Preparation and Characterization of a Novel Porous Magnetic Chitosan-g-RMF Bead for Phenolic Compound Adsorption

Abstract

Many industries such as pharmaceuticals, dye manufacturing, fungi and pest control, petroleum refineries etc. generate a huge amount of effluents containing phenolic compounds. These Phenolic compounds have been known to exhibit toxic effects on both humans and aquatic biota. Also, consumption of potable water containing these phenolic compounds can have undesired effects on human health since they are suspected to be carcinogenic and can cause liver damage even at very low concentrations. Hence, it is essential to properly treat industrial waste containing phenols before discharge into the environment. In this study, we proposed a simple hydrothermal method to synthesize a magnetic mesoporous resin (m-RMF) and magnetic porous resin grafted onto chitosan beads (R-g-Ch) and applied it for removal of two phenolic compounds (4- Chloro phenol and phenol) via adsorption. The as-synthesized adsorbents; m-RMF and R-g-Ch were characterized using Fourier Transfer Infrared (FT-IR), scanning electronic microscopy (SEM), vibrating sample magnetometer (VSM), X-ray diffraction (XRD), thermogravimetric (TG) and derivative thermogravimetric (DTG) analysis. Batch adsorption studies were conducted under varying conditions of contact time, temperature, dosage, pH etc. to optimize the experimental conditions required for the optimum removal of phenol and 4-CP. Experimental data were then analyzed using pseudo-first order, pseudo-second order and intra-particle diffusion models. In addition, two commonly used adsorption equilibrium isotherms i.e. the Freundlich and Langmuir isotherm models were utilized to analyze the equilibrium isotherms for the adsorption of both phenolic compounds. The collected results indicate that the adsorption process fitted the Langmuir isotherm model well in both cases which implies monolayer adsorption. The maximum adsorption capacity of R-g-Ch was found to be 180.9 mg/g and 95.5 mg/g for phenol and 4-CP while that of m-RMF was 2.49 and 1.5 mmol/g respectively. Equilibrium uptake of both phenols increased with an increase in initial concentration while the adsorption was found to be highly pH dependent with maximum removal obtained in the alkaline pH. The kinetics of the adsorption process was well explained by the pseudo-second-order kinetic model. Thermodynamic parameters (Gibbs free energy ΔG° at 298K, -14.37 and -14.29 kJ mol-1, enthalpy ΔH°, -23.29 and -15.54 kJ mol-1, and entropy ΔS°, -29.9 and -4.2 J mol-1 K-1 for phenol and 4-chlorophenol respectively) were also calculated. The overall adsorption process was irreversible, spontaneous, exothermic and feasible within the range of 298.15–318K. These results suggest that both the R-g-Ch porous beads and m-RMF could be used as efficient adsorbents for remediation of waste water containing phenols and 4-CP. Keywords: Phenol, 4-Chlorophenol, Chitosan, Melamine, Resorcinol

ÖZ: Farmasötikler, boya imalatı, mantarlar ve haşere kontrolü, petrol rafinerileri vs. gibi pek çok endüstri, fenolik bileşikler içeren çok miktarda atık su üretir. Bu Fenolik bileşiklerin, hem insanlar hem de suda yaşayan biyota üzerinde toksik etkiler gösterdiği bilinmektedir. Ayrıca, bu fenolik bileşikleri içeren içilebilir su tüketiminin kanserojen olduğundan şüphelenildiğinden ve çok düşük konsantrasyonlarda bile karaciğer hasarına neden olabileceğinden insan sağlığı üzerinde istenmeyen etkileri olabilir. Bu nedenle, çevreye boşalmadan önce fenol içeren endüstriyel atıkların uygun şekilde arıtılması esastır. Bu çalışmada, kitosan taneciklerine (Rg-Ch) aşılanmış manyetik bir gözenekli reçine (m-RMF) ve manyetik gözenekli reçinenin sentezlenmesi için basit bir hidrotermal yöntem önerdik ve iki fenolik bileşiğin (4-Kloro fenol ve fenolün) adsorpsiyon yoluyla arıtılması için uygulama yapıldı. Sentezlenmiş adsorbanlar; m-RMF ve Rg-Ch, Fourier Transfer Infrared (FT-IR), taramalı elektronik mikroskopi (SEM), titreşimli örnek manyetometre (VSM), X ışını kırınımı (XRD), termogravimetrik (TG) ve türev termogravimetrik analizi (DTG) kullanılarak karakterize edildi. Fenol ve 4-CP'nin optimum şekilde arıtılması için gereken deneysel koşulları optimize etmek için çeşitli temas süresi, sıcaklık, dozaj, pH vb. Koşullar altında adsorpsiyon çalışmaları seri olarak yapılmıştır. Deneysel veriler daha sonara pseudo birinci dereceden, pseudo ikinci dereceden ve parçacık içi difüzyon modelleri kullanılarak analiz edildi. Ek olarak, yaygın olarak kullanılan iki adsorpsiyon denge izotermi, diğer bir deyişle Freundlich ve Langmuir izoterm modelleri, her iki fenolik bileşiğin adsorpsiyonu için denge izotermlerini analiz etmek için kullanılmıştır. Toplanan sonuçlar, adsorpsiyon işleminin Langmuir izoterm modelini her iki durumda da tek tabakalı adsorpsiyonla uyumlu olduğunu göstermektedir. R-g-Ch'nin maksimum adsorpsiyon kapasitesi fenol ve 4-CP için 180.9 mg / g ve 95.5 mg / g iken m-RMF'nin sırasıyla 2.49 ve 1.5 mmol / g olduğu bulundu. iki fenolün denge alımı, ilk konsantrasyondaki artışla artarken, adsorpsiyonun, alkalin pH'ta elde edilen maksimum arıtmaya bağlı olarak yüksek pH'a bağlı olduğu bulundu. Adsorpsiyon işleminin kinetiği sözde (pseudo) ikinci dereceden kinetik model ile iyi açıklanmıştır. ermodinamik parametreler (Gibbs serbest enerjisi ΔG°, 298K, -14.37 ve -14.29 kJ mol-1, entalpi ΔH°, -23.29 ve -15.54 kJ mol-1 ve entropi S°, -29.9 ve -4.2 J mol Ayrıca fenol için -1 K-1 ve sırasıyla 4-klorofenol) hesaplandı. Genel adsorpsiyon işlemi, geri dönüşümsüz, kendiliğinden, ekzotermik ve 298.15-318°K aralığında uygulanabilirdi. Bu sonuçlar, hem R-g-Ch gözenekli taneciklerinin hem de m-RMF'nin, fenoller ve 4-CP içeren atık suyun iyileştirilmesi için etkili adsorbanlar olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Fenol, 4-Klorofenol, Kitosan, Melamin, Rezorsol