Comparative adsorption studies of heavy metal ions on chitin and chitosan biopolymers

Abstract

Bu çalışmada ağır metal iyonlarının (Cu2+, Pb2+, Cd2+, Ni2+) kitin ve kitosanbiyopolimerlerince tutunma performansları karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir. Buamaç doğrultusunda kitosan biyopolimeri kitinden elde edilmiş ve her iki biyopolimerdeadsorpsiyon deneyleri öncesi çeşitli analitik ve enstrumental yöntemlerle karakterizeedilmiştir.Adsorpsiyon deneyleri 5 dakikadan 24 saate kadar değişen çalkalama süresi,sekiz farklı başlangıç konsantrasyonu ve iki farklı sıcaklık ortamlarındagerçekleştirilmiştir.Elde edilen veriler ağır metal iyonlarının heriki biyopolimer tarafından tutunmakapasitelerinin pH, katı-sıvı oranı, konsantrasyon ve sıcaklıkla önemli derecededeğiştiğini göstermiş ve kitosan biyopolimerinin çalışılan bütün ağır metalleri tutmakapasitesi kitin biyopolimerine göre oldukça fazla olduğunu görülmüştür. Öbür yandankitin ve kitosan biyopolimerlerinin ağır metal iyonlarını tutma sıralamasının aynıolduğu görülmüştür. (Cu2+ > Pb2+ > Cd2+> Ni2+). Bu sıralamada Cu2+, Cd2+ ve Ni2+iyonlarının her iki biyopolimer üzerine Irwing-Williams Serisine uygun olaraktutunduğu saptanmıştır.Ağır metal iyonlarının kitin ve kitosan biyopolimerleri üzerine tutunma kinetiğiincelenmiş ve her iki biyopolimer içinde ağır metal iyonlarının ikinci dereceden hızizleyerek tutunduğunu göstermiştir ve hız sabitlerinin aktivasyon enerjilerinindehesaplanmasıyla Cu2+ ve Pb2+ iyonları için kitin biyopolimer üzerine daha hızlıtutunduğunu saptanmıştır.Freundlich ve Langmuir izotermlerinin çalışılan bütün ağır metal iyonları içinher iki biyopolimer üzerine adsorpsiyonuna uygulanabilirliği görülmüştür.Ağır metal iyonlarının kitin ve kitosan biyopolimerleri tarafından adsorpsiyonuthermodinamik açıdan incelenmiş ve ağır metal iyonlarının her iki biyopolimerüzerinede tutunmasının kendiliğinden ve endotermik olduğu saptanmıştır.

In this study comparative adsorption studies of heavy metal ions (Cu2+, Pb2+,Cd2+, Ni2+) on chitin and chitosan biopolymers were performed to investigate the uptakeperformances. For this purpose chitosan was prepared from chitin in controlledexperimental conditions and then these biopolymers were characterized with ElementalAnalysis, Viscosity, FT-IR, Potentiometric Titration, XRD, SEM, Zeta Potential,Particle Size Distribution and TGA/DTA measurements.Batch adsorption experiments were performed at eight different initial heavymetal ion concentrations (10, 25, 50, 100, 250, 500, 750, 1000 m/L), two differenttemperatures (298.15 K and 328.15 K), time period ranging from 5 minutes to 1 day andpH of solutions ranging from 1 to 7. The results indicated that the uptake performenceof chitin and chitosan biopolymer significantly changed with pH, adsorbent dosage,concentration and temperature. In general, chitosan biopolymer demonstrated greaterfixation abbility for heavy metal ions than chitin. However the fixation trend of heavymetal ions on chitin and chitosan biopolymers was the same (Cu2+ > Pb2+ > Cd2+ > Ni2+).Moreover Irwing-Williams Series support the dominancy of the binding mechanism forCu2+, Cd2+ and Ni2+ ions on both biopolymers.Adsorption of heavy metal ions on both chitin and chitosan biopolymers followedpseudo second order kinetics with the rate constant indicating faster adsorption onchitin for Cu2+ and Pb2+ ions and faster adsorption on chitosan for Cd2+ and Ni2+ ions.Both of the Freundlich and Langmuir adsorption isotherms seem to adequatelyrepresent the adsorption data obtained in this study.The positive value of enthalpy change (?Ho) and negative value of free energychange (?Go) shows the adsorption process is endothermic and spontaneous. Moreoverobtained positive entropy changes (?So) show that an increase in randomness, isassociating the adsorption of metal ions onto chitin and chitosan biopolymers.