plasticnewsПластические массыPlasticheskie massy0554-2901PLASTMASSY Publishing House (Moscow)10.35164/0554-2901-2023-7-8-47-52plasticnews-902Research ArticleЭКОЛОГИЯECOLOGYСорбция ионов меди (II) композиционным сорбентом на основе хитозана и монтмориллонитаSorption of copper (II) ions by a composite sorbent based on chitosan and montmorilloniteНикифороваТ. Е.NikiforovaT. E.

г. Иваново

Ivanovo

tatianaenik@mail.ruГабринВ. А.GabrinV. A.

г. Иваново

Ivanovo

КозловВ. А.KozlovV. A.

г. Иваново

Ivanovo

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет»РоссияIvanovo State University of Chemistry and TechnologyRussian Federation20230610202317-84752Copyright © Никифорова Т.Е., Габрин В.А., Козлов В.А., 20232023Никифорова Т.Е., Габрин В.А., Козлов В.А.Nikiforova T.E., Gabrin V.A., Kozlov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.plastics-news.ru/jour/article/view/902

Разработан композиционный сорбент на основе хитозана и монтмориллонита для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов. Определено оптимальное соотношение хитозан/монтмориллонит для получения гранул сорбента.

Проведены равновесно-кинетические исследования процесса извлечения ионов меди (II) в гетерофазной системе «водный раствор сульфата металла – модифицированный сорбент».

Обработка изотерм сорбции ионов меди (II) исходным хитозаном и композитом на его основе по уравнению Ленгмюра позволила определить максимальные сорбционные емкости этих материалов (А∞). Установлено, что А∞ композиционного сорбента хитозан/монтмориллонит превышает максимальную сорбционную емкость для исходного хитозана более, чем в два раза.

Влияние рН на процесс сорбции ионов меди сорбентами на основе хитозана обусловлено конкуренцией катионов металла и протонов за центры сорбции. В ходе конкурентной хемосорбции протоны дезактивируют аминогруппы - основные центры сорбции, переводя их в неактивную, Н-солевую форму, что приводит к снижению сорбционной емкости хитозана по отношению к ионам меди.

Изменения в составе модифицированного сорбента по сравнению с исходным хитозаном подтверждаются данными инфракрасной спектроскопии. Микроскопические исследования по методу сканирующей электронной микроскопии показывают наличие изменений поверхностной структуры хитозановых гранул при введении в состав композита монтмориллонита.

A composite sorbent based on chitosan and montmorillonite has been developed for the extraction of heavy metal ions from aqueous solutions. The optimal chitosan / montmorillonite ratio for obtaining sorbent granules has been determined. Equilibriumkinetic studies of the process of copper (II) ions extraction in the heterophase system "aqueous solution of metal sulphate - modified sorbent" have been carried out.

The treatment of sorption isotherms of copper (II) ions by the initial chitosan and a chitosan based composite according to the Langmuir equation made it possible to determine the maximum sorption capacities of these materials (А∞). It has been established that A∞ of the chitosan/montmorillonite composite sorbent exceeds the maximum sorption capacity for the original chitosan by more than two times.

The effect of pH on the sorption of copper ions by chitosan-based sorbents is due to the competition of metal cations and protons for sorption sites. In the course of competitive chemisorption, protons deactivate amino groups - the main sorption centers, converting them into an inactive, H-salt form, which leads to a decrease in the sorption capacity of chitosan in relation to copper ions.

Changes in the composition of the modified sorbent compared to the original chitosan are confirmed by infrared spectroscopy data. Microscopic studies using the method of scanning electron microscopy show the presence of changes in the surface structure of chitosan granules when montmorillonite is introduced into the composition of the sorbent.

хитозанмонтмориллонитсорбцияионы меди (II)композиционный сорбентchitosanmontmorillonitesorptioncopper (II) ionscomposite sorbentReferencesSáez P., Dinu I.A., Rodríguez A., Gómez J.M., Lazar M.M., Rossini D., Dinu M.V. Composite cryo-beads of chitosan reinforced with natural zeolites with remarkable elasticity and switching on/off selectivity for heavy metal ions. // International Journal of Biological Macromolecules 164 (2020), Р. 2432–2449. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.08.009.Sáez P., Dinu I.A., Rodríguez A., Gómez J.M., Lazar M.M., Rossini D., Dinu M.V. Composite cryo-beads of chitosan reinforced with natural zeolites with remarkable elasticity and switching on/off selectivity for heavy metal ions. // International Journal of Biological Macromolecules 164 (2020), Р. 2432–2449. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.08.009.Xu K., Li L., Huang Z., Tian Z., Li H. Efficient adsorption of heavy metals from wastewater on nanocomposite beads prepared by chitosan and paper sludge. // Science of the Total Environment 846 (2022) 157399. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157399.Xu K., Li L., Huang Z., Tian Z., Li H. Efficient adsorption of heavy metals from wastewater on nanocomposite beads prepared by chitosan and paper sludge. // Science of the Total Environment 846 (2022) 157399. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157399.Bhatt P., Joshi S., Bayram G.M.U., Khati P., Simsek H. Developments and application of chitosan-based adsorbents for wastewater treatments. // Environmental Research 226 (2023) 115530. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115530.Bhatt P., Joshi S., Bayram G.M.U., Khati P., Simsek H. Developments and application of chitosan-based adsorbents for wastewater treatments. // Environmental Research 226 (2023) 115530. https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.115530.Li, A.; Lin, R.; Lin, C.; He, B.; Zheng, T.; Lu, L.; Cao, Y. An environment-friendly and multi-functional absorbent from chitosan for organic pollutants and heavy metal ion. // Carbohydrate Polymers. 2016. 148, Р.272–280. DOI: 10.1016/j.carbpol.2016.04.070.Li, A.; Lin, R.; Lin, C.; He, B.; Zheng, T.; Lu, L.; Cao, Y. An environment-friendly and multi-functional absorbent from chitosan for organic pollutants and heavy metal ion. // Carbohydrate Polymers. 2016. 148, Р.272–280. DOI: 10.1016/j.carbpol.2016.04.070.Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Исляйкин М.К. Кислотноосновные взаимодействия и комплексообразование при извлечении катионов меди (II) из водных растворов целлюлозным сорбентом с участием поливинилпирролидона. //Журнал физической химии. 2012. Т. 86. №12. – С. 1974 – 1984.Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Исляйкин М.К. Кислотноосновные взаимодействия и комплексообразование при извлечении катионов меди (II) из водных растворов целлюлозным сорбентом с участием поливинилпирролидона. //Журнал физической химии. 2012. Т. 86. №12. – С. 1974 – 1984.Хитозан / под. ред. К.Г. Скрябина, С.Н. Михайлова, В.П. Варламова. – М.: Центр «Биоинженерия» РАН, 2013. – 593 с.Хитозан / под. ред. К.Г. Скрябина, С.Н. Михайлова, В.П. Варламова. – М.: Центр «Биоинженерия» РАН, 2013. – 593 с.Sheth Y., Dharaskar S., Khalid M., Sonawane S. An environment friendly approach for heavy metal removal from industrial wastewater using chitosan based biosorbent. // A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments 43 (2021) 100951. doi.org/10.1016/j.seta.2020.100951Sheth Y., Dharaskar S., Khalid M., Sonawane S. An environment friendly approach for heavy metal removal from industrial wastewater using chitosan based biosorbent. // A review. Sustainable Energy Technologies and Assessments 43 (2021) 100951. doi.org/10.1016/j.seta.2020.100951Sahdev A.K., Raorane C.J., Shastri D., Raj V., Singh A., Kim S.C. Update on modified chitosan frameworks and their applications for food, wastewater, toxic heavy metals, dyes treatment and cancer drug delivery. //Journal of Environmental Chemical Engineering 10 (2022) 108656. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108656.Sahdev A.K., Raorane C.J., Shastri D., Raj V., Singh A., Kim S.C. Update on modified chitosan frameworks and their applications for food, wastewater, toxic heavy metals, dyes treatment and cancer drug delivery. //Journal of Environmental Chemical Engineering 10 (2022) 108656. https://doi.org/10.1016/j.jece.2022.108656.Bai R., Zhang Y., Zhao Z., Liao Q., Chen P. , Zhao P., Guo W., Yang F., Li L. Rapid and highly selective removal of lead in simulated wastewater of rare-earth industry using diglycolamic-acid functionalized magnetic chitosan adsorbents // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. V. 59. 2018. – P. 416–424.Bai R., Zhang Y., Zhao Z., Liao Q., Chen P. , Zhao P., Guo W., Yang F., Li L. Rapid and highly selective removal of lead in simulated wastewater of rare-earth industry using diglycolamic-acid functionalized magnetic chitosan adsorbents // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. V. 59. 2018. – P. 416–424.Nagireddi S., Katiyar V., Uppaluri R. Pd(II) adsorption characteristics of glutaraldehyde cross-linked chitosan copolymer resin. // International Journal of Biological Macromolecules. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.09.088.Nagireddi S., Katiyar V., Uppaluri R. Pd(II) adsorption characteristics of glutaraldehyde cross-linked chitosan copolymer resin. // International Journal of Biological Macromolecules. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.09.088.Vieira R.M., Vilela P.B., Becegato V.A., Paulino A.T. Chitosan-based hydrogel and chitosan/acid-activated montmorillonite composite hydrogel for the adsorption and removal of Pb+2 and Ni+2 ions accommodated in aqueous solutions. // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. V.6. №2. – Р. 2713–2723. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.04.018.Vieira R.M., Vilela P.B., Becegato V.A., Paulino A.T. Chitosan-based hydrogel and chitosan/acid-activated montmorillonite composite hydrogel for the adsorption and removal of Pb+2 and Ni+2 ions accommodated in aqueous solutions. // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018. V.6. №2. – Р. 2713–2723. https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.04.018.Li Z., Shao L., Ruan Z., Hu W., Lu L., & Chen Y. Converting untreated waste office paper and chitosan into aerogel adsorbent for the removal of heavy metal ions. // Carbohydrate Polymers. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.04.003.Li Z., Shao L., Ruan Z., Hu W., Lu L., & Chen Y. Converting untreated waste office paper and chitosan into aerogel adsorbent for the removal of heavy metal ions. // Carbohydrate Polymers. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.04.003.Abdul Khalil H.P.S., Saurabh C.K., Adnan A.S., Nurul Fazita M.R., Syakir M.I., Davoudpour Y., Rafatullah M., Abdullah C.K., Haafiz M.K.M., Dungani R. A review on chitosan-cellulose blends and nanocellulose reinforced chitosan biocomposites: Properties and their applications. // Carbohydrate Polymers 150 (2016). – Р. 216–226.Abdul Khalil H.P.S., Saurabh C.K., Adnan A.S., Nurul Fazita M.R., Syakir M.I., Davoudpour Y., Rafatullah M., Abdullah C.K., Haafiz M.K.M., Dungani R. A review on chitosan-cellulose blends and nanocellulose reinforced chitosan biocomposites: Properties and their applications. // Carbohydrate Polymers 150 (2016). – Р. 216–226.Salih S.S., Ghosh T.K., Adsorption of Zn(II) ions by chitosan coated diatomaceous earth. // International Journal of Biological Macromolecules. / http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.08.053.Salih S.S., Ghosh T.K., Adsorption of Zn(II) ions by chitosan coated diatomaceous earth. // International Journal of Biological Macromolecules. / http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.08.053.Rahman M., Yeasmin S., Uddin J., Hasan M., Shaikh A.A., Rahman M.S., Maniruzzaman M. Simultaneous abatement of Ni2+ and Cu2+ effectually from industrial wastewater by a low cost natural claychitosan nanocomposite filter: Synthesis, characterization and fixed bed column adsorption study.// Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management 20 (2023) 100797. https://doi.org/10.1016/j.enmm.2023.100797.Rahman M., Yeasmin S., Uddin J., Hasan M., Shaikh A.A., Rahman M.S., Maniruzzaman M. Simultaneous abatement of Ni2+ and Cu2+ effectually from industrial wastewater by a low cost natural claychitosan nanocomposite filter: Synthesis, characterization and fixed bed column adsorption study.// Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management 20 (2023) 100797. https://doi.org/10.1016/j.enmm.2023.100797.Ebisike K., Okoronkwo A.E., Alaneme K.K., Akinribide O.J. Thermodynamic study of the adsorption of Cd2+ and Ni2+ onto chitosan – Silica hybrid aerogel from aqueous solution. // Results in Chemistry 5 (2023) 100730. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2022.100730.Ebisike K., Okoronkwo A.E., Alaneme K.K., Akinribide O.J. Thermodynamic study of the adsorption of Cd2+ and Ni2+ onto chitosan – Silica hybrid aerogel from aqueous solution. // Results in Chemistry 5 (2023) 100730. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2022.100730.Фуфаева В.А. Никифорова Т.Е., Разговоров П.Б., Игнатьев А.А. Кинетические характеристики извлечения катионов меди(II) из водных сред гидрогелевым сорбентом хитозан – диоксид кремния // Экология и промышленность России. 2022. Т. 26. №12. – С.22 – 27. DOI: 10.18412/1816-0395-2022-12-22-27.Фуфаева В.А. Никифорова Т.Е., Разговоров П.Б., Игнатьев А.А. Кинетические характеристики извлечения катионов меди(II) из водных сред гидрогелевым сорбентом хитозан – диоксид кремния // Экология и промышленность России. 2022. Т. 26. №12. – С.22 – 27. DOI: 10.18412/1816-0395-2022-12-22-27.Begum Sh., Yuhana N.Y., Saleh N.Md, Kamarudin N.H.N., Sulong A.B. Review of chitosan composite as a heavy metal adsorbent: Material preparation and properties. // Carbohydrate Polymers 259 (2021) 117613. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117613.Begum Sh., Yuhana N.Y., Saleh N.Md, Kamarudin N.H.N., Sulong A.B. Review of chitosan composite as a heavy metal adsorbent: Material preparation and properties. // Carbohydrate Polymers 259 (2021) 117613. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.117613.Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е. Исследование стадий термической обработки и гидротермальной кристаллизации при получении гранулированного цеолита NаА из механоактивированного метакаолина // Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86. №3. – С. 360–366.Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е. Исследование стадий термической обработки и гидротермальной кристаллизации при получении гранулированного цеолита NаА из механоактивированного метакаолина // Журнал прикладной химии. 2013. Т. 86. №3. – С. 360–366.Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е., Жидкова А.Б. Синтез гранулированных цеолитов со структурой NаА из каолина. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2011. Т. 54. № 12. С. 77–80.Прокофьев В.Ю., Гордина Н.Е., Жидкова А.Б. Синтез гранулированных цеолитов со структурой NаА из каолина. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2011. Т. 54. № 12. С. 77–80.Gordina N.E., Prokof’ev V.Yu., Il’in A.P. Еxtrusion molding of sorbents based on synthesized zeolite. //Glass and Ceramics. 2005. Т. 62. №9-10. – С. 282-286.Gordina N.E., Prokof’ev V.Yu., Il’in A.P. Еxtrusion molding of sorbents based on synthesized zeolite. //Glass and Ceramics. 2005. Т. 62. №9-10. – С. 282-286.Gordina N.E., Prokof’ev V.Y., Hmylova O.E., Kul’pina Y.N. Еffect of ultrasound on the thermal behavior of the mixtures for the LTA zeolite synthesis based on metakaolin. // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2017. V. 129. №3. – Р. 1415–1427.Gordina N.E., Prokof’ev V.Y., Hmylova O.E., Kul’pina Y.N. Еffect of ultrasound on the thermal behavior of the mixtures for the LTA zeolite synthesis based on metakaolin. // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2017. V. 129. №3. – Р. 1415–1427.Mende M., Schwarz D., Steinbach C., Boldt R., Schwarz S. Simultaneous adsorption of heavy metal ions and anions from aqueous solutions on chitosan − Investigated by spectrophotometry and SEM-EDX analysis. // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.08.033.Mende M., Schwarz D., Steinbach C., Boldt R., Schwarz S. Simultaneous adsorption of heavy metal ions and anions from aqueous solutions on chitosan − Investigated by spectrophotometry and SEM-EDX analysis. // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.08.033.Olivera S., Muralidhara H.B., Venkatesh K., Guna, V.K., Gopalakrishna, K., & Kumar K., Y. Potential Applications of Cellulose and Chitosan Nanoparticles/composites in Wastewater Treatment: A Review. Carbohydrate Polymers. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.08.017.Olivera S., Muralidhara H.B., Venkatesh K., Guna, V.K., Gopalakrishna, K., & Kumar K., Y. Potential Applications of Cellulose and Chitosan Nanoparticles/composites in Wastewater Treatment: A Review. Carbohydrate Polymers. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.08.017.Chitosan as a bioactive polymer: Processing, properties and applications Muxika A., Etxabide A., Uranga J., Guerrero P., de la Caba K. // International Journal of Biological Macromolecules 105 (2017). – P. 1358–1368.Chitosan as a bioactive polymer: Processing, properties and applications Muxika A., Etxabide A., Uranga J., Guerrero P., de la Caba K. // International Journal of Biological Macromolecules 105 (2017). – P. 1358–1368.Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высшая школа, 1985. – 327 с.Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высшая школа, 1985. – 327 с.Четверикова А.Г., Каныгина О.Н., Алпысбаева Г.Ж., Юдин А.А., Сокабаева С.С. Инфракрасная спектроскопия как метод определения структурных откликов природных глин на СВЧ-воздействие. // Конденсированные среды и межфазные границы, 2019, 21(3). – C. 446–454. DOI: 10.17308/kcmf.2019.21/1155.Четверикова А.Г., Каныгина О.Н., Алпысбаева Г.Ж., Юдин А.А., Сокабаева С.С. Инфракрасная спектроскопия как метод определения структурных откликов природных глин на СВЧ-воздействие. // Конденсированные среды и межфазные границы, 2019, 21(3). – C. 446–454. DOI: 10.17308/kcmf.2019.21/1155.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.