An in situ approach to entrap ultra-small iron oxide nanoparticles inside hydrophilic electrospun nanofibers with high arsenic adsorption

Abstract

Abstract. The problem of arsenic contamination in water demands sustainable, scalable, and easy-to-implement solutions. Various nano-adsorbents flourished in the last decade, but their use alone requires additional filtering processes to avoid environmental contamination. This work presents a simple, efficient, green approach to overcome this inconvenience while maximizing adsorption capacity. We show for the first time a novel approach to synthesizing ultra-small nanoparticles (IONPs) within electrospun hydrophilic poly(vinyl alcohol) (PVA) nanofibers, avoiding NPs release into the environment when submerged in water. The in-situ synthesis favor enhanced arsenic adsorption capacity due to the excellent dispersion, tiny size, and surface availability of IONPs, reaching 3.5 mg/g at 10 μg/L. We show that IONPs alter the polymeric matrix properties, such as the glass transition temperature and crystallinity, by preventing the formation of strong hydrogen bond inter/intramolecular interactions of PVA. Insolubility and swelling capacity are essential characteristics of this membrane, which allow solution interchange for arsenic adsorption onto IONPs. Isotherm studies show that the increase from 1 wt% to 3 wt% of IONPs content decreases the active sites for adsorption per mass of IONPs. Still, it does not alter the reusability of the membrane, which reaches at least 3 adsorption cycles with 80 % efficiency. We discuss the adsorption mechanisms and show that phosphate anions partially inhibit As(V) adsorption and that the membranes are also highly capable of removing Cr(VI), independently of the presence of Ni(II).

Resumen. El problema de la contaminación por arsénico en el agua exige soluciones sostenibles, escalables y fáciles de implementar. Varios nanoadsorbentes florecieron en la última década, pero su uso por sí solo requiere procesos de filtrado adicionales para evitar la contaminación ambiental. Este trabajo presenta un enfoque simple, eficiente y ecológico para superar este problema al tiempo que maximiza la capacidad de adsorción. Mostramos por primera vez un enfoque novedoso para sintetizar nanopartículas ultrapequeñas (IONP) dentro de nanofibras hidrofílicas de poli(alcohol vinílico) (PVA) electrohiladas, evitando la liberación de NP al medio ambiente al sumergirse en agua. La síntesis in situ favorece una mayor Capacidad de adsorción de arsénico debido a la excelente dispersión, pequeño tamaño y disponibilidad superficial de los IONP, alcanzando 3,5 mg/g a 10 μg/l. Mostramos que los IONP alteran las propiedades de la matriz polimérica, como la transición vítrea. temperatura y cristalinidad, al prevenir la formación de fuertes interacciones inter/intramoleculares por enlaces de hidrógeno de PVA. La insolubilidad y la capacidad de hinchamiento son características esenciales de esta membrana, que permiten Intercambio de soluciones para la adsorción de arsénico en IONP. Los estudios isotérmicos muestran que el aumento del 1% en peso al 3 El % en peso del contenido de IONP disminuye los sitios activos para la adsorción por masa de IONP. Aún así, no altera la reutilización de la membrana, que alcanza al menos 3 ciclos de adsorción con un 80 % de eficiencia. Discutimos el mecanismos de adsorción y muestran que los aniones fosfato inhiben parcialmente la adsorción de As (V) y que las membranas también son altamente capaces de eliminar Cr(VI), independientemente de la presencia de Ni(II).