Nano-zerovalent copper biochar composite for treating selenium oxyanions in water: synthesis, evaluation, removal mechanism, density functional theory, and molecular dynamics simulations

硒酸盐 吸附 无机化学 密度泛函理论 化学 核化学 氧化物 氧阴离子 计算化学 催化作用 物理化学 有机化学
作者
Mahvish Abbasi,Osama Shaheen Rizvi,Syed Zajif Hussain,Asim Jilani,Faisal A. Osra,George William Kajjumba,Amit Bhatnagar,Eakalak Khan,Tauqeer Abbas
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:485: 149954-149954 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.149954
摘要

This study focused on the synthesis and applicability of nano-zerovalent copper biochar composite (nCu0-BC) for treating selenium oxyanions in water. In batch experiments, 2 g/L of nCu0-BC efficiently removed 98.96 % of selenite [Se(IV)] and 98.78 % of selenate [Se(VI)] in 10 mL of water (10 mg/L for each Se oxyanion) in 12 h. Both Se(IV) and Se(VI) removal followed the pseudo-second-order kinetic model, and their removal rates increased by 3.02 and 7.44-folds, respectively, by increasing the nCu0-BC dose from 2 to 3 g/L. Co-existing ions had minimal effect on Se(VI) removal except PO43- which significantly reduced the Se(VI) removal; while the presence of calcium, sodium, nitrate, and bicarbonate lowered Se(IV) removal by 7–10 %. Spectroscopic analyses were employed to characterize virgin and spent nCu0-BC. XRD analysis revealed that nCu0-BC contains copper in two crystalline phases, i.e., zerovalent copper (Cu0) and cuprous oxide. XPS analysis showed that Cu0 was the main source of electrons for the reduction of Se oxyanions; Se(IV) was reduced to Se(0) while Se(VI) was reduced to Se(IV) and Se(0). The density functional theory simulation indicated that both Se(VI) and Se(IV) form stable complexes with nCu0-BC with the calculated adsorption energies of −3,657 kcal/mol and −3,669 kcal/mol, respectively. The molecular dynamic simulation revealed a high adsorption affinity of Se oxyanions towards nCu0-BC owing to the presence of Cu0 on its surface, resulting in stable bidentate binuclear complexes formation between Se oxyanions and Cu0.
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