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There are many reports indicating the presence of various emerging contaminants (ECs) in treated wastewater and other water sources. The detection of such contaminants in the environment and the ability of these contaminants to pose potential threats to the environment at very low concentrations have led to a need for more efficient treatment technologies. Cyclodextrins (CDs) have gained significant interest as an alternative adsorbent for water and wastewater treatment because of their unique physico-chemical characteristics and excellent selectivity towards organic compounds. The property of CD to form inclusion complexes with various molecules through host-guest interactions has made it a useful compound for the removal of a number of contaminants from water and wastewater. The overall goal of the study is to identify and develop a novel adsorbent for the removal of ECs of interest. The specific objectives are a) to synthesize various beta-cyclodextrin (BCD) based adsorbents by coating BCD onto different supports such as silica, filter paper, iron oxide, and zeolite, b) to perform batch and column experiments using the developed adsorbents, c) to evaluate the performance of the adsorbents in different water matrices such as MQ water, simulated wastewater in presence of humic acid, and real municipal wastewater, d) to study the regeneration potential of the adsorbents. In this research, various (BCD) based hybrid adsorbents were synthesized and their performances were evaluated based on the removal of selected ECs. At first, chemically bonded BCD onto silica particles as hybrid adsorbents were synthesized by using crosslinking agents and copolymers. Three different methods were used to synthesize 14 different BCD coated silica adsorbents. The adsorbent prepared by reacting BCD with hexamethylene diisocyanate (HMDI) as crosslinking agent and dimethyl sulfoxide (DMSO) as solvent showed best results in removing the ECs studied. The adsorbent showed more than 95% removal of 17β-estradiol (in single component) and more than 90% of most of the estrogens (mixture of 12), more than 99% of perfluorooctanoic acid (PFOA) (in single component) and more than 90% of most of the PFCs (mixture of 10), and a maximum of 90% removal in case of BPA. The adsorption capacity of the developed adsorbent was observed to be higher for the removal of 17β-estradiol and PFOA than that of commercially available activated carbon (F400) in MQ water. In order to represent the real environmental scenario, further batch experiments were conducted for the removal of two PFCs (PFOA and PFOS (perfluorooctane sulfonic acid)), 17β-estradiol, and BPA at environmentally relevant concentrations from wastewater. The adsorbent was effective in removing the ECs that were spiked in the secondary effluent of a municipal wastewater treatment plant. Furthermore, the adsorbent was successfully regenerated with methanol over four cycles without significant loss in its adsorption capacity for the removal of PFOA and estrogens. Ozonation as an alternative method of regeneration was also used and the process was also very effective in regenerating the adsorbent over seven successive cycles for the removal of BPA and 17β-estradiol. The characterization of the adsorbents using FTIR, TGA, and TEM confirmed the coating of BCD onto silica particles. The TGA results showed high thermal stability of the adsorbent (upto 300oC). As an alternative to chemical impregnation, another method of synthesis was developed where various BCD based hybrid adsorbents were synthesized by physically impregnating hydroxypropyl BCD (hpBCD) polymer onto three different supports: iron oxides, zeolite, and filter paper. The hpBCD impregnated filter papers were synthesized by solvent evaporation method and different adsorbents were synthesized by varying the polymer loadings. The polymer loading was optimized based on the performance of the modified (polymer impregnated) filter paper in terms of its filtration capacity as well as adsorption capacity to remove PFOA and BPA. The magnetic adsorbent was prepared by mixing hpBCD polymer with iron oxide (Fe3O4) particles. It was observed that by increasing the mixing time of the support (Fe3O4) with the polymer from 48 to 96 hr, the adsorption capacity of the adsorbent (hpBCD polymer coated Fe3O4) could be significantly enhanced. The same approach was also used to synthesize hpBCD polymer coated zeolite adsorbent and both adsorbents (hpBCD/zeolite and hpBCD/Fe3O4) were effective in removing the selected ECs from MQ water, simulated water, and wastewater. / Civil Engineering

The need for new antibiotics has been highlighted recently with the increasing pace of emergence of drug resistant pathogens (MRSA, XDR-TB, etc.). Modification of existing antibiotics with the additions of side chains or other chemical groups and genomics based drug targeting have been the preferred method of drug development at the corporate level in recent years. These approaches have yielded few viable antibiotics and natural products are once again becoming an area of interest for drug discovery. We examined the antimicrobial "Red Soils" of the Hashemite Kingdom of Jordan that have historically been used to prevent infection and cure rashes by the native peoples. Antimicrobial producing bacteria were present in these soils and found to be the reason for their antibiotic activity. After isolation, these bacteria were found to excrete their antimicrobials into the liquid culture media which we could then attempt to isolate for further study. Adsorbent resins were employed to capture the antimicrobial compounds and then elute them in a more concentrated solution. As part of a drug discovery program, we sought a way to quickly characterize other soils for potential antibiotic producing bacteria. The community level physiologic profile was examined to determine if this approach would allow for a rapid categorizing of soils based on their probability of containing antimicrobial producing microorganisms. This method proved to have a high level of variability that could not be overcome even after mixing using a commercial blender. The role of these antimicrobial producing bacteria within their natural microbial community has largely been confined to microbe-plant interactions. The role of antimicrobial-producing microorganisms in driving the diversity of their community has not been a focus of considerable study. The potential of an antimicrobial-producing bacterium to act as a driver of diversity was examined using an artificial microbial community based in a sand microcosm. The changes in the microbial assemblage indicate that antimicrobial-producing bacteria may act in an allelopathic manner rather than in a predatory role. / Ph. D.

During the last few decades, concerns about water shortages and pollution have increased. Consequently, environmental legislations and regulations for wastewater discharge have been issued. The objective of this work was to contribute in developing an efficient dsorbent for removing heavy metal ions from wastewater. The thesis focused on evaluating amine-modified SBA-15 as copper and other heavy metal ions adsorbent, by determining a variety of adsorptive properties with the aim of gaining a deep understanding of its behavior and to outline its advantages and limitations. The influence of synthesis conditions on the mesostructural stability of the resultant materials after different water treatments was systematically investigated. N2 adsorption results indicated that the material prepared via co-condensation and aged at 100 ºC was not stable and lost its ordered mesoporous structure after contacting water even at room temperature. Aging at 130 ºC and addition of inorganic salts resulted in materials that maintained their mesporous structure under different water treatments. The material synthesized in the presence of KCl was used as adsorbent for the rest of the thesis work. It was shown that the structural collapse observed in amine-modified SBA-15 prepared by conventional method when contacted with aqueous solutions is associated with the drying process, and not the treatment itself. This structural collapse was avoided by replacing water with more volatile liquids such as acetone, before drying. Amino-functionalized SBA-15 was tested for the removal of copper ions from aqueous solutions under different temperatures, pH, initial concentrations and agitation speeds. The obtained results indicated that the amino-functionalized SBA-15 was very efficient and equilibrium was achieved in less than 30 min at room temperature. The adsorption capacity increased dramatically with increasing temperature, initial copper concentration and pH. Under suitable conditions, the material exhibited high adsorption capacity even at very low copper concentration. To further investigate the effect of dsorption parameters, a 24 factorial design experiments were used to screen the factors affecting the copper removal efficiency. All the parameters main effects were significant within a 95 % confidence level. Surface composite design was used to develop a reliable model representing the adsorption process. The statistical tests used proved the adequacy of the second order model. Optimization of the factors levels was carried out and the recommended optimum conditions are: copper concentration of 20 mg/L, adsorbent/solution ratio of 1.57 g/L, pH of 6.5, and T = 294 K with 95% copper removal. The effect of regeneration conditions was investigated after three adsorption–desorption cycles, under different batchwise regeneration conditions. Using a composite surface design methodology, the effect of the regeneration conditions on the performance of the adsorbent was investigated. It was found that all the studied parameters have a statistically significant influence on the working dsorption capacity. With respect to structural properties and amine content, none of the factors was found to be significant. Regeneration using EDTA was found to be more efficient than acid treatment. Amino-functionalized SBA-15 was studied as potential absorbent for Cd2 +, Co2 +, Cu2 +, Zn2 +, Pb2 +, Ni2 +, Al3+ and Cr3 +. The adsorption capacity and selectivity of the material were investigated in single and multi-metal solutions. Using very dilute solutions, i.e., 10 ppm, more than 95% of cations were removed, except for Co2+ and Cr3 +, indicatingthe high sensitivity of the current adsorbent. The adsorption capacities in multi-metal solutions were lower than in single-metal ones because of competition between metallic elements for the amine groups. The adsorbent was not affected in the presence of sodium, potassium, and calcium, indicating that the ionic strength does not affect the adsorption properties. Application of this material to remove copper in tap water, river water, and electroplating wastewater was shown to be successful. Dynamic experiments were carried out on the adsorption of copper ions in a laboratory packed-bed of amine-modified SBA-15. Breakthrough curves were analyzed at different flowrates and after two adsorption-desorption cycles. Furthermore, a model based on mass balance was developed and tested for predicting the breakthrough curves under different experimental conditions used. The results suggested that the developed model was in good agreement with the experimental data. Bed regeneration was performed by circulating 0.2 M EDTA solution through the column for 30 min. Résumé Durant les quelques dernières décennies, les préoccupations concernant les pénuries d'eau et la pollution en général ont augmenté. Par conséquent, des législations et des réglementations environnementales pour les rejets d'eaux usées ont été introduites. L'objectif de ce travail était de contribuer au développement d'un adsorbant efficace pour éliminer les ions de métaux lourds des eaux usées. Cette thèse porte sur l'évaluation de SBA-15 modifiée avec des amines comme adsorbant pour le cuivre et d'autres ions de métaux lourds par la détermination d'une multitude de propriétés d'adsorption dans le but d'acquérir une profonde compréhension de son comportement et d’identifier ses avantages et ses limites. L'influence des conditions de synthèse sur la stabilité des matériaux mésoporeux obtenus après différents traitements a été étudié de façon systématique. Les résultats d'adsorption de N2 ont indiqué que le matériel préparé par co-condensation et vieilli à 100 °C n'était pas stable et a perdu sa structure mésoporeuse ordonnée après avoir été en contact avec l'eau même à température ambiante. Le vieillissement à 130 °C, avec ajout de sels inorganiques, a abouti à des matériaux qui ont maintenu leur structure mésoporeuse sous différents traitements en présence d'eau. Le matériau synthétisé en présence de KCl a été utilisé comme adsorbant pour le reste du travail de cette thèse. Il a été démontré que l'effondrement de la structure observé dans la SBA-15 modifiée aux amines, préparée par la méthode conventionnelle en contact avec des solutions aqueuses est associé avec le processus de séchage, et non le traitement lui-même. Cet effondrement de structure a été évité en remplaçant l'eau avec des liquides plus volatils tels que l'acétone, avant le séchage. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été testée pour l'élimination des ions de cuivre des solutions aqueuses à différentes températures, pH, concentrations initiales et vitesses d'agitation. Les résultats obtenus ont indiqué que la SBA-15 amino-fonctionnalisée était très efficace et l'équilibre a été atteint en moins de 30 min à température ambiante. La capacité d'adsorption a considérablement augmenté avec la température, la concentration initiale de cuivre et le pH. Sous des conditions appropriées, le matériau a manifesté une grande capacité d'adsorption, même à des concentrations très faibles en cuivre. Afin d’étudier l'effet des paramètres d'adsorption, un plan factoriel de 24 expériences a été utilisé pour dépister les facteurs affectant l'efficacité d'élimination du cuivre. Tous les effets principaux des paramètres étaient importants à 95% de niveau de confiance. La méthodologie de la surface composite a été utilisée pour développer un modèle fiable qui représente le processus d'adsorption. Les tests statistiques utilisés ont prouvé la pertinence du modèle de second ordre. L’optimisation des niveaux des facteurs a été effectuée et les conditions optimales recommandées sont: la concentration en cuivre de 20 mg/L, le rapport adsorbant/solution de 1.57 g/L, pH de 6.5 et T = 294 K pour l'élimination de 95% de cuivre. L'effet des conditions de régénération a été étudié après trois cycles d'adsorption-désorption, sous différentes conditions de régénération. En utilisant la méthodologie de la surface composite, l'effet des conditions de régénération sur la performance de l'adsorbant a été étudié. Il a été constaté que tous les paramètres étudiés ont une influence statistiquement significative sur la capacité de travail d'adsorption. En ce qui concerne les propriétés structurelles et la teneur en amine, aucun des facteurs n’a été jugé significatif. La régénération à l'aide d'EDTA a été jugée plus efficace que le traitement acide. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été étudiée comme absorbant potentiel de Cd2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Al3+ and Cr3+. La capacité d'adsorption et la sélectivité du matériau ont été étudiées dans des solutions mono- et multi-métalliques. En utilisant des solutions très diluées, soit 10 ppm, plus de 95% de cations ont été enlevés, sauf pour le Co2+ et Cr3+, indiquant la forte sensibilité de l'adsorbant. Les capacités d'adsorption dans les solutions multi-métalliques étaient inférieures à celles des solutions mono-métalliques en raison de la concurrence entre les éléments métalliques pour les groupes amine. L'adsorbant n'a pas été affecté par la présence de sodium, de potassium et de calcium, ce qui indique que la force ionique n'affecte pas les propriétés d'adsorption. L’usage avec succès de ce matériau pour éliminer le cuivre dans l'eau de robinet, l’eau de rivière et les eaux usées de galvanoplastie a été démontré. Des expériences dynamiques ont été réalisées sur l'adsorption des ions de cuivre par la SBA-15 amine-modifiée sur une colonne à lit fixe de laboratoire. Les courbes de perçage ont été analysées à des débits différents et après deux cycles d'adsorption-désorption. De plus, un modèle basé sur le bilan de matière a été développé et testé pour prédire les courbes de perçage sous les différentes conditions expérimentales utilisées. Les résultats suggèrent que le modèle développé est en bon accord avec les données expérimentales. La régénération du lit a été réalisée en faisant circuler une solution EDTA à 0.2 M à travers la colonne pendant 30 min.

During the last few decades, concerns about water shortages and pollution have increased. Consequently, environmental legislations and regulations for wastewater discharge have been issued. The objective of this work was to contribute in developing an efficient dsorbent for removing heavy metal ions from wastewater. The thesis focused on evaluating amine-modified SBA-15 as copper and other heavy metal ions adsorbent, by determining a variety of adsorptive properties with the aim of gaining a deep understanding of its behavior and to outline its advantages and limitations. The influence of synthesis conditions on the mesostructural stability of the resultant materials after different water treatments was systematically investigated. N2 adsorption results indicated that the material prepared via co-condensation and aged at 100 ºC was not stable and lost its ordered mesoporous structure after contacting water even at room temperature. Aging at 130 ºC and addition of inorganic salts resulted in materials that maintained their mesporous structure under different water treatments. The material synthesized in the presence of KCl was used as adsorbent for the rest of the thesis work. It was shown that the structural collapse observed in amine-modified SBA-15 prepared by conventional method when contacted with aqueous solutions is associated with the drying process, and not the treatment itself. This structural collapse was avoided by replacing water with more volatile liquids such as acetone, before drying. Amino-functionalized SBA-15 was tested for the removal of copper ions from aqueous solutions under different temperatures, pH, initial concentrations and agitation speeds. The obtained results indicated that the amino-functionalized SBA-15 was very efficient and equilibrium was achieved in less than 30 min at room temperature. The adsorption capacity increased dramatically with increasing temperature, initial copper concentration and pH. Under suitable conditions, the material exhibited high adsorption capacity even at very low copper concentration. To further investigate the effect of dsorption parameters, a 24 factorial design experiments were used to screen the factors affecting the copper removal efficiency. All the parameters main effects were significant within a 95 % confidence level. Surface composite design was used to develop a reliable model representing the adsorption process. The statistical tests used proved the adequacy of the second order model. Optimization of the factors levels was carried out and the recommended optimum conditions are: copper concentration of 20 mg/L, adsorbent/solution ratio of 1.57 g/L, pH of 6.5, and T = 294 K with 95% copper removal. The effect of regeneration conditions was investigated after three adsorption–desorption cycles, under different batchwise regeneration conditions. Using a composite surface design methodology, the effect of the regeneration conditions on the performance of the adsorbent was investigated. It was found that all the studied parameters have a statistically significant influence on the working dsorption capacity. With respect to structural properties and amine content, none of the factors was found to be significant. Regeneration using EDTA was found to be more efficient than acid treatment. Amino-functionalized SBA-15 was studied as potential absorbent for Cd2 +, Co2 +, Cu2 +, Zn2 +, Pb2 +, Ni2 +, Al3+ and Cr3 +. The adsorption capacity and selectivity of the material were investigated in single and multi-metal solutions. Using very dilute solutions, i.e., 10 ppm, more than 95% of cations were removed, except for Co2+ and Cr3 +, indicatingthe high sensitivity of the current adsorbent. The adsorption capacities in multi-metal solutions were lower than in single-metal ones because of competition between metallic elements for the amine groups. The adsorbent was not affected in the presence of sodium, potassium, and calcium, indicating that the ionic strength does not affect the adsorption properties. Application of this material to remove copper in tap water, river water, and electroplating wastewater was shown to be successful. Dynamic experiments were carried out on the adsorption of copper ions in a laboratory packed-bed of amine-modified SBA-15. Breakthrough curves were analyzed at different flowrates and after two adsorption-desorption cycles. Furthermore, a model based on mass balance was developed and tested for predicting the breakthrough curves under different experimental conditions used. The results suggested that the developed model was in good agreement with the experimental data. Bed regeneration was performed by circulating 0.2 M EDTA solution through the column for 30 min. Résumé Durant les quelques dernières décennies, les préoccupations concernant les pénuries d'eau et la pollution en général ont augmenté. Par conséquent, des législations et des réglementations environnementales pour les rejets d'eaux usées ont été introduites. L'objectif de ce travail était de contribuer au développement d'un adsorbant efficace pour éliminer les ions de métaux lourds des eaux usées. Cette thèse porte sur l'évaluation de SBA-15 modifiée avec des amines comme adsorbant pour le cuivre et d'autres ions de métaux lourds par la détermination d'une multitude de propriétés d'adsorption dans le but d'acquérir une profonde compréhension de son comportement et d’identifier ses avantages et ses limites. L'influence des conditions de synthèse sur la stabilité des matériaux mésoporeux obtenus après différents traitements a été étudié de façon systématique. Les résultats d'adsorption de N2 ont indiqué que le matériel préparé par co-condensation et vieilli à 100 °C n'était pas stable et a perdu sa structure mésoporeuse ordonnée après avoir été en contact avec l'eau même à température ambiante. Le vieillissement à 130 °C, avec ajout de sels inorganiques, a abouti à des matériaux qui ont maintenu leur structure mésoporeuse sous différents traitements en présence d'eau. Le matériau synthétisé en présence de KCl a été utilisé comme adsorbant pour le reste du travail de cette thèse. Il a été démontré que l'effondrement de la structure observé dans la SBA-15 modifiée aux amines, préparée par la méthode conventionnelle en contact avec des solutions aqueuses est associé avec le processus de séchage, et non le traitement lui-même. Cet effondrement de structure a été évité en remplaçant l'eau avec des liquides plus volatils tels que l'acétone, avant le séchage. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été testée pour l'élimination des ions de cuivre des solutions aqueuses à différentes températures, pH, concentrations initiales et vitesses d'agitation. Les résultats obtenus ont indiqué que la SBA-15 amino-fonctionnalisée était très efficace et l'équilibre a été atteint en moins de 30 min à température ambiante. La capacité d'adsorption a considérablement augmenté avec la température, la concentration initiale de cuivre et le pH. Sous des conditions appropriées, le matériau a manifesté une grande capacité d'adsorption, même à des concentrations très faibles en cuivre. Afin d’étudier l'effet des paramètres d'adsorption, un plan factoriel de 24 expériences a été utilisé pour dépister les facteurs affectant l'efficacité d'élimination du cuivre. Tous les effets principaux des paramètres étaient importants à 95% de niveau de confiance. La méthodologie de la surface composite a été utilisée pour développer un modèle fiable qui représente le processus d'adsorption. Les tests statistiques utilisés ont prouvé la pertinence du modèle de second ordre. L’optimisation des niveaux des facteurs a été effectuée et les conditions optimales recommandées sont: la concentration en cuivre de 20 mg/L, le rapport adsorbant/solution de 1.57 g/L, pH de 6.5 et T = 294 K pour l'élimination de 95% de cuivre. L'effet des conditions de régénération a été étudié après trois cycles d'adsorption-désorption, sous différentes conditions de régénération. En utilisant la méthodologie de la surface composite, l'effet des conditions de régénération sur la performance de l'adsorbant a été étudié. Il a été constaté que tous les paramètres étudiés ont une influence statistiquement significative sur la capacité de travail d'adsorption. En ce qui concerne les propriétés structurelles et la teneur en amine, aucun des facteurs n’a été jugé significatif. La régénération à l'aide d'EDTA a été jugée plus efficace que le traitement acide. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été étudiée comme absorbant potentiel de Cd2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Al3+ and Cr3+. La capacité d'adsorption et la sélectivité du matériau ont été étudiées dans des solutions mono- et multi-métalliques. En utilisant des solutions très diluées, soit 10 ppm, plus de 95% de cations ont été enlevés, sauf pour le Co2+ et Cr3+, indiquant la forte sensibilité de l'adsorbant. Les capacités d'adsorption dans les solutions multi-métalliques étaient inférieures à celles des solutions mono-métalliques en raison de la concurrence entre les éléments métalliques pour les groupes amine. L'adsorbant n'a pas été affecté par la présence de sodium, de potassium et de calcium, ce qui indique que la force ionique n'affecte pas les propriétés d'adsorption. L’usage avec succès de ce matériau pour éliminer le cuivre dans l'eau de robinet, l’eau de rivière et les eaux usées de galvanoplastie a été démontré. Des expériences dynamiques ont été réalisées sur l'adsorption des ions de cuivre par la SBA-15 amine-modifiée sur une colonne à lit fixe de laboratoire. Les courbes de perçage ont été analysées à des débits différents et après deux cycles d'adsorption-désorption. De plus, un modèle basé sur le bilan de matière a été développé et testé pour prédire les courbes de perçage sous les différentes conditions expérimentales utilisées. Les résultats suggèrent que le modèle développé est en bon accord avec les données expérimentales. La régénération du lit a été réalisée en faisant circuler une solution EDTA à 0.2 M à travers la colonne pendant 30 min.

During the last few decades, concerns about water shortages and pollution have increased. Consequently, environmental legislations and regulations for wastewater discharge have been issued. The objective of this work was to contribute in developing an efficient dsorbent for removing heavy metal ions from wastewater. The thesis focused on evaluating amine-modified SBA-15 as copper and other heavy metal ions adsorbent, by determining a variety of adsorptive properties with the aim of gaining a deep understanding of its behavior and to outline its advantages and limitations. The influence of synthesis conditions on the mesostructural stability of the resultant materials after different water treatments was systematically investigated. N2 adsorption results indicated that the material prepared via co-condensation and aged at 100 ºC was not stable and lost its ordered mesoporous structure after contacting water even at room temperature. Aging at 130 ºC and addition of inorganic salts resulted in materials that maintained their mesporous structure under different water treatments. The material synthesized in the presence of KCl was used as adsorbent for the rest of the thesis work. It was shown that the structural collapse observed in amine-modified SBA-15 prepared by conventional method when contacted with aqueous solutions is associated with the drying process, and not the treatment itself. This structural collapse was avoided by replacing water with more volatile liquids such as acetone, before drying. Amino-functionalized SBA-15 was tested for the removal of copper ions from aqueous solutions under different temperatures, pH, initial concentrations and agitation speeds. The obtained results indicated that the amino-functionalized SBA-15 was very efficient and equilibrium was achieved in less than 30 min at room temperature. The adsorption capacity increased dramatically with increasing temperature, initial copper concentration and pH. Under suitable conditions, the material exhibited high adsorption capacity even at very low copper concentration. To further investigate the effect of dsorption parameters, a 24 factorial design experiments were used to screen the factors affecting the copper removal efficiency. All the parameters main effects were significant within a 95 % confidence level. Surface composite design was used to develop a reliable model representing the adsorption process. The statistical tests used proved the adequacy of the second order model. Optimization of the factors levels was carried out and the recommended optimum conditions are: copper concentration of 20 mg/L, adsorbent/solution ratio of 1.57 g/L, pH of 6.5, and T = 294 K with 95% copper removal. The effect of regeneration conditions was investigated after three adsorption–desorption cycles, under different batchwise regeneration conditions. Using a composite surface design methodology, the effect of the regeneration conditions on the performance of the adsorbent was investigated. It was found that all the studied parameters have a statistically significant influence on the working dsorption capacity. With respect to structural properties and amine content, none of the factors was found to be significant. Regeneration using EDTA was found to be more efficient than acid treatment. Amino-functionalized SBA-15 was studied as potential absorbent for Cd2 +, Co2 +, Cu2 +, Zn2 +, Pb2 +, Ni2 +, Al3+ and Cr3 +. The adsorption capacity and selectivity of the material were investigated in single and multi-metal solutions. Using very dilute solutions, i.e., 10 ppm, more than 95% of cations were removed, except for Co2+ and Cr3 +, indicatingthe high sensitivity of the current adsorbent. The adsorption capacities in multi-metal solutions were lower than in single-metal ones because of competition between metallic elements for the amine groups. The adsorbent was not affected in the presence of sodium, potassium, and calcium, indicating that the ionic strength does not affect the adsorption properties. Application of this material to remove copper in tap water, river water, and electroplating wastewater was shown to be successful. Dynamic experiments were carried out on the adsorption of copper ions in a laboratory packed-bed of amine-modified SBA-15. Breakthrough curves were analyzed at different flowrates and after two adsorption-desorption cycles. Furthermore, a model based on mass balance was developed and tested for predicting the breakthrough curves under different experimental conditions used. The results suggested that the developed model was in good agreement with the experimental data. Bed regeneration was performed by circulating 0.2 M EDTA solution through the column for 30 min. Résumé Durant les quelques dernières décennies, les préoccupations concernant les pénuries d'eau et la pollution en général ont augmenté. Par conséquent, des législations et des réglementations environnementales pour les rejets d'eaux usées ont été introduites. L'objectif de ce travail était de contribuer au développement d'un adsorbant efficace pour éliminer les ions de métaux lourds des eaux usées. Cette thèse porte sur l'évaluation de SBA-15 modifiée avec des amines comme adsorbant pour le cuivre et d'autres ions de métaux lourds par la détermination d'une multitude de propriétés d'adsorption dans le but d'acquérir une profonde compréhension de son comportement et d’identifier ses avantages et ses limites. L'influence des conditions de synthèse sur la stabilité des matériaux mésoporeux obtenus après différents traitements a été étudié de façon systématique. Les résultats d'adsorption de N2 ont indiqué que le matériel préparé par co-condensation et vieilli à 100 °C n'était pas stable et a perdu sa structure mésoporeuse ordonnée après avoir été en contact avec l'eau même à température ambiante. Le vieillissement à 130 °C, avec ajout de sels inorganiques, a abouti à des matériaux qui ont maintenu leur structure mésoporeuse sous différents traitements en présence d'eau. Le matériau synthétisé en présence de KCl a été utilisé comme adsorbant pour le reste du travail de cette thèse. Il a été démontré que l'effondrement de la structure observé dans la SBA-15 modifiée aux amines, préparée par la méthode conventionnelle en contact avec des solutions aqueuses est associé avec le processus de séchage, et non le traitement lui-même. Cet effondrement de structure a été évité en remplaçant l'eau avec des liquides plus volatils tels que l'acétone, avant le séchage. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été testée pour l'élimination des ions de cuivre des solutions aqueuses à différentes températures, pH, concentrations initiales et vitesses d'agitation. Les résultats obtenus ont indiqué que la SBA-15 amino-fonctionnalisée était très efficace et l'équilibre a été atteint en moins de 30 min à température ambiante. La capacité d'adsorption a considérablement augmenté avec la température, la concentration initiale de cuivre et le pH. Sous des conditions appropriées, le matériau a manifesté une grande capacité d'adsorption, même à des concentrations très faibles en cuivre. Afin d’étudier l'effet des paramètres d'adsorption, un plan factoriel de 24 expériences a été utilisé pour dépister les facteurs affectant l'efficacité d'élimination du cuivre. Tous les effets principaux des paramètres étaient importants à 95% de niveau de confiance. La méthodologie de la surface composite a été utilisée pour développer un modèle fiable qui représente le processus d'adsorption. Les tests statistiques utilisés ont prouvé la pertinence du modèle de second ordre. L’optimisation des niveaux des facteurs a été effectuée et les conditions optimales recommandées sont: la concentration en cuivre de 20 mg/L, le rapport adsorbant/solution de 1.57 g/L, pH de 6.5 et T = 294 K pour l'élimination de 95% de cuivre. L'effet des conditions de régénération a été étudié après trois cycles d'adsorption-désorption, sous différentes conditions de régénération. En utilisant la méthodologie de la surface composite, l'effet des conditions de régénération sur la performance de l'adsorbant a été étudié. Il a été constaté que tous les paramètres étudiés ont une influence statistiquement significative sur la capacité de travail d'adsorption. En ce qui concerne les propriétés structurelles et la teneur en amine, aucun des facteurs n’a été jugé significatif. La régénération à l'aide d'EDTA a été jugée plus efficace que le traitement acide. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été étudiée comme absorbant potentiel de Cd2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Al3+ and Cr3+. La capacité d'adsorption et la sélectivité du matériau ont été étudiées dans des solutions mono- et multi-métalliques. En utilisant des solutions très diluées, soit 10 ppm, plus de 95% de cations ont été enlevés, sauf pour le Co2+ et Cr3+, indiquant la forte sensibilité de l'adsorbant. Les capacités d'adsorption dans les solutions multi-métalliques étaient inférieures à celles des solutions mono-métalliques en raison de la concurrence entre les éléments métalliques pour les groupes amine. L'adsorbant n'a pas été affecté par la présence de sodium, de potassium et de calcium, ce qui indique que la force ionique n'affecte pas les propriétés d'adsorption. L’usage avec succès de ce matériau pour éliminer le cuivre dans l'eau de robinet, l’eau de rivière et les eaux usées de galvanoplastie a été démontré. Des expériences dynamiques ont été réalisées sur l'adsorption des ions de cuivre par la SBA-15 amine-modifiée sur une colonne à lit fixe de laboratoire. Les courbes de perçage ont été analysées à des débits différents et après deux cycles d'adsorption-désorption. De plus, un modèle basé sur le bilan de matière a été développé et testé pour prédire les courbes de perçage sous les différentes conditions expérimentales utilisées. Les résultats suggèrent que le modèle développé est en bon accord avec les données expérimentales. La régénération du lit a été réalisée en faisant circuler une solution EDTA à 0.2 M à travers la colonne pendant 30 min.

During the last few decades, concerns about water shortages and pollution have increased. Consequently, environmental legislations and regulations for wastewater discharge have been issued. The objective of this work was to contribute in developing an efficient dsorbent for removing heavy metal ions from wastewater. The thesis focused on evaluating amine-modified SBA-15 as copper and other heavy metal ions adsorbent, by determining a variety of adsorptive properties with the aim of gaining a deep understanding of its behavior and to outline its advantages and limitations. The influence of synthesis conditions on the mesostructural stability of the resultant materials after different water treatments was systematically investigated. N2 adsorption results indicated that the material prepared via co-condensation and aged at 100 ºC was not stable and lost its ordered mesoporous structure after contacting water even at room temperature. Aging at 130 ºC and addition of inorganic salts resulted in materials that maintained their mesporous structure under different water treatments. The material synthesized in the presence of KCl was used as adsorbent for the rest of the thesis work. It was shown that the structural collapse observed in amine-modified SBA-15 prepared by conventional method when contacted with aqueous solutions is associated with the drying process, and not the treatment itself. This structural collapse was avoided by replacing water with more volatile liquids such as acetone, before drying. Amino-functionalized SBA-15 was tested for the removal of copper ions from aqueous solutions under different temperatures, pH, initial concentrations and agitation speeds. The obtained results indicated that the amino-functionalized SBA-15 was very efficient and equilibrium was achieved in less than 30 min at room temperature. The adsorption capacity increased dramatically with increasing temperature, initial copper concentration and pH. Under suitable conditions, the material exhibited high adsorption capacity even at very low copper concentration. To further investigate the effect of dsorption parameters, a 24 factorial design experiments were used to screen the factors affecting the copper removal efficiency. All the parameters main effects were significant within a 95 % confidence level. Surface composite design was used to develop a reliable model representing the adsorption process. The statistical tests used proved the adequacy of the second order model. Optimization of the factors levels was carried out and the recommended optimum conditions are: copper concentration of 20 mg/L, adsorbent/solution ratio of 1.57 g/L, pH of 6.5, and T = 294 K with 95% copper removal. The effect of regeneration conditions was investigated after three adsorption–desorption cycles, under different batchwise regeneration conditions. Using a composite surface design methodology, the effect of the regeneration conditions on the performance of the adsorbent was investigated. It was found that all the studied parameters have a statistically significant influence on the working dsorption capacity. With respect to structural properties and amine content, none of the factors was found to be significant. Regeneration using EDTA was found to be more efficient than acid treatment. Amino-functionalized SBA-15 was studied as potential absorbent for Cd2 +, Co2 +, Cu2 +, Zn2 +, Pb2 +, Ni2 +, Al3+ and Cr3 +. The adsorption capacity and selectivity of the material were investigated in single and multi-metal solutions. Using very dilute solutions, i.e., 10 ppm, more than 95% of cations were removed, except for Co2+ and Cr3 +, indicatingthe high sensitivity of the current adsorbent. The adsorption capacities in multi-metal solutions were lower than in single-metal ones because of competition between metallic elements for the amine groups. The adsorbent was not affected in the presence of sodium, potassium, and calcium, indicating that the ionic strength does not affect the adsorption properties. Application of this material to remove copper in tap water, river water, and electroplating wastewater was shown to be successful. Dynamic experiments were carried out on the adsorption of copper ions in a laboratory packed-bed of amine-modified SBA-15. Breakthrough curves were analyzed at different flowrates and after two adsorption-desorption cycles. Furthermore, a model based on mass balance was developed and tested for predicting the breakthrough curves under different experimental conditions used. The results suggested that the developed model was in good agreement with the experimental data. Bed regeneration was performed by circulating 0.2 M EDTA solution through the column for 30 min. Résumé Durant les quelques dernières décennies, les préoccupations concernant les pénuries d'eau et la pollution en général ont augmenté. Par conséquent, des législations et des réglementations environnementales pour les rejets d'eaux usées ont été introduites. L'objectif de ce travail était de contribuer au développement d'un adsorbant efficace pour éliminer les ions de métaux lourds des eaux usées. Cette thèse porte sur l'évaluation de SBA-15 modifiée avec des amines comme adsorbant pour le cuivre et d'autres ions de métaux lourds par la détermination d'une multitude de propriétés d'adsorption dans le but d'acquérir une profonde compréhension de son comportement et d’identifier ses avantages et ses limites. L'influence des conditions de synthèse sur la stabilité des matériaux mésoporeux obtenus après différents traitements a été étudié de façon systématique. Les résultats d'adsorption de N2 ont indiqué que le matériel préparé par co-condensation et vieilli à 100 °C n'était pas stable et a perdu sa structure mésoporeuse ordonnée après avoir été en contact avec l'eau même à température ambiante. Le vieillissement à 130 °C, avec ajout de sels inorganiques, a abouti à des matériaux qui ont maintenu leur structure mésoporeuse sous différents traitements en présence d'eau. Le matériau synthétisé en présence de KCl a été utilisé comme adsorbant pour le reste du travail de cette thèse. Il a été démontré que l'effondrement de la structure observé dans la SBA-15 modifiée aux amines, préparée par la méthode conventionnelle en contact avec des solutions aqueuses est associé avec le processus de séchage, et non le traitement lui-même. Cet effondrement de structure a été évité en remplaçant l'eau avec des liquides plus volatils tels que l'acétone, avant le séchage. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été testée pour l'élimination des ions de cuivre des solutions aqueuses à différentes températures, pH, concentrations initiales et vitesses d'agitation. Les résultats obtenus ont indiqué que la SBA-15 amino-fonctionnalisée était très efficace et l'équilibre a été atteint en moins de 30 min à température ambiante. La capacité d'adsorption a considérablement augmenté avec la température, la concentration initiale de cuivre et le pH. Sous des conditions appropriées, le matériau a manifesté une grande capacité d'adsorption, même à des concentrations très faibles en cuivre. Afin d’étudier l'effet des paramètres d'adsorption, un plan factoriel de 24 expériences a été utilisé pour dépister les facteurs affectant l'efficacité d'élimination du cuivre. Tous les effets principaux des paramètres étaient importants à 95% de niveau de confiance. La méthodologie de la surface composite a été utilisée pour développer un modèle fiable qui représente le processus d'adsorption. Les tests statistiques utilisés ont prouvé la pertinence du modèle de second ordre. L’optimisation des niveaux des facteurs a été effectuée et les conditions optimales recommandées sont: la concentration en cuivre de 20 mg/L, le rapport adsorbant/solution de 1.57 g/L, pH de 6.5 et T = 294 K pour l'élimination de 95% de cuivre. L'effet des conditions de régénération a été étudié après trois cycles d'adsorption-désorption, sous différentes conditions de régénération. En utilisant la méthodologie de la surface composite, l'effet des conditions de régénération sur la performance de l'adsorbant a été étudié. Il a été constaté que tous les paramètres étudiés ont une influence statistiquement significative sur la capacité de travail d'adsorption. En ce qui concerne les propriétés structurelles et la teneur en amine, aucun des facteurs n’a été jugé significatif. La régénération à l'aide d'EDTA a été jugée plus efficace que le traitement acide. La SBA-15 amino-fonctionnalisée a été étudiée comme absorbant potentiel de Cd2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+, Al3+ and Cr3+. La capacité d'adsorption et la sélectivité du matériau ont été étudiées dans des solutions mono- et multi-métalliques. En utilisant des solutions très diluées, soit 10 ppm, plus de 95% de cations ont été enlevés, sauf pour le Co2+ et Cr3+, indiquant la forte sensibilité de l'adsorbant. Les capacités d'adsorption dans les solutions multi-métalliques étaient inférieures à celles des solutions mono-métalliques en raison de la concurrence entre les éléments métalliques pour les groupes amine. L'adsorbant n'a pas été affecté par la présence de sodium, de potassium et de calcium, ce qui indique que la force ionique n'affecte pas les propriétés d'adsorption. L’usage avec succès de ce matériau pour éliminer le cuivre dans l'eau de robinet, l’eau de rivière et les eaux usées de galvanoplastie a été démontré. Des expériences dynamiques ont été réalisées sur l'adsorption des ions de cuivre par la SBA-15 amine-modifiée sur une colonne à lit fixe de laboratoire. Les courbes de perçage ont été analysées à des débits différents et après deux cycles d'adsorption-désorption. De plus, un modèle basé sur le bilan de matière a été développé et testé pour prédire les courbes de perçage sous les différentes conditions expérimentales utilisées. Les résultats suggèrent que le modèle développé est en bon accord avec les données expérimentales. La régénération du lit a été réalisée en faisant circuler une solution EDTA à 0.2 M à travers la colonne pendant 30 min.

In this study, the composite of aluminum metal-organic framework MIL-68(Al) and reduced graphene oxide (MA/RG) was synthesized via a one-step solvothermal method, and their performances for pnitrophenol (PNP) adsorption from aqueous solution were systematically investigated. The introduction of reduced graphene oxide (RG) into MIL-68(Al) (MA) significantly changes the morphologies of the MA and increases the surface area. The MA/RG-15% prepared at RG-to-MA mass ratio of 15% shows a PNP uptake rate 64% and 123% higher than MIL-68(Al) and reduced graphene oxide (RG), respectively. The hydrogen bond and pi-pi dispersion were considered to be the major driving force for the spontaneous and endothermic adsorption process for PNP removal. The adsorption kinetics, which was controlled by film-diffusion and intra-particle diffusion, was greatly influenced by solution pH, ionic strength, temperature and initial PNP concentration. The adsorption kinetics and isotherms can be well delineated using pseudo-second-order and Langmuir equations, respectively. The presence of phenol or isomeric nitrophenols in the solution had minimal influence on PNP adsorption by reusable MA/RG composite.

Dans ce travail, l’existence et les mécanismes fondamentaux sous-jacents à l’augmentation de la solubilité du CO2 dans les matériaux hybrides. De nombreux supports solide et solvants physiques sont testés. Les adsorbants hybrides synthétisés sont par la suite évalués en mesurant les isothermes d’adsorption du CO2. Généralement, tous les adsorbants hybrides montrent une augmentation de la solubilité du CO2 en comparaison avec le solvant physique. Les résultats obtenus mettent en évidence, certaines conditions à remplir pour l'obtention d'un adsorbant hybride efficace. On montre notamment que le support solide doit posséder une structure mésoporeuse avec une forte surface spécifique. De plus, on identifie une taille optimale du solvant permettant d'obtenir une solubilité améliorée. Parmi tous les candidats testés, le N-méthyl-2-pyrrolidone confiné dans un support mésoporeux de MCM-41 s’est avéré être l’adsorbant hybride dont les performances d'adsorption sont les plus importantes. Des simulations de Monte Carlo dans l'ensemble grand canonique sont ensuite effectuées, afin d'interpréter le comportement de la solubilité du CO2 dans un système modèle d’adsorbant hybride à base de MCM-41. Les mécanismes microscopiques sous-jacents à l’augmentation de la solubilité sont notamment clairement identifiés. La présence des molécules de solvant favorise l'adsorption des molécules de CO2 dans le pore, engendrant une augmentation de la solubilité dans l’adsorbant hybride par rapport à celle de l’adsorbant natif ainsi qu’à celle du solvant macroscopique. De plus, pour évaluer l’efficacité de captage du CO2 de ces adsorbants hybrides, l'effet des interactions entre les adsorbats et le solide ainsi que l’impact de la taille de la molécule du solvant sur la solubilité du CO2 sont étudiés. Nous avons constaté qu’un système hybride idéal doit présenter une faible interaction entre le solvant et le solide et une forte affinité entre le solvant et le CO2. De plus, on identifie l'existence d'une taille optimale de solvant permettant de maximiser la solubilité du CO2 dans le système hybride. D’après les résultats de la simulation, la couche de solvant crée des pseudo-micropores dans le solide mésoporeux MCM-41, et permet à plus de molécules de CO2 d’être absorbés sous l'influence d'un confinement et d'une interaction surfacique plus importants. / In this work, we investigate the existence and the fundamentals mechanisms underlying the apparition of enhanced CO2 solubility in hybrid materials. A number of prospective solid supports and physical solvents are chosen and the synthesized hybrid adsorbents are subsequently evaluated by measuring CO2 adsorption isotherms. Generally, all the hybrid adsorbents show an enhancement of CO2 solubility compared with the bulk physical solvent. According to further investigation, we have obtained certain requisites for a good solid support, of which structure should be mesoporous with large surface area. In addition, there is an optimized solvent's size to achieve an enhanced solubility. As a result, among the candidates, the N-methyl-2-pyrrolidone confined in MCM-41 adsorbent is proven to be the most suitable hybrid adsorbent for an effective CO2-removal application. In order to gain a deeper insight, Grand Canonical Monte Carlo simulations are then performed to interpret the CO2 solubility behavior in a modeled system of hybrid MCM-41 adsorbent. As a result, the microscopic mechanisms underlying the apparition of enhanced solubility are then clearly identified. In fact, the presence of solvent molecules favors the layering of CO2 molecule within the pores thereby the CO2 solubility in hybrid adsorbent markedly increases in comparison with the one found in the raw adsorbent as well as in the bulk solvent. In addition, to fully evaluate the efficiency of hybrid adsorbents in capturing CO2, the sorbent-solid interactions along with the solvent molecular size impact on CO2 solubility are further investigated in this study. We found that an ideal hybrid system should possess a weak solvent-solid interaction but a strong solvent-CO2 affinity. Furthermore, an optimal solvent size is obtained for the enhanced CO2 solubility in the hybrid system. According to the simulation results, the solvent layer builds pseudo-micropores inside the mesoporous MCM-41, enabling more CO2 molecules to be absorbed under greater influence of spatial confinement and surface interaction.

Atualmente o mundo vem passando por algumas mudanças climáticas, sendo que um dos fatores que contribuem para essas mudanças é o aumento da emissão de gases de efeito estufa, principalmente o CO2. Uma das fontes de CO2 é a queima de combustíveis fósseis. A combustão do carvão para produção de energia, além de emitir gases de efeito estufa, gera uma grande quantidade de cinzas. A utilização das cinzas de carvão para síntese de zeólitas de alta pureza e utilização dessas zeólitas para a adsorção do CO2 pode ser uma estratégia interessante para mitigar a problemática da gestão de resíduos e da emissão de gases. O objetivo deste trabalho foi sintetizar e caracterizar zeólitas tipo Na-A de elevada pureza a partir de cinzas de carvão e avaliar sua aplicação como material adsorvente de CO2. As amostras de três tipos de cinzas de carvão (cinzas manga, cinzas ciclone e cinzas pesadas) foram coletadas na usina termelétrica de Figueira-PR. O tempo total do processo de síntese pelo método de duas etapas foi otimizado. As seguintes características dos produtos de síntese foram determinadas: composição mineralógica, composição química, morfologia, grupos funcionais e capacidade de troca iônica. Os produtos de síntese apresentaram relação SiO2/Al2O3 de 1,2 e uma relação de aproximadamente 80% de zeólita do tipo Na-A. As zeólitas foram usadas como material adsorvente de gás carbônico apresentando capacidade de adsorção entre 492 a 655 mg/g. A maior capacidade de adsorção foi obtida com a zeólita sintetizada a partir das cinzas pesadas. As zeólitas saturadas mostraram-se estáveis em temperatura ambiente e a dessorção do CO2 ocorreu entre 140-150 °C. / Currently the world is undergoing some climate change, one of the factors that contribute to these changes is the increase in greenhouse gas emissions, especially CO2. One of the sources of CO2 is the burning of fossil fuels. The combustion of mineral coal for energy production, in addition to emitting greenhouse gases, generates a large amount of ash. The use of coal ash for the synthesis of zeolites and the use of these zeolites for the adsorption of CO2 can be an interesting strategy to mitigate the problems of waste management and the emission of gases. The objective of this work was to synthesize and characterize high purity Na-A zeolite from coal ash and evaluate its application as a CO2 adsorbing material. Samples of three types of coal ash (fly ash, cyclone ashes and heavy ash) were collected at the Figueira-PR thermoelectric plant. The total time of the synthesis process by the two-step method was optimized. The following characteristics of the synthesis products were determined: mineralogical composition, chemical composition, morphology, functional groups and ion exchange capacity. The products synthesized presented a SiO2 / Al2O3 ratio of 1,2 and approximately 80% Na-A zeolite content. Zeolites were used as adsorbent material of CO2 having adsorption capacity between 492 and 655 mg / g. The higher adsorption capacity was obtained with the zeolite synthesized from the heavy ashes. The saturated zeolites were stable at room temperature and CO2 desorption occurred between 140-150 °C.