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

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.

Key words： chitosan microsphere; microfluidic technology; adsorption; copper (II)

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).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

17 Zhou D, Zhang L, Guo S L. Mechanisms of lead biosorption on cellulose/chitin beads. Water Research, 2005, 39(16): 3755–3762

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

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

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

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

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

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

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

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

26 Lu Y, He J, Luo G. An improved synthesis of chitosan bead for Pb(II) adsorption. Chemical Engineering Journal, 2013, 226: 271–278

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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