Microfluidic synthesis of renewable biosorbent with highly comprehensive adsorption performance for copper (II)

Yong Zhu, Zhishan Bai, Bingjie Wang, Linlin Zhai, Wenqiang Luo

PDF(585 KB)
PDF(585 KB)
Front. Chem. Sci. Eng. ›› 2017, Vol. 11 ›› Issue (2) : 238-251. DOI: 10.1007/s11705-017-1627-1
RESEARCH ARTICLE

Microfluidic synthesis of renewable biosorbent with highly comprehensive adsorption performance for copper (II)

Author information +
History +

Abstract

A microsphere biosorbent with uniform size (CV= 1.52%), controllable morphology and component, and high mechanical strength was synthesized from chitosan by microfluidic technology combining with chemical crosslinking and solvent extraction. This chitosan microsphere (CS-MS) was prepared with a two-step solidification process, which was acquired by drying for the enhancement of mechanical property in final. The adsorption behavior of CS-MS towards copper (II) and main influencing factors on adsorption performance were investigated by batch experiments. Kinetic data highlighted dominant chemical bonding along with electrons transferring in adsorption process. Isothermal analysis indicated that adsorption capacity was relevant to the number of active site. All these explorations provided a new direction for preparing highly comprehensive performance sorbent used in heavy metal treatment via microfluidic technology.

Graphical abstract

Keywords

chitosan microsphere / microfluidic technology / adsorption / copper (II)

Cite this article

Download citation ▾
Yong Zhu, Zhishan Bai, Bingjie Wang, Linlin Zhai, Wenqiang Luo. Microfluidic synthesis of renewable biosorbent with highly comprehensive adsorption performance for copper (II). Front. Chem. Sci. Eng., 2017, 11(2): 238‒251 https://doi.org/10.1007/s11705-017-1627-1

References

[1]
Sikder M T, Mihara Y, Islam M S, Saito T, Tanaka S, Kurasaki M. Preparation and characterization of chitosan-caboxymethyl-β-cyclodextrin entrapped nanozero-valent iron composite for Cu (II) and Cr (IV) removal from wastewater. Chemical Engineering Journal, 2014, 236: 378–387
CrossRef Google scholar
[2]
He J S, Chen J P. Cu(II)-imprinted poly(vinyl alcohol)/poly(acrylic acid) membrane for greater enhancement in sequestration of copper ion in the presence of competitive heavy metal ions: Material development, process demonstration, and study of mechanisms. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(52): 20223–20233
CrossRef Google scholar
[3]
Sdiri A, Bouaziz S. Re-evaluation of several heavy metals removal by natural limestones. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2014, 8(4): 418–432
CrossRef Google scholar
[4]
Sciban M, Radetic B, Kevresan D, Klasnja M. Adsorption of heavy metals from electroplating wastewater by wood sawdust. Bioresource Technology, 2007, 98(2): 402–409
CrossRef Google scholar
[5]
Srivastava N K, Majumder C B. Novel biofiltration methods for the treatment of heavy metals from industrial wastewater. Journal of Hazardous Materials, 2008, 151(1): 1–8
CrossRef Google scholar
[6]
Shafaei A, Rezayee M, Arami M, Nikazar M. Removal of Mn2+ ions from synthetic wastewater by electrocoagulation process. Desalination, 2010, 260(1-3): 23–28
CrossRef Google scholar
[7]
Sangvanich T, Sukwarotwat V, Wiacek R J, Grudzien R M, Fryxell G E, Addleman R S, Timchalk C, Yantasee W. Selective capture of cesium and thallium from natural waters and simulated wastes with copper ferrocyanide functionalized mesoporous silica. Journal of Hazardous Materials, 2010, 182(1-3): 225–231
CrossRef Google scholar
[8]
Tran M, Wang C. Semi-solid materials for controlled release drug formulation: Current status and future prospects. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2014, 8(2): 225–232
CrossRef Google scholar
[9]
Witoon T, Mungcharoen T, Limtrakul J. Biotemplated synthesis of highly stable calcium-based sorbents for CO2 capture via a precipitation method. Applied Energy, 2014, 118: 32–40
CrossRef Google scholar
[10]
Vold I M N, Varum K M, Guibal E, Smidsrod O. Binding of ions to chitosan-selectivity studies. Carbohydrate Polymers, 2003, 54(4): 471–477
CrossRef Google scholar
[11]
Gamage A, Shahidi F. Use of chitosan for the removal of metal ion contaminants and proteins from water. Food Chemistry, 2007, 104(3): 989–996
CrossRef Google scholar
[12]
Pillai C K S, Paul W, Sharma C P. Chitin and chitosan polymers: Chemistry, solubility and fiber formation. Progress in Polymer Science, 2009, 34(7): 641–678
CrossRef Google scholar
[13]
Ma J, Liu C H, Li R, Wang J. Properties and structural characterization of chitosan/graphene oxide biocomposites. Bio-Medical Materials and Engineering, 2012, 22(1-3): 129–135
[14]
Yeng C M, Husseinsyah S, Ting S S. A comparative study of different crosslinking agent-modified chitosan/corn cob biocomposite films. Polymer Bulletin, 2015, 72(4): 791–808
CrossRef Google scholar
[15]
Vasconcelos H L, Camargo T P, Gonçalves N S, Neves A, Laranjeira M C M, Fávere V T. Chitosan crosslinked with a metal complexing agent: Synthesis, characterization and copper(II) ions adsorption. Reactive & Functional Polymers, 2008, 68(2): 572–579
CrossRef Google scholar
[16]
Li M X, Cheng S L, Yan H S. Preparation of crosslinked chitosan/poly(vinyl alcohol) blend beads with high mechanical strength. Green Chemistry, 2007, 9(8): 894–898
CrossRef Google scholar
[17]
Zhou D, Zhang L, Guo S L. Mechanisms of lead biosorption on cellulose/chitin beads. Water Research, 2005, 39(16): 3755–3762
CrossRef Google scholar
[18]
Arvand M, Pakseresht M A. Cadmium adsorption on modified chitosan-coated bentonite: Batch experimental studies. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire), 2013, 88(4): 572–578
CrossRef Google scholar
[19]
Merrifield J D, Davids W G, MacRae J D, Amirbahman A. Uptake of mercury by thiol-grafted chitosan gel beads. Water Research, 2004, 38(13): 3132–3138
CrossRef Google scholar
[20]
Zhao F, Yu B, Yue Z, Wang T, Wen X, Liu Z, Zhao C. Preparation of porous chitosan gel beads for copper(II) ion adsorption. Journal of Hazardous Materials, 2007, 147(1-2): 67–73
CrossRef Google scholar
[21]
Filipovic-Grcic J, Perissutti B, Moneghini M, Voinovich D, Martinac A, Jalsenjak I. Spray-dried carbamazepine-loaded chitosan and HPMC microspheres: Preparation and characterisation. Journal of Pharmacy and Pharmacology, 2003, 55(7): 921–931
CrossRef Google scholar
[22]
Peng H, Xiong H, Li J, Xie M, Liu Y, Bai C, Chen L. Vanillin cross-linked chitosan microspheres for controlled release of resveratrol. Food Chemistry, 2010, 121(1): 23–28
CrossRef Google scholar
[23]
Kim J H, Jeon T Y, Choi T M, Shim T S, Kim S H, Yang S M. Droplet microfluidics for producing functional microparticles. Langmuir, 2014, 30(6): 1473–1488
CrossRef Google scholar
[24]
Yang C H, Huang K S, Lin P W, Lin Y C. Using a cross-flow microfluidic chip and external crosslinking reaction for monodisperse TPP-chitosan microparticles. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2007, 124(2): 510–516
CrossRef Google scholar
[25]
Xu J H, Li S W, Tostado C, Lan W J, Luo G S. Preparation of monodispersed chitosan microspheres and in situ encapsulation of BSA in a co-axial microfluidic device. Biomedical Microdevices, 2009, 11(1): 243–249
CrossRef Google scholar
[26]
Lu Y, He J, Luo G. An improved synthesis of chitosan bead for Pb(II) adsorption. Chemical Engineering Journal, 2013, 226: 271–278
CrossRef Google scholar
[27]
Duran A, Soylak M, Tuncel S A. Poly(vinyl pyridine-poly ethylene glycol methacrylate-ethylene glycol dimethacrylate) beads for heavy metal removal. Journal of Hazardous Materials, 2008, 155(1-2): 114–120
CrossRef Google scholar
[28]
Ozay O, Ekici S, Baran Y, Kubilay S, Aktas N, Sahiner N. Utilization of magnetic hydrogels in the separation of toxic metal ions from aqueous environments. Desalination, 2010, 260(1-3): 57–64
CrossRef Google scholar
[29]
Nguema P F, Luo Z J, Lian J J. The biosorption of Cr(VI) ions by dried biomass obtained from a chromium-resistant bacterium. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2014, 8(4): 454–464
CrossRef Google scholar
[30]
Guibal E, Milot C, Eterradossi O, Gauffier C, Domard A. Study of molybdate ion sorption on chitosan gel beads by different spectrometric analyses. International Journal of Biological Macromolecules, 1999, 24(1): 49–59
CrossRef Google scholar
[31]
Wang Z K, Hu Q L, Wang Y X. Preparation of chitosan rods with excellent mechanical properties: One candidate for bone fracture internal fixation. Science China. Chemistry, 2011, 54(2): 380–384
CrossRef Google scholar
[32]
Zhang J, Du Z, Xu S, Zhang S. Synthesis and characterization of Karaya gum/chitosan composite microspheres. Iranian Polymer Journal, 2009, 18(4): 307–313
[33]
Nisisako T, Torii T, Higuchi T. Novel microreactors for functional polymer beads. Chemical Engineering Journal, 2004, 101(1): 23–29
CrossRef Google scholar
[34]
Omi S, Senba T, Nagai M, Ma G H. Morphology development of 10-µm scale polymer particles prepared by SPG emulsification and suspension polymerization. Journal of Applied Polymer Science, 2001, 79(12): 2200–2220
CrossRef Google scholar
[35]
Shah J, Jan M R, Haq A, Khan Y.Removal of rhodamine B from aqueous solutions and wastewater by walnut shells: Kinetics, equilibrium and thermodynamics studies. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2013, 7(4): 428–436
[36]
Chung H K, Kim W H, Park J, Cho J, Jeong T Y, Park P K. Application of Langmuir and Freundlich isotherms to predict adsorbate removal efficiency or required amount of adsorbent. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2015, 28: 241–246
CrossRef Google scholar
[37]
Zhang M M, Wang R Q, Guo W, Xue T, Dai J L. Mercury (II) adsorption on three contrasting Chinese soils treated with two sources of dissolved organic matter: I. Langmuir and Freundlich isotherm evaluation. Soil & Sediment Contamination, 2014, 23(1): 49–62
CrossRef Google scholar
[38]
Jeppu G P, Clement T P. A modified Langmuir-Freundlich isotherm model for simulating pH-dependent adsorption effects. Journal of Contaminant Hydrology, 2012, 129-130: 46–53
CrossRef Google scholar

Acknowledgments

We acknowledge the support by the National Basic Research Program of China (2014CB748500) and the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51578239 and 51322805).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg
AI Summary AI Mindmap
PDF(585 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/