PREPARATION OF CELLULOSE BASED ION EXCHANGE RESINS FROM WATER HYACINTH FOR THE REMOVAL OF HEAVY METAL CATIONS FROM WASTE WATER

Abstract

Presently, heavy metal pollution in natural water resources is one of the most important environmental problems. The purpose of this research is to develop the novel cellulose-based ion exchange resins from water hyacinth for the removal of heavy metal cations from wastewater. The resins were prepared via esterification reaction between cellulose with three different chelating agents as phthaloyl chloride (PTC), pyromellitic dianhydride (PMDA), and benzophenone tetracarboxylic dianhydride (BPTCD). The mole ratios of cellulose to the chelating agent were 1:1 and 1:3. The chemical structure, crystallinity index, surface morphology, and thermal stability of resins were characterized by FTIR, XRD, SEM, and TGA, respectively. Heavy metal cations adsorptions were studied at the conditions i.e., initial metal cation concentration of 100 ppm, stirring rate of 400 rpm, pH of 5, and resin dosage of 1.0 g/L at room temperature. The residual concentration of heavy metal cations was measured by ICP. The Cell-BPTCD11 resin showed the highest adsorption capacities of Pb2+, Cd2+, Cu2+, and Ni2+ from single and multi-metal aqueous solutions. The resin showed high adsorption capacities of more than 90 mg/g. Consideration of the effect of parameters on heavy metal cations adsorption capacity, it was found that the contact time, resin dosage, initial metal cation concentration, stirring rate, and pH could be strongly influenced on heavy metal cations adsorption capacity. This metal adsorption process accorded with Pseudo-second-order model and Langmuir isotherm model. In addition, the resin regeneration studies indicated that the resin also showed high removal efficiency of more than 65% at the third cycle time of adsorption-desorption process. From the results, the novel cellulose-based ion exchange resins i.e., Cell-BPTCD11 could be suitable for the removal of pollutants from wastewater. Furthermore, the Cell-BPTCD11 resin was also eco-friendly and relatively low cost.

ในปัจจุบันนั้นปัญหาโลหะหนักที่ปนเปื้อนในแหล่งน้ำต่าง ๆ ถือได้ว่าเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมหนึ่งที่มีความสำคัญ ในงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อทำการพัฒนาเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกชนิดใหม่จากเซลลูโลสในผักตบชวาสำหรับใช้ในการกำจัดไอออนบวกของโลหะหนักออกจากน้ำเสีย โดยที่เรซินนี้ถูกสังเคราะห์ขึ้นผ่านการทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันระหว่างเซลลูโลสกับสารคีเลตที่มีความแตกต่างกัน 3 ชนิด ได้แก่ Phthaloyl chloride (PTC), Pyromellitic Dianhydride (PMDA) และBenzophenone tetracarboxylic dianhydride (BPTCD) โดยใช้อัตราส่วนโดยโมลระหว่างเซลลูโลสจากผักตบชวาต่อสารคีเลตเป็น 1:1 และ 1:3 จากนั้นโครงสร้างทางเคมี ความเป็นผลึกลักษณะทางสัณฐานวิทยา และเสถียรภาพทางความร้อนของเรซินเหล่านี้จะถูกวิเคราะห์โดยใช้เทคนิค FTIR, XRD, SEM และ TGA ตามลำดับ ในขณะที่ความสามารถในการดูดจับไอออนบวกของโลหะหนักถูกทำการศึกษาที่สภาวะ ได้แก่ ความเข้มข้นเริ่มต้นของสารละลายไอออนโลหะหนัก 100 ppm อัตราการกวน 400 rpm pH เท่ากับ 5 โดยใช้ปริมาณเรซิน 1.0 กรัมต่อลิตร ที่อุณหภูมิห้อง และปริมาณของโลหะหนักที่เหลือถูกวัดโดยใช้เทคนิค ICP โดยพบว่า เรซินเซลลูโลสจากผักตบชวาต่อสารคีเลต 1:1 (Cell-BPTCD11) มีความสามารถในการดูดจับไอออนบวกของโลหะหนักจำพวกตะกั่ว แคดเมียม ทองแดง และ นิกเกิลออกจากสารละลายที่มีโลหะหนักชนิดเดียวและโลหะหนักหลายชนิดผสมกันได้มากที่สุด โดยปริมาณการดูดจับไอออนโลหะหนักที่สภาวะสมดุลสูงกว่า 90 มิลลิกรัมต่อกรัมของเรซิน นอกจากนี้จากการศึกษาผลของอิทธิพลต่างๆ ต่อความสามารถในการดูดซับไอออนบวกของโลหะหนัก พบว่า เวลา ปริมาณเรซิน ปริมาณไอออนโลหะหนัก อัตราการกวน และ pH ส่งผลอย่างมากต่อความสามารถในการดูดจับไอออนบวกของโลหะหนัก ทั้งนี้กระบวนการดูดซับที่เกิดขึ้นนี้ยังมีความสอดคล้องกับแบบจำลองจลนพลศาสตร์การดูดซับตามสมการอัตราเร็วปฏิกิริยาเทียมอันดับที่สองและแบบจำลองไอโซเทอร์มของแลงค์เมียร์ ในขณะที่จากการศึกษาการฟื้นฟูสภาพของเรซินที่ผ่านการใช้งานแล้วบ่งชี้ว่าเรซินนี้ยังคงมีประสิทธิภาพในการดูดจับไอออนบวกของโลหะหนักทั้งสี่ชนิดนี้ที่สูงมากกกว่า 65% หลังจากผ่านกระบวนการดูดซับ-คายซับจำนวน 3 ครั้ง ดังนั้น จากผลการทดลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าสามารถนำเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกจากเซลลูโลสในผักตบชวา Cell-BPTCD11 นี้มาประยุกต์ใช้ในการกำจัดไอออนบวกของโลหะหนักที่มีการปนเปื้อนอยู่ในน้ำเสียหรือน้ำทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรมได้จริง อีกทั้งเรซิน Cell-BPTCD11 นี้ยังมีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีต้นทุนในการผลิตที่ค่อนข้างต่ำ