ĆW. 7 BIOSPRPCJA. 4. Materiały

Transkrypt

1 ĆW. 7 BIOSPRPCJA. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest ocena możliwości wykorzystania biosorbentów do usuwania metali ze ścieków. Wyznaczenie stałych występujących w równaniach opisujących równowagę i kinetykę procesu biosorpcji, określenie maksymalnej ilości miedzi związanej przez biosorbent. 2. Literatura Klimiuk E., Łebkowska M. (2005). Biotechnologia w ochronie środowiska. Wydawnictwo Naukowe PWN. Kotrba P., Mackova M., Macek T., (20). Microbial Biosorption of Metals. Springer Dordrecht Heidelberg London New York Aksu Z., (200). Equilibrium and kinetic modelling of cadmium(ii) biosorption by C. vulgaris in a batch system: effect of temperature Separation and Purification Technology, Volume 2, Issue 3, January, Zakres wymaganych wiadomości Podstawowe definicje: sorpcja, adsorpcja, absorpcja, biosorpcja, biosorbent, sorbat; Czynniki wpływające na zdolność wiązania metali przez biosorbent, mechanizmy usuwania metali ze ścieków (wymiana jonowa, adsorpcja, mikroprecypitacja, kompleksowanie i chelatowanie, miejsca wiążące); modelowanie biosorpcji (izoterma Langmuira i Freundlicha), model kinetyki adsorpcji. 4. Materiały Biosorbenty wraz sugerowanymi ilościami wykorzystywanymi w ćwiczeniu ( biosorbent na zespół): osad czynny (zawiesina 0 lub 20 cm 3 ) od prowadzącego otrzymać suchą masę; zawiesina drożdży żywych Saccharomyces cerevisiae (0 lub 20 cm 3 ) od prowadzącego otrzymać suchą masę zawiesina martwej biomasy drożdży Saccharomyces cerevisiae (0 lub 20 cm 3 ) od prowadzącego otrzymać suchą masę otręby kukurydziane Corn-Mix ( lub 2 g) torf mchowy lub kora dębu ( g) zrębki bukowe (2 g) inny dostępny biosorbent (właściwości biosorbentu podaje prowadzący) Sprzęt lab.: dwie zlewki l, 2 cylindry miarowe 00 ml, 5 kolbek > 00 ml, 0 probówek szklanych, sączki, statyw na probówki, lejki do probówek, pipeta 0 ml, waga Oznaczenie miedzi Tiosiarczan sodowy roztwór 0,0N Bufor octanowy ph ok. 4,3 Jodek potasowy 50% roztwór Skrobia 0,5% roztwór Sprzęt lab.: kolbka do miareczkowania, biureta

2 Wprowadzenie Biosorpcja jest procesem polegającym na wiązaniu i akumulacji metali na powierzchni komórek. Składniki chemiczne również martwej biomasy są zdolne do pobierania metali z roztworów. Proces ten jest szybki i łatwo jest odzyskać metal i ponownie wykorzystać zregenerowany biosorbent. Proces biosorpcji nie jest jednoznacznie zdefiniowany i jest wynikiem następujących procesów jednostkowych i mechanizmów: adsorpcji jonowymiennej (wymiana jonów metali z jonami zajmującymi miejsca aktywne osłon komórkowych mikroorganizmów), powierzchniowego wytrącania metali (mikroprecypitacji), reakcji chemicznych z metabolitami wydzielanymi na zewnątrz komórki i gromadzenia i krystalizacji powstałych produktów w obrębie osłon komórkowych, kompleksowania, chelatowania. Proces ten polega na wzajemnym oddziaływaniu sorbat-sorbent, substancja rozpuszczonarozpuszczalnik, warunkowanym przez oddziaływanie sił elektrostatycznych, kowalencyjnych i van der Waalsa. W procesie biosorpcji może być wykorzystywana biomasa komórek mikroorganizmów (grzybów, bakterii, drożdży) stanowiąca produkt uboczny w przemyśle farmaceutycznym czy fermentacyjnym, biomasa w procesach oczyszczania ścieków, mikroorganizmy hodowane i namnażane na specjalnych podłożach i wykazujące zdolność do bardzo efektywnego wiązania metali czy ich biotransformacji, biopreparaty, np.: AMT-BIOCLAM, sorbenty pochodzenia roślinnego i zwierzęcego np.: kora bogata w taniny, rośliny morskie, humus, torf mchowy, modyfikowana bawełna, wełna, chityna, chitosan, alginian. Biosorpcja metali przebiega w złożony sposób. Do celów interpretacji wyników badań usuwania metali z roztworów wodnych oraz optymalizacji procesu wielu autorów wykorzystywało modele izotermy adsorpcji Freundlicha lub Langmuira. Izotermy adsorpcji przedstawiają równowagową zależność między masą zaadsorbowanego metalu (Q) na jednostkę masy adsorbentu, a równowagowym stężeniem metalu w roztworze (C). Wg teorii Freundlicha liczba zaadsorbowanych molekuł przy całkowitym pokryciu powierzchni adsorbentu nie może być większa od liczby miejsc aktywnych, a powstała warstwa izoluje działanie sił adsorpcyjnych, uniemożliwiając powstawanie następnych warstw teoria sorpcji monomolekularnej. Równanie Freundlicha przedstawia się następująco: n Q e = kc e () Q e - masa sorbowanego metalu [mg/g s.m.] C e - stężenie równowagowe adsorbowanej substancji w roztworze [mg/dm 3 ] k stała adsorpcji Freundlicha określająca ilość adsorbowanej substancji na jednostkę masy adsorbenta n stała Freundlicha powiązana z powinowactwem lub siłą wiązania. Model Freundlicha jest modelem empirycznym. Oznacza to, że nadawanie znaczenia jego parametrom powinno być unikane. Wyznaczenie parametrów modelu wymaga przekształcenie równania do postaci liniowej: logq e = n logc e + logk (2) Wg teorii Langmuira, na powierzchni adsorbentu znajdują się miejsca aktywne, w których adsorbują się cząsteczki adsorbatu. Po przyłączeniu adsorbatu powstaje jednocząsteczkowa warstwa adsorpcyjna

3 zwana monowarstwą. Ilość zaadsorbowanej substancji zależy od pojemności adsorpcyjnej monowarstwy oraz powinowactwa adsorpcyjnego adsorbatu do adsorbentu. Równanie izotermy adsorpcji Langmuira ma postać: Q e = Q max b C e +b C e (3) Q e - masa zaadsorbowanego metalu w stanie równowagi [mg/g s.m. ], b - stała równowagi (określa siłę wiązania metalu przez biomasę) [dm 3 /g s.m. ], C e równowagowe stężenie adsorbowanego metalu w stanie równowagi [mg/dm 3.], Q max - maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy biosorbentu (maksymalna ilość związanych jonów metalu na jednostkę masy biosorbentu) [mg/g s.m. ]. Wyznaczenie parametrów modelu również wymaga przekształcenia równania do postaci liniowej: C e Q e = Q max C e + Q max b (4) Pojemność adsorpcyjna jest głównym miernikiem przydatności mikroorganizmów do usuwania metali przez biosorpcję. Inne ważne czynniki: łatwość flokulacji bądź unieruchomienia mikroorganizmów, stała efektywność usuwania metali w szerokim zakresie odczynu, sprawność usuwania metali, łatwość desorpcji i możliwość wielokrotnego użycia biosorbentów, koszty procesu. Optymalny odczyn sorpcji zależy zarówno od rodzaju metalu jak i adsorbentu. Kinetyka biosorpcji - model pseudo-i-rzędowy Model kinetyczny opisuje proces sorpcji, a w szczególności proces w układach ciało stałe ciecz. Szybkość zajmowanych miejsc wiążących jest proporcjonalna do ilości miejsc niezwiązanych. Równanie ma postać: dq = k(q dt e Q) (5) k stała szybkości (pseudopierwszorzędowej reakcji biosorpcji [/min] Q e ilość zaadsorbowanych jonów metalu na powierzchni biosorbentu w stanie równowagi [mg/g s.m. ] Q (t) ilość zaadsorbowanych jonów metalu na powierzchni biosorbentu po czasie t trwania procesu [mg/g s.m. ] Rozwiązanie modelu przybiera postać: Postać zlinearyzowana: Q(t) = Q e ( e kt ) ln (Q e Q) = kt + lnq e (5a) (5b)

4 5. Wykonanie ćwiczenia Zadanie. Określenie równowagi biosorpcji (temperatura pokojowa) Przygotowanie roztworów soli miedzi (CuSO 4 5H 2 O) masa cząsteczkowa 249,6 [g/mol] poszczególne zespoły przygotowują po 500 cm 3 roztworu o stężeniach w przeliczeniu na Cu: zespół 00 mg Cu 2+ /dm 3 zespół 2 50 mg Cu 2+ /dm 3 zespół mg Cu 2+ /dm 3 zespół mg Cu 2+ /dm 3 zespół mg Cu 2+ /dm 3 Następnie każdy z zespołów zostawia sobie 50 cm 3 roztworu przez siebie zrobionego, a od pozostałych zespołów przejmuje po 50 cm 3 roztworów o pozostałych stężeniach. Natomiast do zadania 2 powinno zostać 250 cm 3 roztworu. Znane masy biosorbentu (przydzielonego przez prowadzącego/lista w dziale Materiały ) wprowadzić do 5 zlewek/kolbek o pojemności > 00 cm 3, a następnie do poszczególnych zlewek wprowadzić 50 cm 3 roztworu zawierającego sól CuSO 4 5H 2 O o powyższych stężeniach. Szkło należy ponumerować i podpisać. Tak przygotowane zlewki wstawić na 60 minut na wytrząsarkę. Po tym czasie przesączyć na sączku po ok. 20 cm 3 zawiesiny do probówek. Z klarownego przesączu pobrać do analizy 0 cm 3 roztworu i oznaczyć stężenie Cu 2+. Obliczyć zawartość miedzi w roztworze i ilość miedzi zaadsorbowanej na biosorbencie w mg/g adsorbentu. Opracować wyniki eksperymentu korzystając z modelów izoterm Langmuira lub Freundlicha (sporządzić wykres). Zadanie 2. Określenie kinetyki biosorpcji (temperatura pokojowa) Kinetykę biosorpcji określić rejestrując zmiany stężenia miedzi w czasie trwania procesu. Do zlewki o objętości >300 cm 3 z naważką sorbentu (masa biosorbentu wyrażona na l roztworu powinna być identyczna z tą w zadaniu ) wprowadzić 250 cm 3 roztworu Cu o stężeniu początkowym jak w przygotowywanym roztworze w zadaniu. Zawiesinę mieszać na wytrząsarce lub w łaźni ultradźwiękowej (zależnie od rodzaju biosorbentu). Pobierać próbki w określonych odstępach czasu w ilościach takich, aby otrzymać po filtracji 0 cm 3 roztworu do analizy. Filtrat zbierać do probówek ustawionych w statywie metalowym. Należy pamiętać, że początkowy okres biosorpcji jest najważniejszy, bowiem w ciągu pierwszych 0 5 minut sorpcji w przypadku osadu czynnego ma miejsce usunięcie około 85 90% ilości metalu. Proponowane czasy pomiaru: 5, 0, 5, 20, 45, 60, 80 minut. (Porównywać ilość cm 3 tiosiarczanu sodu zużywanego w poszczególnych czasach. Jeżeli ta ilość jest zbliżona można prowadzić analizę w większych odstępach czasowych). Jedna z osób zespołu prowadzi pobór próbek i filtrację, natomiast druga tylko miareczkowanie.

5 Wykonanie oznaczenia miedzi Związki miedziowe w zbuforowanym środowisku kwaśnym o ph ok. 4 wydzielają jod z jodku potasowego, redukując się do soli miedziawych. Równoważną ilość wydzielonego jodu oznaczamy miareczkowo za pomocą roztworu tiosiarczanu sodowego: Cu J - = CuJ + J J 2 + 2S 2 O 3 2- = 2J - + S 4 O 6 2- Miareczkowanie: Do 0 cm 3 badanej próbki dodać 5 cm 3 buforu octanowego, cm 3 50% KJ oraz 0,5 cm 3 0,5% roztworu skrobi. Miareczkować tiosiarczanem sodowym do odbarwienia (kolor biały). Obliczenia wyników miareczkowania X = (a b 000)/V [mg Cu/l] X zawartość Cu w cm 3 próbki [mg] a ilość roztworu tiosiarczanu użyta do miareczkowania b współczynnik przeliczeniowy dla cm 3 roztworu tiosiarczanu 0,025 N, który wynosi,589 mg Cu lub 0,6356 mg Cu dla roztworu 0,0 N V objętość miareczkowanej próbki [cm 3 ] Wyniki Należy wyznaczyć parametry Freundlicha i Langmuira oraz równania kinetyki biosorpcji. Wyniki przedstawić na wykresie wg zaleceń prowadzącego.