سنتز کامپوزیت زانتان/ایتاکونیک اسید/خاک رس و بررسی ساختاری و کاربردی آن در حذف یون مس (II) از محلول آبی

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

در این پژوهش هیدروژل‌های کامپوزیتی زانتان ـ پیوند ـ ایتاکونیک اسید (XG-g-IA/clay) با استفاده از سه نوع خاک رس مونت مورلونیت (MMT)، بنتونیت (BT) و کائولونیت (KT) برای اولین بار سنتز و برای جذب کاتیون مس از محلول آبی مورد استفاده قرار گرفتند. نتیجه­ های طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ پیش و پس از فرایند جذب، مشارکت خاک رس و مونومر ایتاکونیک اسید را درون هیدروژل کامپوزیت ثابت کرد و نشان داد که گروه‌های کربوکسیلات نقش به سزایی در جذب کاتیون مس از محلول آبی دارد. نتیجه ­های ریزنگاره‌های میکروسکوپ الکترونی سطح جاذب نشان داد که ساختار ناهموار سطح جاذب پس از جذب کاتیون‌های مس هموارتر شد. پراکنش لایه نانوذره­ های خاک رس در ماتریس پلیمر و افزایش سطح موثرجاذب به ترتیب توسط آزمون پراش پرتو ایکس و آزمون BET تعیین شد. بر اساس نتیجه­ های مدل­ های هم ­دما، داده‌های آزمایشگاهی جذب بیش ­ترین تطابق را با مدل همدمای لانگ مویر نشان دادند و برای هیدروژل‌‌های کامپوزیتی XG-g-IA/BT،XG-g-IA/MMT و XG-g-IA/KT در دمای °C45 و 5=pH ، بیش­ ترین ظرفیت جذب به ترتیب 62/133، 96/131 و mg/g68/125 به­ دست آمد. داده‌‌های آزمایشگاهی هر سه هیدروژل سنتز شده به خوبی با مدل سینتیکی شبه مرتبه دوم برازش شد. مقدارهای منفی انرژی آزاد استاندارد گیبس و مثبت انتروپی برای هر سه هیدروژل کامپوزیتی نشان داد که فرایند جذب خودبه‌خودی و دلخواه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ngah W.S.W., Fatinathan S., Adsorption of Cu(Ii) Ions in Aqueous Solution Using Chitosan Beads, Chitosan–Gla Beads And Chitosan–Alginate Beads, Chemical Engineering Journal, 143(1-3): 62–72 (2008).

[2] Haq Nawaz B., Rubina Kh., Muhammad A, H., Biosorption of Pb(II) and Co(II) on Red Rose Waste Biomass, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 30(4): 81-87 (2011).

[3] Ho Y.S., Huang C.T., Huang H.W., Equilibrium Sorption Isotherm for Metal Ions on Tree Fern, Process Biochemistry, 37(12): 1421-1430 (2002).

[4] Karabulut S., Karabakan A., Denizli A., Yürüm Y., Batch Removal of Copper(II) and Zinc(II) from Aqueous Solutions with Low-Rank Turkish Coals, Separation and Purification Technology, 18(3): 177-184 (2000).

[5] Golkhah S., Zavvar Mousavi H., Shirkhanloo H., Khaligh A., Removal of Pb(II) and Cu(II) Ions from Aqueous Solutions by Cadmium Sulfide Nanoparticles, International Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 13(2): 105-117 (2017).

[6] Fu F., Wang Q., Removal of Heavy Metal Ions from Wastewaters: A Review, Journal of Environmental Management, 92(3): 407–418 (2011).

[7] Milosavljević N.B., Ristić M.Ð., Perić-Grujić A.A., Filipović J.M., Štrbac S.B., Rakočević Z.Lj., Kalagasidis Krušić M.T., Hydrogel Based on Chitosan, Itaconic Acid and Methacrylic Acid as Adsorbent of Cd2+ Ions from Aqueous Solution, Chemical Engineering Journal, 165(2): 554–562 (2010).

[8] Cho D.W., Jeon B.H., Chon C.M., Kim Y., Schwartz F.W., Lee E.S., Song H., A Novel Chitosan/Clay/Magnetite Composite for Adsorption of Cu(II) and As(V), Chemical Engineering Journal, 200–202: 654–662 (2012).

[9] Zhang S., Xu F., Wang Y., Zhang W., Peng X., Pepe F., Silica Modified Calcium Alginate–Xanthan Gum Hybrid Bead Composites for the Removal and Recovery of Pb(II) from Aqueous Solution, Chemical Engineering Journal, 234: 33–42 (2013).

[10] Liu Y., Wang W., Wang A., Adsorption of Lead Ions from Aqueous Solution by Using Carboxymethyl Cellulose-g-Poly (Acrylic Acid)/Attapulgite Hydrogel Composites, Desalination, 259(1-3): 258–264 (2010).

[11] Zhu H.Y., Fu Y.Q., Jiang R., Yao J., Xiao L., Zeng G.M., Novel Magnetic Chitosan/Poly(Vinyl Alcohol) Hydrogel Beads: Preparation, Characterization and Application for Adsorption of Dye from Aqueous Solution, Bioresource Technology, 105: 24–30 (2012).

[12] Aflaki Jalali M., Dadvand Koohi A., Sheykhan M., Experimental Study of the Removal of Copper Ions Using Hydrogels of Xanthan, 2-Acrylamido-2-Methyl-1-Propane Sulfonic Acid, Montmorillonite: Kinetic and Equilibrium Study, Carbohydrate Polymers, 142: 124–132 (2016).

[13] گلبابایی، فریده؛ قهری، اصغر؛ صعودی، محمدرضا؛ رحیمی فروشانی، عباس؛ تیرگر، آرام؛ مطالعه های تعادل و سینتیک جذب زیستی کروم شش ظرفیتی از محلول های آبی با استفاده از دانه های پلیمر زانتان B82، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)30: 11 تا 24 (1390).

[14] نوبخت اصل، فاطمه؛ کردتبار، مهران؛ سنتز و شناسایی هیدروژلهای ابرجاذب نانوکامپوزیت مغناطیسی آهن بر پایه صمغ زانتان اصلاح شده با استفاده از اکریلیک اسید، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)35: 33 تا 38 (1395).

[15] Ghorai S., Sarkar A.K., Pal S., Rapid Adsorptive Removal of Toxic Pb2+ Ion from Aqueous Solution Using Recyclable, Biodegradable Nanocomposite Derivedfrom Templated Partially Hydrolyzed Xanthan Gum and Nanosilica, Bioresource Technology, 170: 578–582 (2014).

[16] Makhado E., Pandey S., Nomngongo P.N., Ramontja J., Fast Microwave-Assisted Green Synthesis of Xanthan Gum Grafted Acrylic Acid for Enhanced Methylene Blue Dye Removal from Aqueous Solution, Carbohydrate Polymers, 176: 315-326 (2017).

[17] Uddin M.K., A Review on the Adsorption of Heavy Metals by Clay Minerals, with Special Focus on the Past Decade, Chemical Engineering Journal, 308: 438-462 (2017).

[18] Kazutoshi Haraguchi, Nanocomposite hydrogels, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 11: 47–54 (2007).

[19] Wang X., Wang C., Chitosan-Poly(Vinyl Alcohol)/Attapulgite Nanocomposites for Copper(II) Ions Removal: pH Dependence and Adsorption Mechanisms, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 500: 186–194 (2016).

[20] Shirsath S.R., Patil A.P., Patil R., Naik J.B., Gogate P.R., Sonawane S.H., Removal of Brilliant Green from Wastewater Using Conventional and Ultrasonically Prepared Poly(Acrylic Acid) Hydrogel Loaded With Kaolin Clay: A Comparative Study, Ultrasonics Sonochemistry, 20(3): 914–923 (2013).

[21] Barati A., Asgari M., Miri T., Eskandari Z., Removal and Recovery of Copper and Nickel Ions from Aqueous Solution By Poly(Methacrylamide-Co-Acrylic Acid)/Montmorillonite Nanocomposites, Environmental Science and Pollution Research, 20(9): 6242–6255 (2013).

[22] Kyzas G.Z., Siafaka P.I., Lambropoulou D.A., Lazaridis N.K., Bikiaris D.N., Poly(itaconic acid)-Grafted Chitosan Adsorbents with Different Cross-Linking for Pb(II) and Cd(II) Uptakem, Langmuir, 30(1): 120–131 (2014).

[23] Milosavljević N.B., Ristić M.Ð., Perić-Grujić A.A., Filipović J.M., Štrbac S.B., Rakočević Z.Lj, Kalagasidis Krušić M.T., Removal of Cu2+ Ions Using Hydrogels of Chitosan, Itaconic and Methacrylic Acid: FTIR, SEM/EDX, AFM, Kinetic and Equilibrium Study, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 388(1-3): 59–69 (2011).

[24] Antić K.M., Babić M.M., Vuković J.S., Onjia A.E., Filipović J.M., Tomić S.Lj., Removal of Pb2+ from Aqueous Solution by P(HEA/IA) Hydrogels, Hemijska industrija (HEM IND), 70(6): 695–705 (2016)

[25] Bao Y., Ma J., Li N., Synthesis and Swelling Behaviors of Sodium Carboxymethyl Cellulose-g-Poly(AA-co-AM-co-AMPS)/MMT Superabsorbent Hydrogel, Carbohydrate Polymers, 84(1): 76–82 (2011).

[26] Srivastava V.C., Swamy M.M., Mall I.D., Prasad B., Mishra I.M., Adsorptive Removal of Phenol By Bagasse Fly Ash and Activated Carbon: Equilibrium, Kinetics and Thermodynamics, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 272(1-2): 89-104 (2006).

[27] Ozcan A.O., Ozcan A.S., Tunali S., Akar T., Kiran I., Determination Of The Equilibrium, Kinetic And Thermodynamic Parameters of Adsorption of Copper(II) Ions onto Seeds of Capsicum Annuum, Journal of Hazardous Materials, 124(1-3): 200-208 (2005).

[28] اهالی آباده، زهرا ؛ ایراننژاد، مهدی؛ بررسی مدلهای سینتیکی و همدمایی حذف کادمیم از محلول­های آبیبا کامپوزیت زئولیتی آهنی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)35: 99 تا 111 (1395).

[29] Tabrizi N.S., Yavari M., Methylene Blue Removal by Carbon Nanotube-Basedaerogels, Chemical Engineering Research and Design, 94: 516–523 (2015).

[30] Srivastava A., Behari K., Synthesis and Study of Metal Ion Sorption Capacity of Xanthan Gum-g-2-Acrylamido-2-Methyl-1-Propane Sulphonic Acid, Journal of Applied Polymer Science, 104(1): 470–478 (2007).

[31] Barkat M., Chegrouche S., Mellah A., Bensmain B., Nibou D., Boufatit M., Application of Algerian Bentonite in The Removal of Cadmium (II) and Chromium (VI) from Aqueous Solutions, Journal of Surface Engineered Materials, Advanced Technology, 4(4): 210-226 (2014).

[32] Wang X., Wang C., Chitosan-Poly(vinyl alcohol)/Attapulgite Nanocomposites for Copper(II) Ions Removal: pH Dependence and Adsorption Mechanisms, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 500: 186-194 (2016).

[33] Xue A., Zhou S., Zhao Y., Lu X., Han P., Effective NH2-Grafting on Attapulgite Surfaces for Adsorption of Reactive Dyes, Journal of Hazardous Materials, 194: 7–14 (2011).

[34] Zhang J., Wang L., Wang A., Preparation and Properties of Chitosan-g-poly(acrylic acid) / Montmorillonite Superabsorbent Nanocomposite via in Situ Intercalative Polymerization, Industrial & Engineering Chemistry Research, 46(8): 2497-2502 (2007).

[35] Kaufhold S., Dohrmann R., Klinkenberg M., Siegesmund S., Ufer K., N2-BET Specific Surface Area of Bentonites, Journal of Colloid and Interface Science, 349(1): 275–282 (2010).

[36] Brooks C. S., Nitrogen Adsorption Experiments on Several Clay Minerals, Soil Science, 79(5): 331-348 (1955).

[37] Chen C., Ting C., Yisu S., Yuan T., Adsorption of Cu(II) from Aqueous Solution on Fly Ash Based Linde F (K) Zeolite, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 33(3): 29-35 (2014).

[38] Shakib F., Dadvand Koohi A., Kamran Pirzaman A. Adsorption of Methylene Blue by Using Novel Chitosan-g-Itaconic Acid/Bentonite Nanocomposite-Equilibrium and Kinetic Study, Water Science and Technology, 75(7-8): 1932–1943 (2017).

[39] Cho D.W., Jeon B.H., Chon C.M., Schwartz F.W., Jeong Y., Song H., Magnetic Chitosan Composite for Adsorption of Cationic and Anionic Dyes in Aqueous Solution, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 28: 60-66 (2015).

[40] Xu H., Liu D., He L., Liu N., Ning G., Adsorption of Copper(II) from an Wastewater Effluent of Electroplating Industry by Poly(ethyleneimine)-Functionalized Silica, Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 34(2): 73-81 (2015).

[41] Wang L., Zhang J., Wang A., Fast Removal of Methylene Blue from Aqueous Solution by Adsorption onto Chitosan-g-Poly (Acrylic Acid)/Attapulgite Composite, Desalination, 266(1-3): 33–39 (2011).

[42] Ghorai S., Sarkar A.K., Panda A.B., Pal S., Effective Removal of Congo Red Dye from Aqueous Solution Using Modified Xanthan Gum/Silica Hybrid Nanocomposite As Adsorbent, Bioresource Technology, 144: 485–491 (2013).

[43] Chowdhury S., Mishra R., Saha P., Kushwaha P., Adsorption Thermodynamics, Kinetics and Isosteric Heat of Adsorption of Malachite Green onto Chemically Modified Rice Husk, Desalination, 265(1-3): 159−168 (2011).

[44] Maater W., Boufi S., Poly(Methacrylic Acid-co-Maleic Acid) Grafted Nanofibrillated Cellulose as a Reusable Novel Heavy Metal Ions Adsorbent, Carbohydrate Polymers, 126: 199-207 (2015).

[45] Fu J., Chen Z., Wang M., Liu S., Zhang J., Zhang J., Han R., Xu Q., Adsorption of Methylene Blue By A High-Efficiency Adsorbent (Polydopamine Microspheres): Kinetics, Isotherm, Thermodynamics and Mechanism Analysis, Chemical Engineering Journal, 259: 53–61 (2015).

[46] Ozay O., Ekici S., Baran Y., Aktas N., Sahiner N., Removal of Toxic Metal Ions with Magnetic Hydrogels, Water Research, 43(17): 4403-4411 (2009).

[47] Han Y., Jie D., Zhen Y., Hu Y., Rongshi C., Enhanced and Selective Adsorption of Copper(II) Ions on Surface Carboxymethylated Chitosan Hydrogel Beads, Chemical Engineering Journal, 174(2-3): 586–594 (2011).

[48] Gang J.L., Wang X.Y., Zeng G.M., Chen L., Deng G.H., Zhang X.R., Niu Q.Y., Copper (II) Removal By Pectin–Iron Oxide Magnetic Nanocomposite Adsorbent, Chemical Engineering Journal, 185–186: 100–107 (2012).

[49] Jie D., Han Y., Hu Y., Rongshi C., Simple Method for Preparation of Chitosan/Poly(Acrylic Acid) Blending Hydrogel Beads and Adsorption of Copper(II) from Aqueous Solutions, Chemical Engineering Journal, 165(1): 240–249 (2010).

[50] Selvaraj R., Jei-Won Y., Younghun K., Yongju J., Ha Y.K., Kim W.H., Adsorption Characteristics of Cu(II) onto Ion Exchange Resins 252h and 1500h: Kinetics, Isotherms and Error Analysis, Journal of Hazardous Materials, 143(1-2): 469–477 (2007).