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Chitosan membranes for wastewater treatment
Jan Engelbert Janesch
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Alexander Bismarck
DOI
10.25365/thesis.51091
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-22120.32872.909563-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Nach Cellulose ist Chitin ist das zweithäufigste Biopolymer. Im Gegensatz zur enormen Menge dieser Biomasse stehen die vergleichsweise geringen Einsatzgebiete. Chitosan, das aus Chitin durch einen einfachen Deacetylierungsschritt erhalten wird, ist aufgrund seiner ausgezeichneten Chelationseigenschaften eines der vielversprechendsten Materialien um Wasser von Schwermetallionen zu reinigen. In dieser Arbeit präsentiere ich die Herstellung von Nanopapieren aus Chitosan auf Basis von Pilzextrakten.
Aus Agaricus bisporus (Champignon) wurde durch basische Extraktion ein Chitin-Glucan-Komplex (CG) gewonnen. Die erhaltene Suspension wurde bei 100°C mit 20% (CSG20),40% (CSG40) oder 60% (CSG60) NaOH reagiert. Der gewonnene Chitosan-Glucan-Komplex (CSG) wurde mittels Elementaranalyse, Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie, Festphasen-13C-NMR-Spektroskopie und Thermogravimetrie charakterisiert. Aus diesem Material wurden über 3 h bei 120°C unter einem Gewicht von 5 kg Papiere gepresst. Die mechanischen Eigenschaften, das Zeta-Potential, die Permeanz für Wasser und die Adsorptionskapazität für Cu(II)-Ionen wurden gemessen. Außerdem wurden Gold-Nanopartikel (10 nm Durchmesser) filtriert, um die Anwendbarkeit als Membran zur Virus-Filtration zu demonstrieren. Die Elementaranalyse zeigte, dass längere Reaktionszeiten und höhere NaOH-Konzentrationen zu einer allgemeinen Erhöhung des Stickstoffanteils führten, was als Zeichen für die erfolgreiche Durchführung der Deacetylierungsreaktion interpretiert wird. Die maximale Zugfestigkeit von Papieren nahm mit höherer NaOH-Konzentration und längeren Reaktionszeiten ab. SEM-Bilder zeigten eine nanostrukturierte Oberfläche mit Fibrillen von 13 bis 17 nm Durchmesser. Der isoelektrische Punkt (IEP) von CSG40-Papieren lag bei pH 5.5 (1 h Reaktionszeit) und pH 5.2 (2 h Reaktionszeit) und damit nahe am pKa von Chitosans Aminogruppe (6.2). Der IEP von CSG20 Papieren (3.8) ähnelte hingegen eher dem IEP von CG (3.1), was die Deacetylierung in Abhängigkeit von NaOH-Konzentration und Deacetylierungsdauer unterstreicht. Die Permeanz von H2O erreichte Werte bis zu 4 L/(h*m^2*MPa). Die maximale Adsorption von Cu(II)-Ionen auf Papieren lag bei 18 mg/g (CG), 555 mg/g (CSG20) und 1687 mg/g (CSG40), was beweist, dass CSG eine viel stärkere Affinität zu Kupfer(II)-Ionen aufweist als CG. Des weiteren konnten Gold-Nanopartikel von 10 nm Durchmesser zu 100% von den Membranen gefiltert werden, was die Möglichkeit zur Filtration von Viren demonstriert.
Abstract
(Englisch)
Chitin is the second most abundant renewable macromolecule on the planet after cellulose. In contrast to that it is still an underused biomass. Chitosan, which can easily be obtained
from chitin by deacetylation, has outstanding chelation properties and is one of the most promising molecules for the removal of heavy metal ions from wastewater. Here I present the production of a chitosan-based ultrafiltration membrane from mushrooms, that also shows high affinity for Cu(II) ions.
A chitin-glucan complex (CG) was extracted from Agaricus bisporus, the common mushroom, by mild alkaline treatment. The obtained suspension was stirred at 100°C in a NaOH-solution at concentrations of 20%, 40% and 60% (w/v) (CSG20, CSG40, CSG60, respectively). The obtained chitosan-glucan complex (CSG) was characterised by elemental analysis, Fourier-transform infrared spectroscopy, solid state 13C-NMR-spectroscopy and thermogravimetric analysis. From this material, nanopapers were prepared by pressing for 3 h at 120°C under a 5 kg weight in an oven. The mechanical properties, the zeta-potential as well as the permeance for water and the adsorption capacity for copper(II) ions were determined. Furthermore, the nanopapers were tested for their ability to reject gold nanoparticles from water to demonstrate feasibility for the removal of viruses. It was shown that longer reaction times and higher NaOH concentrations did both have a positive effect on the nitrogen content of the sample, suggesting a successful deacetylation. However, tensile strength and Young's modulus of nanopapers did decrease if harsher deacetylation conditions were applied. SEM-imaging showed a nanostructured surface with fibril diameters ranging from 13 to 17 nm. The isoelectric point (IEP) of CSG20 nanopapers as determined by streaming potential measurements was at pH 3.8 and thus slightly higher than the IEP of CG nanopapers, which was at pH 3.1. The IEP of CSG40-papers was found at pH 5.5 for 1 h and pH 5.2 for 2 h reaction time in NaOH-solution, respectively, and was therefore close to the pKa of chitosan's amino group (6.2), demonstrating successful deacetylation. The permeance of nanopapers was determined in a dead end cell, whereby values of up to 4 L/(h*m^2*MPa) were reached. Continuous adsorption measurements showed a maximum adsorption capacity of 18 mg/g, 555 mg/g and 1687 mg/g for CG nanopapers, CSG20 nanopapers and CSG40 nanopapers, respectively. This demonstrated that CSG had much higher affinity to Cu(II) than CG. Gold nanoparticles of 10 nm in diameter were completely rejected by the membranes, demonstrating their applicability for ultrafiltration.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
chitosan wasterwater treatment fungal chitin-glucan fungal chitosan ultrafiltration chitosan heavy metal heavy metal adsorption nanomaterials biomaterials
Schlagwörter
(Deutsch)
Chitosan Wasseraufbereitung Pilzextrakt Chitin-Glucan Ultrafiltration Schwermetalle Adsorption Nanomaterialien Biomaterialien
Autor*innen
Jan Engelbert Janesch
Haupttitel (Englisch)
Chitosan membranes for wastewater treatment
Paralleltitel (Deutsch)
Chitosan Nanopapiere zur Wasseraufbereitung
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
81 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Alexander Bismarck
Klassifikationen
35 Chemie > 35.18 Kolloidchemie, Grenzflächenchemie ,
35 Chemie > 35.80 Makromolekulare Chemie
AC Nummer
AC15189795
Utheses ID
45129
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |