Removal of some heavy metals and dyes from aqueous solutions using modified silica gel.

Source
Doctoral dissertation
Author
Al-Fulaiti, Bader Khalaf Saif.
Other titles
إزالة بعض العناصر الثقيلة والصبغات من المحاليل المائية باستخدام هلام السيليكا المعدل
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2023
Language
English
Subject
Thesis Type
Doctoral dissertation
English abstract
The science of well-designed surfaces for more selective pollution control is growing. In this research study, using epichlorohydrin, silica gel was surface functionalized with α-, β-, γ- and β-hydroxypropyl-cyclodextrin (CD), and chitosan (CS) to produce Si-aCD, Si-bCD, Si-gCD, Si-hp-bCD, and Si-CS, respectively. The mass of silica gel to CD (g) was varied to be between 1:4 to 4:1 and the products were tested for the best-performing adsorbents towards the uptake of Cu(II), Pb(II), iodine, and methylene blue from aqueous solution. The selected adsorbents for Cu(II) adsorption, include Si-CD (1:4), Si-CD (1:4), Si-CD (1:4), Si-hp-CD (1:1), and Si-CS (4:1), and for both Pb(II) and MB, include Si-CD (4:1), Si-CD (2:3), Si-CD (2:3), Si-hp-CD (1:1), and Si-CS (4:1). For iodine adsorption, Si-CD (3:2), Si-CD (4:1), Si-CD (4:1), Si-hp-CD (4:1), and Si-CS (4:1) were selected. The selected adsorbents have been characterized physico-chemically including surface area and thermogravimetric analysis. The surface area of silica gel (428.3 m2 /g) has tremendously decreased on functionalization (4.23- 21.7) m2 /g. TGA (Thermogravimetric analysis) showed a thermal degradation took place around 400 oC indicating the covalent chemical bonding of immobilized CDs and CS. Cu(II), and Pb(II) showed better adsorption at initial pH of 6. The kinetic experiments showed fast adsorption following a pseudo-second-order kinetic model with the rate of adsorption increasing as temperature rises. The activation energy, Ea, was found to be less than 42 kJ/mol indicating physical adsorption. Equilibrium adsorption follows L-type isotherms with increased adsorption as the temperature rises and the adsorption data were found to fit well the Langmuir model. Pb(II) adsorption was slightly higher than Cu(II). The weak adsorption of metal onto Si-CDs is because metal is only adsorbed onto the –OH groups on the peripheries of the cyclodextrin cavities. For iodine and MB, the adsorption performance was found optimum at initial pH of 6. The kinetic experiments showed that the adsorption of both iodine and MB followed a pseudosecond-order kinetic model with an increased rate as the temperature rises. The activation energy, Ea, was found to be less than 42 kJ/mol indicating physical adsorption. The equilibrium adsorption data fit the Langmuir model more than the Freundlich model. The adsorption capacity (q) of iodine was found to decrease on temperature rise for Si-CDs, however, increases with Si-CS. This is because CD cavities do not expand on temperature rise. MB shows enhanced adsorption at a high temperature on both SiCDs and Si-CS. MB molecule is large and does not enter into the CD cavity showing an adsorption capacity of 6.0 mg/g while the small iodine molecules can be adsorbed inside the hydrophobic cavities of CD showing maximum adsorption of 714 mg/g. The selected adsorbents showed good recycle properties for Cu(II) and iodine from aqueous solution.
Arabic abstract
إن علم الاسطح المصممة جيدًا للتحكم بشكل أكثر انتقائية في التلوث آخذ في النمو.في هذه الدراسة البحثية، باستخدام ابيكلوروهايدرين، تم تحوير سطح هالم السيليكا باستخدام الفا وبيتا وجاما وهيدروكسى بروبايل بيتا سيكلوديكسترين (CD ( والشيتوزان )CS )إلنتاج السليكا -الفا سيكلودكسترين والسليكا-بيتا سيكلودكسترين والسليكا-جاما سيكلودكسترين والسليكا- هيدروكسي بروبايل بيتا سيكلودكسترين والسليكا-شيتوزان على التوالي. تباينت كتلة هالم السيليكا إلى المواد المحورة )جم( لتكون ما بين :1 4 إلى :4 1 وتم اختبار المنتجات ألفضل أداء امتزازي لكل من النحاس الثنائى، والرصاص الثنائى، واليود، و الميثيلين الازرق من المحلول المائي. وتشتمل المواد الماصة التي تم اختيارها المتزاز النحاس الثنائى علي سليكا –الفا )4:1( و سليكا-بيتا )4:1( وسليكا – جاما )4:1( وسليكا - هيدروكسي بروبايل بيتا )1:1( و سليكا- شيتوزان )1:4(. ولكل من الرصاص الثنائي والمي ثيلين الازرق ،تشمل سليكا –الفا )1:4( وسليكا- بيتا )3:2( وسليكا – جاما )3:2( وسليكا- هيدروكسي بروبايل بيتا )1:1( و سليكا- شيتوزان )1:4(. والمتزاز اليود تم اختيار سليكا –الفا )2:3( و سليكا-بيتا )1:4( وسليكا – جاما )1:4( وسليكا- هيدروكسي بروبايل بيتا )1:4( و سليكا- شيتوزان )1:4(. وتم توصيف المواد الممتزة التي تم اختيارها فيزيائيًا وكيميائيًا بما في ذلك مساحة السطح والتحليل الحراري الوزني. وقد انخفضت مساحة سطح هالم السيليكا )428.3 متر 2 2 / جم( بشكل كبير بعد تحوير السطح لتصبح مابين 21.7-4.23 متر / جم. أظهر التحليل الحراري الوزني )TGA )حدوث تدهور حراري حول 400 درجة مئوية مما يشير إلى وجود ترابط كيميائي تساهمي للمواد التي تم تثبيتها. وأظهرت دراسة امتزاز النحاس الثنائى، والرصاص الثنائى امتزازا أفضل عند درجة الرقم الهيدروجيني .6 وبينت تجارب الامتزاز الحركية وجود امتزا ًزا سريعًا يتبع نموذج حركي شبيه الرتية الثانية مع زيادة معدل الامتزاز مع ارتفاع درجة الحرارة. وتبين أن طاقة التنشيط، Ea، أقل من 42 كيلو جول / مول مما يشير إلى أن الامتزاز ممن النوع الفيزيائى. ويتبع الامتزاز منحنى ثابت الحرارة من النوع L مع زيادة الامتزاز مع ارتفاع درجة الحرارة. ووجد أن بيانات الامتزاز تتناسب بشكل جيد مع نموذج النجمير. وقد كان امتزاز الرصاص الثنائى أعلى بقليل من النحاس الثنائى. ويرجع ضعف امتزاز المعادن عل ى السليكا المحورة بالسيكلودكسترين إلى امتزاز المعادن فقط في مجموعات الهيدروكسيل على أطراف تجاويف الدكسترين الحلقي. بالنسبة لليود والميثلين الازرق، فقد وجد أن أداء الامتزاز الامثل عند درجة الرقم الهيدروجيني .6 وأظهرت التجارب الحركية أن امتزاز كل من اليود وMB يتبع نموذ ًجا حركيًا من الرتبة الثانية مع زيادة معدل مع ارتفاع درجة الحرارة. وتبين أن طاقة التنشيط لتكون أقل من 42 كيلو جول/مول مما يشير إلى وجود امتزاز من النوع الفيزيائي. وتتبع بيانات الامتزاز نموذج النجمير أكثر من نموذج فروينليش. وتبين انخفاض قدرة الامتزاز لليود مع ارتفاع درجة الحرارة علي السليكا المحورة بالسيكلودكسترين، ومع ذلك ، تزداد مع السليكا المحورة بالشيتوزان. وذلك ألن تجاويف القرص المضغوط ال تتمدد عند ارتفاع درجة الحرارة. يُظهر الميثيلين الازرق امتزا ًزا محسنًا عند درجة حرارة عالية على كل من علي السليكا المحورة بالسيكلودكسترين والسليكا المحورة بالشيتوزان. وبينت الدراسة أن جزيء الميثيلين الازرق كبير وال يدخل في تجويف السيكلودكسترين ويظهر قدرة امتزاز تبلغ 6.0 مجم / جم بينما يمكن لجزيئات اليود الصغيرة دخول التجاويف الكارهة للماء للسيكلودكسترين مما ينتج عنه أقصى امتصاص يصل الي 714 مجم / جم. وأظهرت الدراسة أيضا أن للمواد المازة المختارة خصائص إعادة تدوير جيدة لكل من النحاس ) II )واليود من المحلول المائي.
Category
Theses and Dissertations