1. JCCT
  2. Всі випуски
  3. Випуск 18, Номер 1, 2024
  4. Параметричне та кінетичне дослідження видалення нітратів з води модифікованими композитними кульками з хітозану

Параметричне та кінетичне дослідження видалення нітратів з води модифікованими композитними кульками з хітозану

JCCT.
2024;
Випуск 18, Номер 1
: cc. 83 - 93
https://doi.org/10.23939/chcht18.01.083
Автори:
  1. Zainab N. Jamka
  2. Wadood T. Mohammed
1
hemical Engineering Department, University of Baghdad
2
Chemical Engineering Department, University of Baghdad

Забруднення водних об'єктів шкідливими забруднюючими речовинами є однією з найгостріших глобальних проблем. Поточне дослідження зосереджено на розробці ефективного адсорбенту для видалення нітрат-іонів з водних розчинів. У дослідженні запропоновано модифіковані композитні хітозан-цеолітні кульки для підвищення ефективності процесу адсорбції. Цеоліт використовували для збільшення площі поверхні, а цирконій наносили на кульки для підвищення селективності щодо нітрат-аніонів. Механізм адсорбції оцінювали, характеризуючи вихідні кульки та кульки з адсорбованим сорбатом за допомогою рентгеноструктурного аналізу (XRD), інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FTIR), польової емісійної сканувальної електронної мікроскопії (FESEM) та аналізу за допомогою енергодисперсійного рентгенівського аналізатора (EDX). Досліди проводили в системі періодичної дії та вивчали вплив ключових параметрів, таких як час контакту, початкова концентрація нітрат-аніонів і дозування адсорбенту на ефективність адсорбції. Результати показали, що найвищий ступінь вилучення нітрат-іонів був зафіксований на рівні 95,42 % за використання 0,2 г $Cs-Ze-Zr$ адсорбенту з початковою концентрацією 50 мг/л і часом контакту 120 хвилин. Максимальна адсорбційна здатність щодо нітрат-іонів на виготовленій кульці становила 80,15 мг/г. Крім того, серед ізотерм Фрейндліха, Ленгмюра і Темкіна дані про рівновагу ізотерми узгоджувалися з моделлю ізотерми Фрейндліха. Кінетичні дані для адсорбції були задовільно апроксимовані псевдопершим порядком. Отримані результати чітко вказують на те, що запропонований адсорбент $(Cs-Ze-Zr)$ може бути успішно використаний для вилучення нітрат-іонів, що підтверджується високою ефективністю вилучення й адсорбційною здатністю, отриманою в дослідженні.

модифікований хітозан
періодична адсорбція
нітрат
цеоліт
цирконій
  1. Yang, K.; Yan, L.G.; Yang, Y.M.; Yu, S.J.; Shan, R.R.; Yu, H.Q.; Zhu, B.C.; Du, B. Adsorptive Removal of Phosphate by Mg- Al and Zn-Al Layered Double Hydroxides: Kinetics, Isotherms and Mechanisms. Sep. Purif. Technol. 2014, 124, 36–42. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.12.042
  2. Banu, H.T.; Karthikeyan, P.; Meenakshi, S. Zr4+ Ions Embedded Chitosan-Soya Bean Husk Activated Bio-Char Composite Beads for the Recovery of Nitrate and Phosphate Ions from Aqueous Solution. Int. J. Biol. Macromol. 2019, 130, 573– 583. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.02.100
  3. Kamaraj, R.; Pandiarajan, A.; Jayakiruba, S.; Naushad, M.; Vasudevan, S. Kinetics, Thermodynamics and Isotherm Modeling for Removal of Nitrate from Liquids by Facile One-Pot Electrosynthesized Nano Zinc Hydroxide. J. Mol. Liq. 2016, 215, 204–211. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2015.12.032
  4. Van Voorthuizen, E.M.; Zwijnenburg, A.; Wessling, M. Nutrient Removal by NF and RO Membranes in a Decentralized Sanitation System. Water Res. 2005, 39, 3657–3667. https://doi.org/10.1016/j.watres.2005.06.005
  5. Kuokkanen, V.; Kuokkanen, T.; Rämö, J.; Lassi, U.; Roininen, J. Removal of Phosphate from Wastewaters for Further Utilization Using Electrocoagulation with Hybrid Electrodes - Techno-Economic Studies. J. Water Process Eng. 2015, 8, e50–e57. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2014.11.008
  6. Raval, H.D.; Rana, P.S.; Maiti, S. A Novel High-Flux, Thin- Film Composite Reverse Osmosis Membrane Modified by Chitosan for Advanced Water Treatment. RSC Adv. 2015, 5, 6687–6694. https://doi.org/10.1039/c4ra12610f
  7. Quan, X.; Ye, C.; Xiong, Y.; Xiang, J.; Wang, F. Simultaneous Removal of Ammonia, P and COD from Anaerobically Digested Piggery Wastewater Using an Integrated Process of Chemical Precipitation and Air Stripping. J. Hazard. Mater. 2010, 178, 326–332. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.01.083
  8. Liou, Y.H.; Lo, S.L.; Lin, C.J.; Kuan, W.H.; Weng, S.C. Chemical Reduction of an Unbuffered Nitrate Solution Using Catalyzed and Uncatalyzed Nanoscale Iron Particles. J. Hazard. Mater. 2005, 127, 102–110. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.06.029
  9. Rashed, M.N. Adsorption Technique for the Removal of Organic Pollutants from Water and Wastewater, Ch. 7; IntechOpen: Rijeka, 2013. https://doi.org/10.5772/54048
  10. Gumnitsky, J.; Sabadash, V.; Matsuska, O.; Lyuta, O.; Hyvlud, A.; Venger, L. Dynamics of Adsorption of Copper Ions in Fixed-Bed Column and Mathematical Interpretation of the First Stage of the Process. Chem. Chem. Technol. 2022, 16, 267–273. https://doi.org/10.23939/chcht16.02.267
  11. Hammadi, A.; Shakir, I. Adsorption Behavior of Light Naphtha Components on Zeolite (5A) and Activated Carbon. Iraqi J. Chem. Pet. Eng. 2019, 20, 27–33. https://doi.org/10.31699/IJCPE.2019.4.5
  12. Waleed Khalid, M.; D. Salman, S. Adsorption of Chromium Ions on Activated Carbon Produced from Cow Bones. Iraqi J. Chem. Pet. Eng. 2019, 20, 23–32. https://doi.org/10.31699/ijcpe.2019.2.4
  13. Choudhary, V.R.; Vaidya, S.H. Adsorption of Copper Nitrate from Solution on Silica Gel. J. Chem. Technol. Biotechnol. 1982, 32, 888–892. https://doi.org/10.1002/jctb.5030320726
  14. Hummadi, K.K. Optimal Operating Conditions for Adsorption of Heavy Metals from an Aqueous Solution by an Agriculture Waste. Iraqi J. Chem. Pet. Eng. 2021, 22, 27–35. https://doi.org/10.31699/ijcpe.2021.2.4
  15. Karthikeyan, P.; Banu, H.A.T.; Meenakshi, S. Synthesis and Characterization of Metal Loaded Chitosan-Alginate Biopolymeric Hybrid Beads for the Efficient Removal of Phosphate and Nitrate Ions from Aqueous Solution. Int. J. Biol. Macromol. 2019, 130, 407–418. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.02.059
  16. Hasmath Farzana, M.; Meenakshi, S. Photocatalytic Aptitude of Titanium Dioxide Impregnated Chitosan Beads for the Reduction of Cr(VI). Int. J. Biol. Macromol. 2015, 72, 1265–1271. https://doi.org/10.1016/J.IJBIOMAC.2014.09.029
  17. Keshvardoostchokami, M.; Majidi, M.; Zamani, A.; Liu, B. A Review on the Use of Chitosan and Chitosan Derivatives as the Bio- Adsorbents for the Water Treatment: Removal of Nitrogen- Containing Pollutants. Carbohydr. Polym. 2021, 273, 118625. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118625
  18. Saheed, I.O.; Oh, W.-D.; Suah, F.B.M. Chitosan Modifications for Adsorption of Pollutants – A Review. J. Hazard. Mater. 2021, 408, 124889.https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124889
  19. Nitsae, M.; Madjid, A.; Hakim, L.; Sabarudin, A. Preparation of Chitosan Beads Using Tripolyphosphate and Ethylene Glycol Diglycidyl Ether as Crosslinker for Cr(VI) Adsorption. Chem. Chem. Technol. 2016, 10, 105–114. https://doi.org/10.23939/chcht10.01.105
  20. Rajeswari, A.; Amalraj, A.; Pius, A. Removal of Phosphate Using Chitosan-Polymer Composites. J. Environ. Chem. Eng. 2015, 3, 2331–2341. https://doi.org/10.1016/j.jece.2015.08.022
  21. Karthikeyan, P.; Banu, H. A. T.; Meenakshi, S. Removal of Phosphate and Nitrate Ions from Aqueous Solution Using La3+ Incorporated Chitosan Biopolymeric Matrix Membrane. Int. J. Biol. Macromol. 2019, 124, 492–504. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.11.127
  22. Azlan, K.; Wan Saime, W.N.; Lai Ken, L. Chitosan and Chemically Modified Chitosan Beads for Acid Dyes Sorption. J. Environ. Sci. 2009, 21, 296–302. https://doi.org/10.1016/S1001-0742(08)62267-6
  23. Kumar, I.A.; Viswanathan, N. Fabrication of Metal Ions Cross-Linked Alginate Assisted Biocomposite Beads for Selective Phosphate Removal. J. Environ. Chem. Eng. 2017, 5, 1438–1446. https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.02.005
  24. Kljajević, L.J.; Matović, B.; Radosavljević-Mihajlović, A.; Rosić, M.; Bosković, S.; Devečerski, A. Preparation of ZrO2 and ZrO2/SiC Powders by Carbothermal Reduction of ZrSiO4. J. Alloys Compd. 2011, 509, 2203–2215.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.11.002
  25. Wafiroh, S.; Abdulloh, A.; Widati, A.A. Phosphorylated Zeolite-A/Chitosan Composites as Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Chem. Chem. Technol. 2018, 12, 229–235. https://doi.org/10.23939/chcht12.02.229
  26. Kulprathipanja, S. Zeolites in Industrial Separation and Catalysis; 2010. https://doi.org/10.1002/9783527629565
  27. Sowmya, A.; Meenakshi, S. Zr(IV) Loaded Cross-Linked Chitosan Beads with Enhanced Surface Area for the Removal of Nitrate and Phosphate. Int. J. Biol. Macromol. 2014, 69, 336–343. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2014.05.043
  28. Alver, E.; Metin, A.; Çiftçi, H. Synthesis and Characterization of Chitosan/Polyvinylpyrrolidone/Zeolite Composite by Solution Blending Method. J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 2014, 24, 1048–1054. https://doi.org/10.1007/s10904-014-0087-z
  29. Nathan, A. J.; Scobell, A. APHA AWWA 23rd EDITION; 2017; Vol. 91.
  30. Thamilarasan, V.; Sethuraman, V.; Gopinath, K.; Balalakshmi, C.; Govindarajan, M.; Mothana, R.A.; Siddiqui, N.A.; Khaled, J.M.; Benelli, G. Single Step Fabrication of Chitosan Nanocrystals Using Penaeus Semisulcatus: Potential as New Insecticides, Antimicrobials and Plant Growth Promoters. J. Clust. Sci. 2018, 29, 375–384. https://doi.org/10.1007/s10876-018-1342-1
  31. Zheng, H.; Han, L.; Ma, H.; Zheng, Y.; Zhang, H.; Liu, D.; Liang, S. Adsorption Characteristics of Ammonium Ion by Zeolite 13X. J. Hazard. Mater. 2008, 158, 577–584.https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2008.01.115
  32. Alshahidy, B.A.; Abbas, A.S. Preparation and Modification of 13X Zeolite as a Heterogeneous Catalyst for Esterification of Oleic Acid. AIP Conf. Proc. 2020, 2213, 020167.https://doi.org/10.1063/5.0000171
  33. Thakkar, H.; Eastman, S.; Hajari, A.; Rownaghi, A. A.; Knox, J. C.; Rezaei, F. 3D-Printed Zeolite Monoliths for CO2 Removal from Enclosed Environments. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 27753–27761. https://doi.org/10.1021/acsami.6b09647
  34. Gorodylova, N.; Šulcová, P.; Bosacka, M.; Filipek, E. DTA- TG and XRD Study on the Reaction between ZrOCl2·8H2O and (NH4)2HPO4 for Synthesis of ZrP2O7. J. Therm. Anal. Calorim.2014, 118, 1095–1100. https://doi.org/10.1007/s10973-014-3890-4
  35. Elanchezhiyan, S.S.; Sivasurian, N.; Meenakshi, S. Enhancement of Oil Recovery Using Zirconium-Chitosan Hybrid Composite by Adsorptive Method. Carbohydr. Polym. 2016, 145, 103–113. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.02.038
  36. Yang, Z.; Peng, H.; Wang, W.; Liu, T. Crystallization Behavior of Poly(ε-Caprolactone)/Layered Double Hydroxide Nanocomposites. J. Appl. Polym. Sci. 2010, 116, 2658–2667. https://doi.org/10.1002/app.31787
  37. De Lucas, A.; Uguina, A. M.; Covián, I.; Rodríguez, L. Synthesis of 13X Zeolite from Calcined Kaolins and Sodium Silicate for Use in Detergents. Ind. Eng. Chem. Res. 1992, 31, 2134–2140. https://doi.org/10.1021/ie00009a010
  38. Lechert, H.; Kacirek, H. The Kinetics of Nucleation of X Zeolites. Zeolites 1993, 13, 192–200. https://doi.org/10.1016/S0144-2449(05)80277-5
  39. Zhou, C.; Alshameri, A.; Yan, C.; Qiu, X.; Wang, H.; Ma, Y. Characteristics and Evaluation of Synthetic 13X Zeolite from Yunnan’s Natural Halloysite. J. Porous Mater. 2013, 20, 587–594. https://doi.org/10.1007/s10934-012-9631-9
  40. Jiang, H.; Chen, P.; Luo, S.; Tu, X.; Cao, Q.; Shu, M. Synthesis of Novel Nanocomposite Fe3O4/ZrO2/Chitosan and Its Application for Removal of Nitrate and Phosphate. Appl. Surf. Sci. 2013, 284, 942–949. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.04.013
  41. Nur, T.; Shim, W.G.; Loganathan, P.; Vigneswaran, S.; Kandasamy, J. Nitrate Removal Using Purolite A520E Ion Exchange Resin: Batch and Fixed-Bed Column Adsorption Modelling. Int. J. Environ. Sci. Technol. 2015, 12, 1311–1320. https://doi.org/10.1007/s13762-014-0510-6
  42. Liu, Q.; Hu, P.; Wang, J.; Zhang, L.; Huang, R. Phosphate Adsorption from Aqueous Solutions by Zirconium (IV) Loaded Cross-Linked Chitosan Particles. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2016, 59, 311–319. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2015.08.012
  43. Ali, M.E.A. Synthesis and Adsorption Properties of Chitosan- CDTA-GO Nanocomposite for Removal of Hexavalent Chromium from Aqueous Solutions. Arab. J. Chem. 2018, 11, 1107–1116. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2016.09.010
  44. Purbasari, A.; Ariyanti, D.; Sumardiono, S.; Khairunnisa, K.; Sidharta, T. Adsorption Kinetics and Isotherms of Cu(II) and Fe(II) Ions from Aqueous Solutions by Fly Ash-Based Geopolymer.Chem. Chem. Technol. 2022, 16, 169–176. https://doi.org/10.23939/chcht16.02.169
  45. Nuryanti, S.; Suherman; Rahmawati, S.; Amalia, M.; Santoso, T.; Muhtar, H. Langmuir and Freundlich Isotherm Equation Test on the Adsorption Process of Cu (II) Metal Ions by Cassava Peel Waste (Manihot esculenta crantz). J. Phys. Conf. Ser. 2021, 2126, 012022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2126/1/012022
  46. Radhi, B.D.; Mohammed, W.T. TiO2 Loading on Activated Carbon: Preparation, Characterization, Desulfurization Performance and Isotherm of the Adsorption of Dibenzothiophene from Model Fuel. Egypt. J. Chem. 2022. https://doi.org/10.21608/EJCHEM.2022.109702.5003
  47. Li, M.; Lu, B.; Ke, Q.-F.; Guo, Y.-J.; Guo, Y.-P. Synergetic Effect between Adsorption and Photodegradation on Nanostructured TiO2/Activated Carbon Fiber Felt Porous Composites for Toluene Removal. J. Hazard. Mater. 2017, 333, 88–98. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2017.03.019
  48. Jawad, R.J.; Ismail, M.H.S.; Siajam, S.I. Adsorption of Heavy Metals and Residual Oil from Palm Oil Mill Effluent Using a Novel Adsorbent of Alginate and Mangrove Composite Beads Coated with Chitosan in a Packed Bed Column. IIUM Eng. J. 2018, 19, 1–14. https://doi.org/10.31436/iiumej.v19i1.734
  49. Malekbala, M.R.; Soltani, S.M.; Yazdi, S.K.; Hosseini, S. Equilibrium and Kinetic Studies of Safranine Adsorption on Alkali- Treated Mango Seed Integuments. Int. J. Chem. Eng. Appl. 2012, 3, 160–166. https://doi.org/10.7763/ijcea.2012.v3.179