The possibilities of the reagent glycidylmethacrylate immobilized on biopolymer chitosan for cations removal

Abstract

O biopolímero quitosana foi quimicamente modificado com a finalidade de inserir diferentes grupos funcionais nas cadeias pendentes, as quais contêm os centros básicos enxofre, nitrogênio e oxigênio, visando o desenvolvimento de novos materiais para a remoção de metais de solução aquosa. Em um procedimento típico, a quitosana reagiu com metacrilato de glicidila através da abertura do anel epóxido de três membros, dispondo da dupla ligação livre. Assim, esse precursor reagiu com aminas: etilenodiamina, dietilenotriamina, trietilenotetramina, 1,4-(3- aminopropil)piperazina, acetilhidrazina e com tióis: 1,2-etanoditiol e 2-aminoetanotiol. A quitosana foi também modificada com o tiocarbamato e diotiocarbamato por meio da reação de adição de Michael, em uma reação de etapa única de três componentes, empregando-se acriloilmorfolina, acrilonitrila e acrilamida como receptores. Os novos derivados modificados obtidos foram caracterizados por meio de análise elementar, espectroscopia na região do infravermelho, ressonância magnética nuclear no estado sólido para o núcleo de carbono, termogravimetria e microscopia eletrônica de varredura. Os novos materiais sintetizados foram empregados para a sorção dos cátions divalentes cobre, cádmio, chumbo e níquel, a partir de soluções aquosas, de modo a explorar as basicidades de enxofre, nitrogênio e oxigênio ligados às cadeias poliméricas. As capacidades sortivas máximas para tais cátions foram obtidas por meio de isotermas de sorção de Langmuir. A quitosana apresenta a seguinte ordem de sorção dos cátions metálicos: Cu > Cd > Ni > Pb, enquanto que para as quitosanas modificadas com amina apresentaram maiores capacidades, atingindo até o valor 2,97 mmol g para o cobre, refletindo a melhora nessa capacidade devido à incorporação de centros básicos, o que difere do valor da quitosana de 1,40 mmol g, para o mesmo cátion. Já as quitosanas modificadas com tióis apresentaram maiores capacidades para o chumbo. Quando a quitosana foi modificada com tiocarbamato os valores de sorção foram 2,54 e 1,65 mmol g para chumbo e cádmio, respectivamente, refletindo o efeito interativo dos ácidos com a propriedade mole do enxofre. Os dados experimentais foram ajustados aos modelos de isoterma de sorção de Langmuir, Freundlich e Temkin, usando os métodos de regressão linear e não linear. Quatro tipos de equações lineares de Langmuir foram utilizados para a melhor comparação desses ajustes. Há uma pequena variação entre as constantes de isoterma calculadas por meio dos métodos linear e não linear para os modelos de isotermas. No entanto, os valores das funções de erro para não linear são menores do que os determinados pelo método linear. As funções de erro para os sistemas lineares, os valores previstos das constantes de Langmuir e coeficiente de determinação são diferentes para cada tipo de equação de Langmuir linearizada. O valor do coeficiente de determinação obtido a partir de Langmuir do tipo 1 é maior do que os das outras três equações linearizadas e do que os dos modelos de Freundlich e Temkin, sugerindo que esse modelo é o que melhor se ajusta aos dados experimentais. Assim, essa forma linear foi a mais adequada para descrever os dados experimentais, em comparação com os outros dois modelos propostos.Biopolymer chitosan was chemically modified in order to insert different functional groups on the pendant chains, which contain nitrogen, sulfur and oxygen basic centers to develop new materials for metal removal from aqueous solution. In a typical procedure chitosan reacted with glycidylmethacrylate through opening the three member epoxide ring, disposing double bond free. Thus, this precursor reacted with amines: ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, 1,4-(3-aminopropyl)piperazine, acetylhydrazine and thiols: 1,2- ethanedithiol and 2-aminoethanethiol. Chitosan was also modified with thiocarbamate and dithiocarbamate moieties through Michael¿s reaction based on a single step three component using acryloilmorpholine, acrylonitrile and acrylamide as acceptors. The new derivatives obtained were characterized by elemental analysis, infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance in the solid-state for the carbon nucleus, thermogravimetry and scanning electron microscopy. The chemically modified materials were employed to divalent cation sorptions such as copper, lead, cadmium and nickel from dilute aqueous solutions, in order to explore the Lewis basic properties of sulfur, nitrogen and oxygen centers attached to polymeric chains of the biopolymers. The maximum sorption capacities for cations were obtained through Langmuir sorption isotherms. Chitosan presents the following sorption order for metallic cations Cu > Cd > Ni > Pb, while the chemically modified chitosan containing amine showed higher capacity, reaching 2.97 mmol g for copper, reflecting the improvement in sorption capacity, since the amount of copper on pristine chitosan gave 1.40 mmol g. Thiols chitosan derivatives gave highest sorption capacity for lead. When chitosan was modified with thiocarbamate the sorption values were 2.54 and 1.65 mmol g for lead and cadmium, respectively, reflecting the interactive effect of these acids with the soft sulfur property. The experimental data were adjusted to the Langmuir, the Freundlich and the Temkin sorption isotherm models using both linear and non linear regression methods. Four types of Langmuir linear equations were used for better comparison of linear and non linear regression methods. There is a small variation between isotherm constants calculated by linear and nonlinear methods for isothermal models. However, the values of the error functions for non linear are much lower than that determined by the linear method. The error functions for linear systems, the predicted values of the Langmuir constants and coefficient of determination are different for each type of linearized Langmuir equation. The value of the coefficient of determination obtained from Langmuir type 1 is higher than that of the other three linearized equations, the Freundlich and the Temkin models, suggesting that Langmuir type 1 is the bestfitting isotherm compared to the other linear forms. Thus, this linear form is more suitable to describe the experimental data, than the other two models