Bio-inspired membranes for adsorption of arsenic via immobilized L-Cysteine in highly hydrophilic electrospun nanofibers

Abstract

Abstract. Arsenic is a concern for its ubiquity in the environment and its accumulative and toxic properties. Water is often contaminated with this chemical, so developing simple, scalable, and green water treatment technologies is urgently needed. We show here that the ability of the L-Cysteine biomolecule to form complexes with arsenic inspires its use as a natural bio-inspired sorbent to develop advanced functional materials. We establish for the first time a way to chemically anchor L-Cysteine (L-Cys) inside highly hydrophilic nanofibers to create a membrane capable of lowering As(V) concentration below the WHO limit of 10 μg/L. A homogeneous precursor mixture of an aqueous solution of PVA and L- Cys (5 wt% and 10 wt% of L-Cys with respect to PVA) was electrospun to obtain a fibrous membrane. Successful immobilization of L-Cys within PVA nanofibers is achieved during heat treatment at 190 °C. It occurs through esterification reactions between the hydroxyl group on the PVA chain and the carboxylic acid on L-Cys. Arsenic sorption (as As (V)) was assessed by batch experiments in aqueous media and at a controlled pH range. The maximum removal efficiency was achieved at pH 7, supporting the formation of thiolate complexes as the primary mechanism for arsenic sorption. We show that L-Cys confinement makes arsenic diffusion inside the nanofibers a rate-limiting process in adsorption kinetics, following the pseudo first order equation. Overall, this work lishes a novel arsenic remediation strategy and encourages the research of nature-mimicking adsorbents and biodegradable polymers to develop functional materials in water remediation.

Resumen. El arsénico es motivo de preocupación por su ubicuidad en el medio ambiente y sus propiedades acumulativas y tóxicas. El agua a menudo está contaminada con esta sustancia química, por lo que desarrollar simples y escalables. Se necesitan con urgencia tecnologías de tratamiento de agua ecológicas y capaces. Aquí mostramos que la capacidad de la biomolécula L-cisteína para formar complejos con arsénico inspira su uso como sorbente bioinspirado natural para desarrollar materiales funcionales avanzados. Establecemos por primera vez una forma de anclar químicamente la L-cisteína (L-Cys) dentro de nanofibras altamente hidrofílicas para crear una membrana capaz de reducir la concentración de As(V) por debajo del límite de la OMS de 10 μg/L. Se electrohilado una mezcla precursora homogénea de una solución acuosa de PVA y L-Cys (5% en peso y 10% en peso de L-Cys con respecto a PVA) para obtener una membrana fibrosa. La inmovilización exitosa de L-Cys dentro de nanofibras de PVA se logra durante el tratamiento térmico a 190 °C. Ocurre mediante reacciones de esterificación entre el grupo hidroxilo de la cadena de PVA y el ácido carboxílico de L-Cys. La sorción de arsénico (como As (V)) se evaluó mediante experimentos discontinuos en medios acuosos y en un rango de pH controlado. La máxima eficiencia de eliminación se logró a pH 7, apoyando la formación de complejos de tiolato como mecanismo principal para la sorción de arsénico. Mostramos que el confinamiento de L-Cys hace que la difusión de arsénico dentro de las nanofibras sea un proceso limitante de la velocidad en la cinética de adsorción, siguiendo la ecuación de pseudo primer orden. En general, este trabajo presenta una nueva estrategia de remediación de arsénico y fomenta la investigación de adsorbentes que imitan la naturaleza y polímeros biodegradables para desarrollar materiales funcionales en la remediación del agua.