), are rarely studied. Thereby, our objective is to study the wastewater generated from HTC applied to samples of either glycerin or sugar. Furthermore, we propose a novel treatment strategy to remove the NPs from the wastewater. In this regard, we have used Superparamagnetic Iron Oxide (SPIONs) due to their unique physico-chemical properties (magnetic properties, adsorption capacity, biocompatibility and eco-friendly degradation) for decontamination of water and wastewater. In this regard, we synthesized two different nanocomposites based on SPIONs to carry out the magnetic removal of existent NPs in the wastewater. For the first case, we synthesized polyethylene-glycol (PEG) coated SPIONS (SPIONs@PEG). The second one was a new nanocomposite (SPIONs/GO) obtained from in situ growth of SPIONS over purified graphene oxide (GO), which was afterwards coated with PEG (20000Da), resulting in SPIONs/GO@PEG. As GO has various functional groups that have a high valence for absorption of contaminants due to their oxygen content, we assume that SPIONs/GO@PEG improves the efficiency of the decontamination process compared to SPIONs@PEG alone. Initially, we have characterized the synthetized SPIONs. Fourier Transform Infrared spectroscopy (FT-IR) was used to identify the present functional groups in the SPIONs samples. Atomic Force Microscopy (AFM) and Transmission Electronic Microscopy (TEM) were used to determine the topography and diameter size via high resolution images with fine details of the nanocomposites. Finally Dynamic Light Scattering (DLS) was used to evaluate the size distribution of the SPIONs in distilled water.