Effect of Chitin Modification on the Sorption Efficiency of Reactive Black 5 Dye

• Autorzy: Filipkowska U. , Jóźwiak T. , Bugajska P. , Skrodzka A.

Warianty tytułu

PL

Wykorzystanie niekonwencjonalnych systemów do usuwania barwnika RB5

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Around 7·10<sup5</sup> tons of dyes are produced annually to supply for the needs of the global textile, tanning and paper industry. Due to the low susceptibility of some materials to dyeing process and high solubility of dyes, up to 50% get into sewage, about 15% of which goes to the natural environment. Colored substances are mostly difficult to biodegrade, so decolorization of wastewater using biological methods used on conventional wastewater treatment plants is not effective. One of the most effective, cheap and environmentally friendly methods of removing dyes from wastewater is the adsorption process. However, the practical application of this process encounters a number of limitations, mainly due to the high cost of commercial sorbents and difficulties in their regeneration. Therefore, many studies focus on the search for cheap and effective sorbents. Recently, chitin, which is one of the most widespread biopolymers in nature, is becoming more and more popular among sorbents. According to literature data, the annual global production of chitin by living organisms reaches up to 10¹¹ tons and 120,000-200,000 tons of chitin are obtained in the world from the waste of marine invertebrates processing annually. However, not all kinds of waste from various industry sectors are characterized by a high sorption capacity for dyes. That encourages seeking various methods of modifying potential sorbents to improve this ability. The study investigated the possibility of increasing the adsorption capacity of chitin in relation to the RB5 dye by initial modification of the sorbent. Modifying factors such as ultrasound, microwaves, magnetic field and ozone were used. Due to appropriate modification, the maximum sorption capacity of chitin in relation to the anionic dye Reactive Black 5 has changed. It was found that the effectiveness of the RB5 dye on chitin was influenced by the initial concentration of the solution and the type of modifying agent. Among the tested sorbents, the highest sorption capacity of 38.02 mg/dm³ was obtained for chitin modified with magnetic field at an induction of 15 mT. The efficiency of removing the anionic dye on this sorbent was higher than the maximum sorption capacity of unmodified chitin by 25%. In order to determine the exact effect of the magnetic field on chitin, additional and more detailed studies would have to be carried out. The lowest sorption capacity was obtained for chitin treated with ozone in the amount of 2 g of O₃, where the result of 13.17 mg/dm³ was obtained. Ozonation affected negatively the sorption capacity of chitin by its partial depolymerisation and disruption of bonds, such as hydrogen bonds, responsible for the sorption of impurities in the form of anions.

PL

Na potrzeby światowego przemysłu włókienniczego, garbarskiego i papierniczego wytwarzanych jest rocznie około 7·10⁵ ton barwników. Z powodu niskiej podatności niektórych materiałów na barwienie i wysokiej rozpuszczalności barwników nawet do 50% z nich po procesie barwienia przedostaje się do ścieków, z czego koło 15% trafia do środowiska naturalnego. Substancje barwne w większości są trudno-biodegradowalne, więc dekoloryzacja ścieków za pomocą metod biologicznych stosowanych na konwencjonalnych oczyszczalniach ścieków nie jest skuteczna. Jedną z efektywniejszych, tańszych i przyjaznych dla środowiska metod usuwania barwników ze ścieków jest proces adsorpcji. Pomimo tego jej praktyczne zastosowanie napotyka na szereg ograniczeń, głównie z uwagi na wysoki koszt komercyjnych sorbentów i trudności w ich regeneracji. W związku z tym wiele badań koncentruje się na poszukiwaniu sorbentów tanich a zarazem efektywnych. W ostatnim czasie coraz większym zainteresowaniem wśród sorbentów cieszy się chityna, która jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych biopolimerów w przyrodzie. Według danych literaturowych roczna światowa produkcja chityny przez organizmy żywe osiąga nawet 10¹¹ ton, a z odpadów przetwórstwa bezkręgowców morskich rocznie na świecie pozyskuje się 120 000-200 000 ton chityny. Jednak wszelkiego rodzaju odpady z różnych sektorów przemysłu nie zawsze charakteryzują się wysoką pojemnością sorpcyjną względem barwników. W związku z tym poszukuje się różnych metod modyfikacji potencjalnych sorbentów w celu poprawienia tej zdolności. W pracy zbadano możliwość zwiększenia zdolności adsorpcyjnej chityny względem barwnika RB5 poprzez wstępną modyfikację sorbentu. Jako czynnik modyfikujący chitynę przed sorpcją wykorzystano ultradźwięki, mikrofale, pole magnetyczne i ozonowanie W wyniku odpowiedniej modyfikacji maksymalna pojemność sorpcyjna chityny względem barwnika anionowego Reactive Black 5 uległa zmianie. Stwierdzono, iż na efektywność sorpcji barwnika RB 5 na chitynie miały wpływ początkowe stężenie roztworu oraz rodzaj czynnika modyfikującego. Spośród testowanych sorbentów największą pojemnością sorpcyjną wynoszącą 38,02 mg/ dm³ charakteryzowała się chityna modyfikowana polem magnetycznym o indukcji 15 mT. Efektywność usuwania barwnika anionowego na tym sorbencie była wyższa od maksymalnej pojemności sorpcyjnej chityny niemodyfikowanej o 25%. W celu określenia dokładnego wpływu pola magnetycznego na chitynę, należałoby przeprowadzić dodatkowe i bardziej szczegółowe badania. Natomiast najniższą pojemność sorpcyjną odnotowano dla chityny poddanej działaniu ozonu w ilości 2 g O₃, gdzie uzyskano wynik 13,17 mg/ dm³. Ozonowanie negatywnie wpłynęło na zdolność sorpcyjną chityny poprzez jej częściową depolimeryzację oraz rozrywanie wiązań, takich jak wiązania wodorowe, odpowiedzialnych za sorpcję zanieczyszczeń w formie anionów.

Słowa kluczowe

EN

sorption; dye; RB5; ultrasounds; magnetic field; microwaves; ozone; chitin

PL

sorpcja; barwnik; RB5; ultradźwięki; pole magnetyczne; mikrofale; ozon; chityna

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2018
• Tom: Tom 20, cz. 1
• Strony: 616--633
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Filipkowska U.

• University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Jóźwiak T.

• University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Bugajska P.

• University of Warmia and Mazury in Olsztyn

autor

Skrodzka A.

• University of Warmia and Mazury in Olsztyn

Bibliografia

• 1. Alvarez, P.M., Beltran, F.J., Gomez-Serrano, V., Jaramillo, J., Rodriguez, E.M. (2004). Comparison between thermal and ozone regenerations of spent activated carbon exhausted with phenol. Water Research, 38(8), 2155-2165.
• 2. Ania, C.O., Parra, J.B., Menéndez, J.A., Pis, J.J. (2005). Effect of microwave and conventional regeneration on the microporous and mesoporous network and on the adsorptive capacity of activated carbons. Microporous and Mesoporous Materials, 85(1-2), 7-15.
• 3. Bathen, D. (2003). Physical waves in adsorption technology – an overview. Separation and Purification Technology, 33(2), 163-177.
• 4. Burkinshaw, S.M., Kabambe, O. (2011). Attempts to reduce water and chemical usage in the removal of bifunctional reactive dyes from cotton: Part 2 bis(vinyl sulfone), aminochlorotriazine/vinyl sulfone and bis(aminochlorotriazine/vinyl sulfone) dyes. Dyes and Pigments, 88, 220-229.
• 5. Fijałkowska, A., Nowacka, M., Witrowa-Rajchert, D. (2015). Wpływ obróbki wstępnej ultradźwiękami na przebieg suszenia oraz barwę i zawartość betalain w buraku ćwikłowym. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 581, 11-20.
• 6. Filipkowska, U., Jóźwiak, T. (2013). Application of chemically-cross-linked chitosan for the removal of Reactive Black 5 and Reactive Yellow 84 dyes from aqueous solutions. Journal of Polymer Engineering, 33, 735-747.
• 7. Filipkowska, U., Rodziewicz, J, (2012) Sorption efficiency of acid, basic and direct dyes onto chitosan, fly ashes immobilized onto chitosan and modified sawdust immobilized onto chitosan. Adsorption Science and Technology, 33(6), 461-471.
• 8. Filipkowska, U. (2005). Adsorpcja Czerni DN na chitynie modyfikowanej w reaktorze air-lift: izotermy adsorpcji i krzywe przebicia. Rocznik Ochrona Środowiska, 7, 189-204.
• 9. J Mason, T., Chemat, F., Vinatoru, M. (2011). The extraction of natural products using ultrasound or microwaves. Current Organic Chemistry, 15(2), 237-247.
• 10. Janeczko, M., Ay, P.(2007). Implikacje na temat mechanizmu procesu koagulacji/ flokulacji zastosowanych do usuwania wybranych barwników organicznych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 4, 25-27.
• 11. Je, J., Kim, S. (2006). Antimicrobial action of novel chitin derivative. Biochimica et Biophysica Acta, 1760, 104-109.
• 12. Jóźwiak, T., Filipkowska, U., Szymczyk, P., Mielcarek, A. (2016). Zastosowanie niekonwencjonalnych sorbentów do usuwania basic violet 10 z roztworów wodnych. Inżynieria Ekologiczna, 47, 95-103.
• 13. Lach, J., Okoniewska, E., Stępniak, L., & Ociepa, E. (2013). Wpływ pola ultradźwiękowego na adsorpcję kationów kadmu. Rocznik Ochrona Środowiska, 15(3), 2142-2157.
• 14. Lucas, M. S., Peres, J. A., Li Puma, G. (2010). Treatment of winery wastewater by ozonebased advanced oxidation processes (O3,O3/UV and O3/UV/H2O2) in a pilot-scale bubble column reactor and process economics. Separation and Purification Technology, 72(3), 235-241.
• 15. Machado, F. M., Bergmann, C. P., Fernandes, T. H., Lima, E. C., Royer, B., Calvete, T., Fagan, S. B. (2011). Adsorption of Reactive Red M-2BE dye from water solutions by multi-walled carbon nanotubes and activated carbon. Journal of hazardous materials, 192(3), 1122-1131.
• 16. Nair, V., Vinu ,R (2016) Peroxide-assisted microwave activation of pyrolysis char for adsorption of dyes from wastewate. Bioresource Technology, 216, 511-519.
• 17. Ostrowska-Czubenko, J., Pieróg, M., Gierszewska, M. (2016). Modyfikacja chitozanu - krótki przegląd. Wiadomości chemiczne, 70(9-10), 657-679.
• 18. Połowiński, S.(2001) Chemia fizyczna polimerów. Łódź: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej.
• 19. Robinson, T., McMullan, G., Marchant, R., Nigam, P. (2001). Remediation of dyes in textile effluent: a critical review on current treatment technologies with a proposed alternative. Bioresource Technology, 77, 247-255.
• 20. Samonin, V. V., Podvyaznikov, M. L., Chentsov, M. S., Spiridonova, E. A., & Kiseleva, V. L. (2012). Effect of AC magnetic field on adsorption of benzene and ethanol vapors by activated carbons. Russian Journal of Applied Chemistry, 85(8), 1176-1181.
• 21. Tunç, Ö., Tanacı, H., Aksu, Z. (2009). Potential use of cotton plant wastes for the removal of Remazol Black B reactive dye. Journal of Hazardous Materials, 163(1), 187-198.
• 22. Yagub, M.T., Sen, T.K., Afroze, S., Ang, H.M. (2014). Dye and its removal from aqueous solution by adsorption: A review. Advances in Colloid and Interface Science, 209, 172-184.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).