Mechanisms of cadmium and lead retention by novel phosphorus/magnesium-engineered biochar | Mecanismos de retenção de cádmio e chumbo por biocarvões funcionalizados com fósforo e magnésio

In this study, novel phosphorus/magnesium-engineered biochars were prepared from co- pyrolysis of poultry litter and phosphate sources and magnesium oxide (MgO) and tested for their cadmium (Cd2+) and lead (Pb2+) retention capacities, unraveling the adsorption mechanisms. In the first article, which was published at Science of the Total Environment Journal (Elsevier), batch experiments were conducted to evaluate the adsorption ability of Cd2+ by biochars and a wide range of characterization techniques were used. Results showed that, in general, Cd2+ removal did not drastically change with initial pH variation and was relatively fast (up to 3 h). The surfaces of the biochars contain a rich variety of oxygen- containing functional groups as well as phosphate groups. Since the specific surface areas of the biochars are considered low (up to 25.19 m2 g -1 ), surface groups contributed more to Cd2+ retention. Complexation and precipitation were the predominant adsorption mechanisms. Thus, P/Mg-engineered biochars are considered effective and eco-friendly adsorbents for Cd2+ removal from aqueous medium. In the second study, it was determined the efficiency of Pb2+ removal by phosphorus/magnesium-engineered biochars through batch assays and the retention mechanisms were elucidated, using advanced characterization methods. Adsorptions of Pb2+ by the P/Mg-engineered biochars (up to 600 mg g-1 ) were nearly 10 times more effective than the non-treated biochar (60 mg g-1 ). The functional groups on the surface of the biochars are modified during adsorption, especially phosphorus and oxygen-containing groups. The contents of P and Mg increased after modification, showing high correlation between adsorbed Pb and P and O, which interacted with Pb through chemisorption (especially precipitation and complexation). Treatment with phosphate compounds and MgO, which increased the pH of the biochars, caused the formation of insoluble lead apatites on the surface of the P/Mg-engineered biochars, as well as other Pb inorganic crystalline components, including Pb3(CO3)2(OH)2 and PbCO3, as observed in the X-ray diffraction (XRD) patterns, and confirmed by X-ray absorption spectroscopy (XAS). Thus, P/Mg- engineered biochars produced from poultry litter are considered effective and eco-friendly adsorbents for Pb-contaminated aqueous environments, such as wastewater. Since the retention mechanism was deeply investigated, this study provides a basis for a successful practical application of the biochars in environmental remediation regarding Pb and Cd contamination.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)

Neste estudo, biocarvões funcionalizados com fósforo/magnésio foram preparados a partir da co-pirólise da cama de frango e fontes de fosfato e óxido de magnésio (MgO) e testados quanto às capacidades de retenção de cádmio (Cd2+) e chumbo (Pb2+), elucidando os mecanismos de adsorção. No primeiro artigo, que foi publicado na Science of the Environment Total Journal (Elsevier), experimentos de adsorção em batelada foram conduzidos para avaliar a capacidade de adsorção de Cd2+ pelos biocarvões, utilizando uma ampla gama de técnicas de caracterização para elucidação dos mecanismos de retenção. Os resultados mostraram que, em geral, a remoção de Cd2+ não mudou drasticamente com a variação inicial do pH e foi relativamente rápida (até 3 h). As superfícies dos biocarvões contêm uma rica variedade de grupos funcionais contendo oxigênio e fósforo. Como as áreas de superfície específicas dos biocarvões são consideradas baixas (25,19 m2 g -1 ), os grupos de superfície contribuíram mais para a retenção de Cd2+, e complexação e precipitação foram os mecanismos de adsorção predominantes. Portanto, os biocarvões funcionalizados com P/Mg são considerados adsorventes eficazes e de baixo custo para remoção de Cd2+ do meio aquoso. No segundo estudo, determinou-se a eficiência de remoção de Pb2+ pelos biocarvões por meio de ensaios em batelada e os mecanismos de retenção foram elucidados utilizando métodos avançados de caracterização. As adsorções de Pb2+ pelos biocarvões funcionalizados (600 mg g -1 ) foram quase 10 vezes mais eficazes do que o biocarvão não tratado (60 mg g-1 ). Os grupos funcionais na superfície dos biocarvões são modificados durante a adsorção, especialmente grupos contendo fósforo e oxigênio. Os teores de P e Mg aumentaram após a modificação, mostrando alta correlação entre o Pb adsorvido e P e O, que interagiram com Pb através da quimissorção (especialmente precipitação e complexação). O tratamento com compostos de fosfato e MgO causou a formação de apatitas de chumbo insolúveis na superfície dos biocavões modificados, bem como outros componentes cristalinos inorgânicos de Pb, incluindo (Pb3(CO3)2(OH)2) e PbCO3, como observado nos padrões de difração de Raio-X (DRX), e confirmado por espectroscopia de absorção de Raio-X (XAS). Assim, os biocarvões funcionalizados com P/Mg e produzidos a partir de cama de frango são considerados adsorventes eficazes e ecologicamente corretos para ambientes aquosos contaminados com Pb, como águas residuais. Como os mecanismos de retenção foram profundamente investigados, o presente estudo fornece base para uma aplicação prática bem- sucedida dos materiais na remediação ambiental em relação à contaminação por Pb e Cd.