Production and characterization of chitosan immobilized on substrates targeting metal ions adsorption

A quitosana é um polímero natural muito estudado devido à sua boa capacidade adsorvente. A aplicação deste biopolímero para remoção de metais pesados tem sido estudada desde o início dos anos 1970 sendo que o número de trabalhos sobre este tema cresceu rapidamente desde então. No entanto, o uso da quitosana como adsorvente em maior escala enfrenta alguns obstáculos, devido à sua baixa resistência mecânica. Uma possível alternativa para melhorar aspectos mecânicos e que também contribui para uma melhor transferência de massa do adsorbato no adsorvente é a imobilização da quitosana em matrizes sólidas utilizando-se técnicas de recobrimento de partículas. Neste contexto, este trabalho visou investigar a imobilização da quitosana em substratos para a aplicação em sistemas de adsorção. Inicialmente foram testados como suporte para imobilização da quitosana vidro, polipropileno, borracha vulcanizada, porcelana e tecido de algodão. O substrato de vidro, utilizado na forma de esferas, apresentou melhor interação com a solução de recobrimento e características adequadas para aplicação em processos de adsorção. As esferas de vidro foram recobertas por diferentes métodos utilizando quitosana 2,5% (m/v) em solução de ácido acético 3% (v/v). O material recoberto foi utilizado em sistemas de adsorção em batelada e contínuo a fim de se analisar a capacidade de remoção de cobre pelo filme de quitosana. Dentre as diferentes técnicas de revestimento estudadas, o processo por "dip coating" obteve um revestimento homogêneo e apresentou boa aderência do filme ao substrato. A natureza da superfície a ser recoberta e a temperatura da solução de recobrimento foram variadas objetivando-se melhorar a fixação da camada de quitosana no suporte, sendo esta ultima variável a mais importante para as condições estudadas. As isotermas de adsorção indicaram um aumento na capacidade de adsorção com o aumento da temperatura na qual ocorre a adsorção. Os dados foram mais bem representados pela isoterma de Langmuir, indicando que o principal fenômeno de adsorção se assemelha a adsorção em monocamada. Observou-se que a capacidade máxima de adsorção encontrada em 25 º C foi semelhante a outros sistemas de adsorção de cobre utilizando quitosana relatados na literatura. Verificou-se um melhor ajuste para o modelo cinético de pseudo-segunda ordem, sugerindo que o fator limitante para a transferência de massa é a reação química. Os estudos de adsorção dinâmica usando as esferas recobertas em sistema de leito fixo demonstraram a possibilidade de seu uso com resultados promissoresChitosan is a natural polymer largely studied because of its good adsorption capacity. The application of this biosorbent for heavy metal removal has been studied since early 1970s and the number of papers in this subject has grown quickly ever since. However, the use of this material in larger scale faces some barriers due to its low mechanical strength. A possible alternative to improve mechanical resistance and also enhance mass transfer is the immobilization of chitosan onto solid matrices using particle coating techniques. In this context, this study investigates the immobilization of chitosan onto solid supports and its application on adsorption systems. It was tested as support for chitosan immobilization glass, polypropylene, vulcanized rubber, porcelain and cotton. The glass support, used in bead form, has shown the best interaction with the coating solution and good characteristics for application in adsorption processes. Glass beads were coated by different methods using chitosan 2.5% w/v in acetic acid 3% v/v solution. The coated material was used in batch and continuous adsorption systems to analyze the copper removal capacity of the chitosan film. Among the different coating techniques studied, the dip coating procedure formed a homogeneous coating and presented an acceptable film adhesion to the substrate. Variables such as type of surface to be covered and temperature of the coating solution were analyzed on the fixation of the coated material on the substrate. The latter variable affected the most in the studied condition. Adsorption isotherms indicated an increase in the adsorption capacity along with the increase of adsorption temperature. The data were better fitted by Langmuir model, which indicates that the main phenomenon that occurred approaches to a monolayer-type adsorption. The maximum adsorption capacity was found at 25ºC and its value was similar to other copper adsorption systems reported in the literature. The mechanism of sorption showed a better fitting to the second order kinetic model, suggesting that the limiting factor to mass transfer is the chemical reaction. The dynamic adsorption studies using the coated beads in a fixed bed system demonstrated the possibility of its use with promising result