Mg/Zr modified nanobiochar from spent coffee grounds for phosphate recovery and its application as a phosphorous release fertilizer

Resumo

A descarga excessiva de fósforo causa eutrofização do sistema aquático. Portanto, do ponto de vista do controle da eutrofização e do uso sustentável do fósforo, sua recuperação de águas residuais é essencial. Aqui, o nanobiochar modificado com Mg/Zr a partir de resíduos de café (Mg/Zr/CNBC) é relatado como um adsorvente eficiente para a recuperação de fosfato e fertilizante de liberação de fósforo. As caracterizações por MEV, DRX e FTIR do adsorvente antes e após a adsorção sugeriram que o fosfato está envolvido tanto na fisiossorção quanto na quimiossorção. A adsorção de fosfato em Mg/Zr/CNBC e os fatores que afetam o processo, como pH, tempo de contato, concentrações iniciais de fosfato e dose de adsorvente, foram investigados em experimentos em modo batelada. O Mg/Zr/CNBC mostrou uma melhoria de 23,36% e 11,84% na eficiência de adsorção em comparação com o nanobiochar puro e modificado com Mg, respectivamente. Condições ácidas favoreceram a adsorção de fosfato em Mg/Zr/CNBC com adsorção máxima (98,5%) em pH 1. A adsorção de fosfato seguiu a cinética de pseudo-segunda ordem. A constante de equilíbrio correspondente (K₂) e a capacidade de adsorção foram calculadas em 0,316 g/mg·min e 39,4 mg/g, respectivamente. Os dados de equilíbrio obtidos em diferentes concentrações de fosfato se ajustaram melhor ao modelo de isoterma de adsorção de Freundlich (R² = 0,998), sugerindo adsorção em múltiplas camadas de fosfato em uma superfície heterogênea. Além disso, a utilidade do Mg/Zr/CNBC carregado com fosfato como fertilizante de liberação de fósforo foi demonstrada em um teste em vaso. Os resultados do teste em vaso mostraram que o Mg/Zr/CNBC carregado com fosfato melhorou o crescimento do trigo e do grão-de-bico em 31,16% e 29,63%, respectivamente. O resultado destaca uma abordagem de economia circular para os resíduos de café.

Abstract

Excessive phosphorous discharge causes eutrophication of the aquatic system. Hence, from the viewpoints of eutrophication control and sustainable use of phosphorous, its recovery from wastewater is essential. Herein, Mg/Zr modified nanobiochar from spent coffee grounds (Mg/Zr/CNBC) is reported as an efficient adsorbent for phosphate recovery, and phosphorous release fertilizer. SEM, XRD, and FTIR characterizations of the adsorbent before and after adsorption suggested that phosphate is involved in both physisorption and chemisorption. Adsorption of phosphate on Mg/Zr/CNBC and factors affecting the process viz pH, contact time, initial phosphate concentrations, and dose of adsorbent were investigated in batch mode experiments. Mg/Zr/CNBC showed a 23.36 and 11.84 % improvement in the adsorption efficiency than the pristine and Mg-modified nanobiochar respectively. Acidic conditions favored the adsorption of phosphate on Mg/Zr/CNBC with maximum adsorption (98.5 %) at pH 1. Adsorption of phosphate followed pseudo-second-order kinetics. The corresponding equilibrium constant (K2) and adsorption capacity were calculated to be 0.316 g/mg. min and 39.4 mg/g respectively. The equilibrium data obtained at different phosphate concentrations better fitted the Freundlich adsorption isotherm model (R2 = 0.998) suggesting multilayer adsorption of phosphate on a heterogeneous surface. Further, the utility of phosphate-laden Mg/Zr/CNBC as a phosphorous-release fertilizer was demonstrated in a pot test. Results of the pot test showed that phosphate-laden Mg/Zr/CNBC improved the growth of Wheat and Chickpeas by 31.16 and 29.63 % respectively. The result highlights a circular economy approach for spent coffee grounds.