THE SYNTHESIS OF CHITOSAN-BASED HYDROGEL USING MICROWAVE-ASSISTED IRRADIATION FOR ADSORPTION OF HEAVY METAL IONS

Abstract

This work presents a method for Chitosan/Polyvinyl alcohol/Polyvinylpyrrolidone (CS/PVA/PVP) hydrogel synthesis using microwave-assisted irradiation to initiate and accelerate three-dimensional structure formation for the application of metal ion adsorption. The optimum ratio of CS:PVA:PVP was 0.3:0.6:0.3 g, respectively. Epichlorohydrin was used as cross-linking agent under 600 W of microwave irradiation for 3 minutes. The gel swelling degree and gel fraction of the synthesized hydrogel were 1627.4% and 22.96%, respectively. The SEM images revealed a large number of porous structures in the CS/PVA/PVP hydrogel network. In addition, the reaction mechanism of the hydrogel network formation was elucidated by infrared spectrometry. In the case of individual ion adsorption, the efficiencies of CS/PVA/PVP hydrogel toward different metal ions, including copper, lead, cadmium and nickel in descending order. Furthermore, the different pH values of the metal ion solutions resulted in insignificant differences in terms of the adsorption capacity. However, adsorption capacity was different when applying the hydrogel to a mixed metal ion solution. Adsorption isotherm studies indicated that the adsorption behavior of the synthesized hydrogels could be described following the Langmuir isotherm Besides, the desorption of CS/PVA/PVP hydrogel were studied and 0.1 M EDTA was considered to be a good candidate for the desorption of metal ions, providing high elution efficiency, approximately 91.13% of copper ion elution.

งานวิจัยนี้เสนอวิธีการสังเคราะห์ไฮโดรเจลจาก Chitosan/Polyvinyl alcohol/ Polyvinylpyrrolidone (CS/PVA/PVP) โดยการใช้คลื่นไมโครเวฟเป็นแหล่งพลังงานกระตุ้นให้เกิดเป็นโครงสร้างสามมิติขึ้น เพื่อประยุกต์ใช้ในการดูดซับไอออนของโลหะหนัก โดยอัตราส่วนของ CS:PVA:PVP ที่เหมาะสมในการสังเคราะห์ คือ 0.3:0.6:0.3 กรัม ตามลำดับ โดยใช้อีพิคลอโรไฮดรินเป็นสารเชื่อมขวางและให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟที่กำลังไฟฟ้า 600 วัตต์ เป็นเวลา 3 นาที จากการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพ และเอกลักษณ์ของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจลพบว่าประสิทธิภาพในการบวมน้ำ และสัดส่วนความเป็นเจลของไฮโดรเจลมีค่าเท่ากับ 1627.4% และ 22.96% ตามลำดับ รวมถึงภาพถ่าย SEM แสดงโครงร่างตาข่ายและรูพรุนของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจล นอกจากนี้ผู้วิจัยได้ศึกษาการเกิดเป็นโครงร่างตาข่ายของไฮโดรเจล ด้วยเทคนิคอินฟาเรดสเปคโทเมตรี (Infrared Spectrometry) จากการศึกษาประสิทธิภาพในการดูดซับไอออนโลหะหนักของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจลที่สังเคราะห์ขึ้น พบว่าปริมาณการดูดซับไอออนของโลหะหนักที่ใช้ในการศึกษาจากมากไปน้อย คือ ทองแดง ตะกั่ว แคดเมียม และ นิกเกิล ตามลำดับ โดยที่ค่า pH ของสารละลายไอออนโลหะดังกล่าวไม่มีนัยสำคัญต่อปริมาณการดูดซับไอออนโลหะหนักของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจล แต่แนวโน้มปริมาณการดูดซับไอออนโลหะหนักของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจลแตกต่างไป เมื่อทำการศึกษาในสารละลายไอออนโลหะผสม ส่วนผลการศึกษาไอโซเทอร์มการดูดซับของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจล พบว่ามีพฤติกรรมที่สอดคล้องกับการดูดซับแบบแลงเมียร์ นอกจากนี้ผู้วิจัยได้ศึกษาการนำกลับมาใช้ไหม่ของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจล พบว่าสารละลาย 0.1 M EDTA เหมาะสมที่จะนำมาใช้ในกระบวนการชะไอออนของโลหะออกจาก CS/PVA/PVP ไฮโดรเจล เนื่องจากมีร้อยละการชะไอออนของทองแดงเท่ากับ 91.13 % และคงลักษณะทางกายภาพของ CS/PVA/PVP ไฮโดรเจลไว้ได้ดี