BIOSORPCJA JONÓW CHROMU (III) Z ROZTWORÓW WODNYCH

Transkrypt

1 BIOSORPCJA JONÓW CHROMU (III) Z ROZTWORÓW WODNYCH Zaostrzanie dopuszczalnych limitów stężeń zanieczyszczeń spowodowało, że konwencjonalne metody oczyszczania ścieków z jonów metali toksycznych (np. wymiana jonowa, procesy elektrochemiczne, wytrącanie i/lub procesy membranowe) stały się niewystarczające i zbyt kosztowne. Dlatego w ostatnich latach coraz większą uwagę poświęca się procesom biosorpcji i bioakumulacji polegających na wiązaniu jonów metali z roztworów wodnych przez odpowiednio nieżywy lub żywy materiał biologiczny. BIOSORBENTY NATURALNE Bioorpcja jest pasywnym procesem wiązania związków chemicznych do powierzchni sorbentu. Wiązanie metali przez materiał biologiczny zależy od budowy ściany komórkowej. Ściana komórkowa składa się głownie z polisacharydów, lipidów i protein, posiadających grupy funkcyjne takie jak karboksylowa, hydroksylowa, sulfonowa, fosforytowa i aminowa, które tworzą potencjalne miejsca wiążące dla jonów metali. Mechanizm wiązania metali przez nieaktywną biomasę może zależeć od rodzaju i ładunku jonu, rodzaju biomasy (jej pochodzenie) i składu roztworu. Osłony komórki bakteryjnej są utworzone z: - błony cytoplazmatycznej, - ściany komórkowej - polimerów, występujących u bakterii zewnątrzkomórkowych. Błona cytoplazmatyczna składa się z dwóch nieprzepuszczalnych dla elektronów warstw białek przedzielonych warstwą fosfolipidów. Udział fosfolipidów w masie błony komórkowej stanowi 40%. Każda cząsteczka fosfolipidów zawiera część polarną

2 zbudowaną z grupy fosforanowej i glicerolu (ma ona hydrofilowy charakter a więc jest rozpuszczalna w wodzie) oraz część niepolarną zbudowaną z kwasów tłuszczowych (wykazuje hydrofobowy charakter i jest nierozpuszczalna w wodzie). Białka występujące w błonie cytoplazmatycznej dzieli się na: - białka peryferyczne, przylegające do warstwy lipidowej po stronie wewnętrznej i zewnętrznej, słabo z nią związane, - białka integralne wnikające w głąb warstwy lipidowej, silnie z nią związane; białka te to permeazy oraz białka uczestniczące w transporcie wykorzystującym system grup translokacyjnych. Do podstawowych funkcji błony cytoplazmatycznej należy: - transport substancji pokarmowych i innych do komórki i wydalanie zbędnych produktów metabolizmu, - udział w procesach oksydacyjnoredukcyjnych, - wydzielanie enzymów hydrolitycznych rozkładających makrocząsteczki na mniejsze, - uczestniczenie w syntezie ściany komórkowej. Ściana komórkowa bakterii Gram-dodatnich zbudowana jest mureiny i kwasów tejchojowych. Pod względem chemicznym mureina jest polimerem zbudowanym z powtarzających się jednostek utworzonych z N-acetyloglukozoaminy oraz kwasu N- acetylomuraminowego, połączonych wiązaniem beta-1,4-glikozydowym. Do każdej cząsteczki przyłączone są krótkie boczne łańcuchy peptydowe, które mogą być połączone ze sobą poprzecznymi mostkami peptydowymi. Mureina w ścianach bakterii Gram-dodatnich tworzy struktury wielowarstwowe i może stanowić 90% materiału ściany komórkowej. Kwasy tejchojowe są z kolei polimerami składającymi się z powtarzających się jednostek glicerolu lub rybitolu, połączonych wiązaniem fosfodiestrowym. Są one powiązane z mureiną lub błoną cytoplazmatyczną za pomocą wiązań kowalencyjnych. Ściana komórki bakterii Gram-ujemnych zbudowana jest z kilku warstw: mureiny, lipoproteiny, błony zewnętrznej. Mureina składa się tylko z jednej do maksymalnie trzech warstw, stanowiąc 5-20 % materiału ściany komórkowej i jest mniej usieciowana poprzecznie. Lipoproteina wiąże błonę zewnętrzną z mureiną. Część białkowa lipoproteiny połączona jest wiązaniem peptydowym z bocznym łańcuchem peptydowym mureiny, a część lipidowa związana jest z lipidami błony zewnętrznej. Błona zewnętrzna bakterii składa się z białek, fosfolipidow i lipopolisacharydow. Nie zawiera kwasów tejchojowych (typowych dla bakterii Gram-dodatnich). Błona zewnętrzna

3 jest w małym stopniu przepuszczalna dla substancji o charakterze hydrofilowym. Część rzeczywistej przepuszczalności tej błony zależy od jej białek. Białka błony zewnętrznej, które uczestniczą w transporcie do komórki, zwane są porynami. Przez nie mogą dyfundować rożnego rodzaju substancje. Dzieli się je na: - poryny specyficzne, które umożliwiają przechodzenie ściśle określonych substancji - poryny niespecyficzne umożliwiające przepuszczanie cząsteczek o określonej wielkości i hydrofilowym charakterze. Fosfolipidy stanowią wewnętrzną warstwę błony zewnętrznej. Lipopolisacharyd - charakterystyczny składnik dla bakterii Gram-ujemnych, umiejscowiony jest w zewnętrznej warstwie błony. Zbudowany jest z trzech składników: lipidu A, wielocukru rdzeniowego i O-swoistego łańcucha cukrowego. Bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne mogą syntetyzować i wydzielać substancje o charakterze polimerów. Polimery tworzące zbitą warstwę ściśle otaczającą komórkę i ściśle z nią związaną nazywa się otoczką. Gdy polimery tworzą warstwę luźno związaną z komórką, przybierając formę włókienek sterczących na zewnątrz komórek, nazywa się je glikokaliksem. Jeżeli polimery są całkowicie odłączone od komórki bakteryjnej, ale ją otaczają, nazywa się je warstwą śluzową. Polimery te mogą być: polisacharydami, polipeptydami lub polisacharydopolipeptydami. Polisacharydy zbudowane są z: cukrów, aminocukrów i kwasów uronowych. Funkcje i właściwości zewnątrzkomórkowych polimerów są różnorodne i zależą w dużym stopniu od sposobu ich ukształtowania wokół komórki. Egzoplimery poza ochroną komórki przed wysychaniem i szkodliwymi czynnikami, wpływają także na przechodzenie związków chemicznych do jak i z komórki. Chityna polisacharyd glukozy, w strukturze podobny do celulozy, zbudowana z merów acetyloglukozoaminowych. Chitosan polisacharyd glukozy, zbudowany z merów glukozoaminy (pancerz skorupiaków: krewetek) Glukan polisacharyd, składnik ścian komórkowych (drożdży, grzybów). Mannan polisacharyd zbudowany z mannozy RODZAJE BIOSORBENTÓW NATURALNYCH Rolę sorbentów naturalnych mogą pełnić różnorodne materiały organiczne. Przede wszystkim mogą to być odpady pochodzące z przemysłu spożywczego, drzewnego i pozostałości z przemysłu rolniczego.

4 Do tej grupy odpadów można zaliczyć m.in. obierki z owoców i warzyw, łuski orzechów, pestki, słomę oraz korę drzewną itp. Doświadczenia wykonano również na zmielonych (frakcja o uziarnieniu 0,1 0,2 mm) łuskach i łodygach ryżu, łupinach orzechów ziemnych, skórkach bananów, włóknach kokosowych, trocinach z drzewa tekowego, liściach z drzewa mango i z drzewa figowego, fusach herbaty oraz kawałkach trawy. Funkcje sorbentów naturalnych z powodzeniem mogą spełniać także odpady pochodzące z innych gałęzi przemysłu. Sorpcję metali ciężkich można również badać na materiałach organicznych np. glonach, wodorostach, mchach i grzybach. Przykładowe wyniki otrzymane dla wymienionych sorbentów podano w tabeli 2. MODYFIKACJA POWIERZCHNI SORBENTÓW NATURALNYCH maskują miejsca aktywne sorbentu. Naturalne właściwości sorpcyjne materiałów organicznych można zwiększać poprzez modyfikację ich powierzchni. Do tego celu wykorzystywane są metody chemiczne jak i fizyczne. Badania poświęcone aktywacji sorbentu naturalnego przedstawili m.in. Nadeema R. i jego zespół. Przedmiotem ich badań był wysuszony wywar gorzelniczy (Tabela obok). Użyty sorbent został poddany obróbce termicznej (ogrzewanie w piecu i gotowanie w wodzie), ciśnieniowej oraz chemicznej (m.in. działanie HCl, H 2SO 4, NaOH). Wszystkie stosowane reagenty podawano w postaci 0,1 N roztworów. Wyniki badań, potwierdziły, że zarówno fizyczna, jak i chemiczna modyfikacja powierzchni sorbentu zwiększa jego maksymalną pojemność sorpcyjną. Wykazały również, że obróbka chemiczna jest bardziej skuteczna w porównaniu z obróbką fizyczną. Dzięki gotowaniu i obróbce ciśnieniowej sorbent został pozbawiony mineralnych składników, co spowodowało odsłonięcie centrów adsorpcji na jego powierzchni. Ogrzewanie w piecu rozłożyło materię organiczną i tym samym zwiększyło dostępność adsorbowanych jonów do miejsc aktywnych sorbentu. Kwasy zwiększają zdolności sorpcyjne poprzez zwiększenie powierzchni aktywnej i porowatości sorbentu. Natomiast traktowanie zasadą może m.in. niszczyć lipidy i białka, które WIĄZANIE METALI PRZEZ BIOMASĘ Wiązanie jonów metali przez materiał pochodzenia biologicznego może zachodzić na drodze sorpcji (biosorpcja) i akumulacji (bioakumulacja). Biosorpcja i bioakumulacja to interakcje zachodzące w środowisku naturalnym pomiędzy metalami a biomasą. Akumulacja wykorzystuje zdolności akumulacyjne żywych komórek w odróżnieniu od sorpcji która zachodzi na komórkach nie wykazujących aktywności metabolicznych. Biosorpcja jest procesem szybkiego oraz odwracalnego wiązania jonów metali z roztworów wodnych przez nieżywą biomasę. Proces ten jest niezależny od metabolizmu komórki. Wiązanie jonów metali może zachodzić zgodnie z mechanizmem adsorpcji fizycznej, wymiany jonowej, sorpcji chemicznej, kompleksowania, chelatowania czy też mikrostrącania. Literatura podaje, że jony metali są adsorbowane przez biosorbenty w wyniku ich oddziaływania z grupami funkcyjnymi (np. karboksylowa, hydroksylowa, aminowa, fosforylowa) znajdującymi się na powierzchni ściany komórkowej biosorbenta. Wśród biosorbentów naturalnych wyróżniamy: materiały pochodzenia roślinnego: algi, bakterie, grzyby (drożdże), mchy (torfowce) i zwierzęcego: kości zwierzęce i skorupki jaj. Biosorpcja charakteryzuje się tym, iż jest procesem selektywnym, wydajnym i uniwersalnym, odnoszącym się do nieżywej biomasy. Może być prowadzona w szerokim zakresie ph (od 3 do 9) i temperatury (4 do 90 C), nie wymaga wysokich nakładów inwestycyjnych, koszty operacyjnie są niskie. Stan równowagi zarówno adsorpcji, jak i desorpcji jest osiągany bardzo szybko. Materiały biologiczne wiążące jony metali są często tanie i mogą pochodzić z przemysłowej hodowli biomasy lub być produktem odpadowym z przemysłu. W przypadku oczyszczania ścieków z wykorzystaniem procesu biosorpcji, otrzymywany jest oczyszczony ściek oraz biomasa ze związanymi jonami metali. Jony te wiązane są przez komórki w sposób odwracalny, co umożliwia ich odzysk oraz regenerację biomasy i jej ponowne wykorzystanie w kolejnym cyklu biosorpcji. Liczba cykli biosorpcja - desorpcja zależy od właściwości fizycznych i mechanicznych biosorbenta. Możliwość regeneracji biomasy jest bardzo istotna z punktu widzenia efektywności biosorpcji jako metody oczyszczania ścieków. Jony metali związane z biomasą można odmywać rozcieńczonymi kwasami mineralnymi, na przykład kwasem solnym lub azotowym, albo roztworem EDTA o stężeniu 0,01-0,1 mol/dm 3. W przypadku zastosowania tanich i ogólnodostępnych biosorbentów, proces regeneracji przestaje być opłacalny. Biomasę wraz ze związanymi jonami metali można wówczas spopielić. Spalanie wzbogaconej biomasy posiada dwie zalety: otrzymany popiół stanowi koncentrat danego metalu oraz metoda ta pozwala na utylizację zużytej biomasy, która nie nadaje się do powtórnego wykorzystana w procesie biosorpcji. Dodatkowo, w procesie spalania uzyskiwana jest energia. Metoda ta jest alternatywą dla procesu desorpcji. Ponowne wykorzystanie takich odpadów stanowi wyzwanie dla naukowców. Głównym czynnikiem odpowiedzialnym za zachodzenie tych procesów jest budowa ściany komórkowej, charakterystyka w właściwości powierzchni materiału biologicznego, bo to pomiędzy jej składnikami a jonem metalu zachodzą fizykochemiczne oddziaływania, pozwalające na wiązanie ich do powierzchni. Ściana komórkowa zawiera głownie polisacharydy, lipidy i białka, które w swojej strukturze posiadają wiele miejsc charakteryzujących się zdolnością wiązania metalu.

5 BIOSORPCJA Bioorpcja jest pasywnym procesem wiązania związków chemicznych do powierzchni sorbentu. Wiązanie metali przez materiał biologiczny zależy od budowy ściany komórkowej. Ściana komórkowa składa się głownie z polisacharydów, lipidów i protein, posiadających grupy funkcyjne takie jak karboksylowa, hydroksylowa, sulfonowa, fosforytowa i aminowa, które tworzą potencjalne miejsca wiążące dla jonów metali. Mechanizm wiązania metali przez nieaktywną biomasę może zależeć od rodzaju i ładunku jonu, rodzaju biomasy (jej pochodzenie) i składu roztworu. Biosorpcja to rodzaj immobilizacji opierający się na kilku mechanizmach: - chemisorpcja - wymiana jonowa - kompleksowanie - adsorpcja fizyczna, które jakościowo i ilościowo zależą od rodzaju biomasy i jej pochodzenia. Biosorpcja tłumaczy wszystkie procesy zachodzące w ścianie komórkowej, nie uzależnione od metabolizmu komórki, jak fizyczna i chemiczna adsorpcja a także mikrostrącanie. MECHANIZM SORPCJI Biosorpcję można podzielić na cztery etapy: 1. transport sorbatu z objętości roztworu do warstwy cieczy otaczającej powierzchnie biomasy, 2. transport sorbatu (jony metalu) z warstwy granicznej do powierzchni biomasy (dyfuzja zewnętrzna), 3. transport z powierzchni biomasy do wewnętrznych miejsc wiążących (dyfuzja wewnętrzna) 4. reakcje z sorbatu z miejscem aktywnym. Dwa pierwsze etapy (dyfuzja zewnętrzna) i czwarty zachodzą bardzo szybko, natomiast etap trzeci czyli dyfuzja wewnętrzna ma ograniczoną szybkość i to ten etap ma duży wpływ na ustalenie się stanu równowagi. W wyniku wyższego stężenia jonów metalu w środowisku zewnętrznym niż wewnętrznym, jony te mogą przenikać na drodze powolnej dyfuzji do wnętrza komórki przez ścianę komórkową. Procesy te, są niezależne od metabolizmu. Zawartość protein w błonie komórkowej biomasy wynosi ok. 16%, aminokwasy wchodzące w ich skład w swej budowie posiadają grupy funkcyjne. Grupy karboksylowa i aminowa z takich aminokwasów jak imidazol czy histydyna, czy tez azot albo tlen z wiązań peptydowych mogą w sposób koordynacyjny wiązać jony metali, czemu może towarzyszyć wypieranie protonów. Polisacharydy z błony komórkowej są także źródłem grup aminowych, karboksylowych i sulfonowych. Literatura podaje, że dominującym mechanizmem sorpcji jest wymiana jonowa, biomasa posiada związane jony metali lekkich jak K +, Na +, Ca 2+ i Mg 2+, z grupami funkcyjnymi występującymi w błonie, a które normalnie występują w jej środowisku. W trakcie procesu sorpcji jony te zostają wyparte przez jony innych metali, a ich stężenie w roztworze po sorpcji jest większe niż przed procesem. W momencie uwolnienia jonów metali lekkich ma miejsce pobranie protonów (ph po sorpcji jest wyższe niż przed) i jonów metali ciężkich. Związanie jonów metali z biosorbentem (sorbentem) na zasadzie adsorpcji fizycznej zachodzi wskutek interakcji elektrostatycznych i sił Van de Waalsa. Może także zachodzić strącanie zewnątrzkomórkowe wyniku reakcji jonu metalu ze składnikami błony komórkowej. OPIS MATEMATYCZNY W stanie równowagi istnieje określony podział adsorbatu między fazę roztworu i fazę adsorbentu. Gdzie ilość substancji rozpuszczonej, adsorbowanej na jednostkę masy adsorbentu, jest przedstawiana jako funkcja stężenia substancji rozpuszczonej, pozostającej w roztworze w stałej temperaturze. Wyrażenie takie jest nazywane izotermą adsorpcji. q e = f(c e ) temp (1) UKŁAD JEDNOSKŁADNIKOWY Szeroko stosowanym modelem opisu równowagi sorpcji jest równanie izotermy Langmuira. Teoria Langmuira zakłada że: - na powierzchni adsorbentu znajduje się określona liczba miejsc aktywnych, zdolnych do wiązania adsorbatu; ich liczba jest proporcjonalna do wielkości powierzchni; - jednemu miejscu aktywnemu odpowiada jedna cząsteczka adsorbatu; - ma miejsce adsorpcja zlokalizowana. Czyli cząsteczka adsorbatu nie ma możliwości swobodnego przemieszczania się po powierzchni adsorbentu; - nie występują wzajemne oddziaływania pomiędzy zaadsorbowanymi cząsteczkami adsorbatu; - powstała warstwa adsorpcyjna zmniejsza oddziaływanie sil adsorpcyjnych, co uniemożliwia powstawanie następnych warstw. Jeżeli [S] będzie stężeniem równowagowym wolnych miejsc aktywnych adsorbentu czyli pojemnością sorpcyjną [mg/g], [A] stężenie równowagowym adsorbatu [mg/l], a [SA] stężeniem równowagowe zaabsorbowanej substancji [mg/l], to proces adsorpcji można zapisać w postaci równania: S + A SA (2) a stalą procesu adsorpcji można wtedy przedstawić jako:

6 K ads = [SA] [S] [A] (3) [S] T = [S] + [SA] (4) gdzie [S] T - to maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy adsorbentu [mg/g], czyli gdy wszystkie miejsca aktywne na powierzchni adsorbentu są zajęte przez cząsteczki adsorbatu, z równań (2) i (3) otrzymujemy równanie (4) i kolejne (5): K ads = K ads = więc przekształcając do postaci [SA] ([S] T +[SA]) [A] [SA] [S] T [A]+[SA] [A] (5) (6) [SA] = [S] T K ads [A] 1+K ads [A] (7) otrzymujemy zapis izotermy Langmuira, Tradycyjne równanie Langmuira wyraża się wzorem: K L C e q e = q max (8) 1+K L C e q e - masa zaadsorbowanej substancji(metalu) [mg/g]; K L - stała w równaniu Langmuira [l/mg]; C e - równowagowe stężenie substancji (metalu) w roztworze [mg/l]; q max - maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy adsorbentu [mg/g]. Równanie to jest prawdziwe, jeżeli po linearyzacji zależność: 1 q e = f ( 1 C e ) jest linią prostą. A otrzymane z lineralizacji stałe K L i q max oddają nam naturę sorbenta, i pozwalają nam na porównanie procesu biosorpcji. Stała K L izotermy Langmuira określa jak stroma jest izoterma, czyli jak duże jest powinowactwo sorbenta do sorbatu. Jeżeli natomiast stanowi linię łamaną to można przypuszczać że substancja jest wiązana na sorbencie przez więcej niż jeden rodzaj miejsc aktywnych i wtedy równanie Langmuira przyjmuje postać: q e = q max 1 K L 1 Ce K L 1 Ce 1 + q max K L 2 Ce 2 1+K L 2 Ce 2 (9) Każdy rodzaj miejsc aktywnych charakteryzują stałe: odpowiednio q max K L i q max K L Rys. 1 Wykres izotermy Langmuir a Parametr K L jest miarą powinowactwa i wydajności sorpcji różnych biomas, duży współczynnik K L wskazuje na duże powinowactwo dla absorbatu, i odpowiada nachyleniu wykresu izotermy sorpcji w początkowym zakresie. Najbardziej pożądane są biosorbenty o najwyższej możliwej q max i najwyższym współczynniku K L. Jednym z założeń teorii Langmuira jest to, że energia adsorpcji dla wszystkich miejsc (centrów) aktywnych jest taka sama i nie zależy od stopnia pokrycia powierzchni cząstkami adsorbatu. W praktyce jednak jest inaczej, a zostało to uwzględnione w izotermie adsorpcji Freundlich a, postaci: q e = K F C e 1 n (10)

7 gdzie: K F i n(1/n) to stale adsorpcji w równaniu Freundlich a, C - stężenie adsorbowanej substancji(metalu) w roztworze w stanie równowagi [mg/l], q e -masa zaadsorbowanej substancji (metalu) [mg/g]. Wykładnik na ogół przyjmuje wartości mniejsze niż 1, co oznacza że stężenie powierzchniowe adsorbatu wzrasta wolniej niż jego stężenie w roztworze, nie osiągamy nasycenia, ponieważ na powierzchni występują zawsze miejsca o wysokiej energii adsorpcji (Rys. 2). Rys. 2 Izoterma Freundlich a w zależności od współczynnika n Znacznie częściej stosowaną izotermą jest izoterma Langmuira, miedzy innymi ze względu na łatwość interpretacji wyników. Jedną z podstawowych różnic jest ta, że w izotermie Freundlich a nie można określić q max (Rys.3). Rys. 3 Porównanie izoterm Langmuira i Freundlich a BIOAKUMULACJA Biokumulacja może być traktowana jako drugi etap wiązania metalu w procesie aktywnej sorpcji. I jest bardzo często określana jako aktywna biosorpcja. Ponieważ proces bioakumulacji dotyczy komórek żywych, na wydajność tego procesu duży wpływ ma metabolizm komórki, a co za tym idzie wszystkie czynniki które wpływają na jego mechanizm również regulują wiązanie jonów metali ze środowiska zewnętrznego. Bioakumulacji to akumulacja we wnętrzu komórki. Proces ten dotyczy wiązania metalu przez składniki wewnątrzkomórkowe, wewnątrzkomórkowego strącania, metyzacją, reakcji redukcji i utleniania. Jest ona często związana z reakcja obronną organizmu i wymaga dłuższego czasu na transport i akumulację w cytoplazmie w stosunku do początkowego natychmiastowego wiązania jonów metali do powierzchni komórki. Wrażliwość żyjących komórek na ekstremalne wartości ph, wysokie stężenie metalu i konieczność dostarczania energii metabolicznej są głównymi ograniczeniami dla zastosowania akumulacji w wiązaniu jonów metali. Wysokie stężenie soli, obecność innych składników w roztworze mogą limitować wzrost mikroorganizmów, co z kolei hamuje wiązanie jonów metali z roztworu. Wykorzystując mikroorganizmy (biosorbenty) wyizolowane z zanieczyszczonych

8 rejonów, można poszerzyć zakres stężeń metalu w których można przeprowadzić proces bez niekorzystnego wpływu na mikroorganizm. Wykorzystanie żywych mikroorganizmów do wiązania jonów metali pozwala uniknąć konieczności stosowania procedury poprzedzającej proces sorpcji. PORÓWNANIE BIOSORPCJI I BIOAKUMULACJI Tabela 1 Różnice pomiędzy biosorpcją i bioakumulacją Wykazano ze pojemność biosorpcyjna jest znacznie większa w stosunku do akumulacji w większych stężeniach, jedynie w wąskim zakresie niższych stężeń proces akumulacji osiągał lepsze rezultaty. Tłumaczy się to destrukcyjnym wpływem dużych stężeń jonu metalu na ścianę komórkową wskutek czego komórka traci zdolności wiążące. W procesie akumulacji, w związku z tym że jest to proces zależny od metabolizmu komórki, nie jesteśmy w stanie do końca przewidzieć reakcji komórki na obecność jonu w środowisku zewnętrznym. Rys. 4 Porównanie mechanizmów sorpcji i akumulacji Metody wiązania jonów metali, z wykorzystaniem mikroorganizmów w procesie akumulacji ze względu na konieczność stosowania pożywki, trudności związanie z prowadzeniem hodowli i zmienność zachowania mikroorganizmów w zależności od panujących warunków, mają ograniczone zastosowanie w oczyszczaniu ścieków przemysłowych. Natomiast biosorpcja jest metodą która osiąga bardzo dobre wyniki w oczyszczaniu ścieków przemysłowych z toksycznych jonów metali ciężkich, ze względu na jej wysoka selektywność i wydajność. CEL ĆWICZENIA Celem części doświadczalnej jest poznanie procesu wiązania jonów metali przez materiał biologiczny w procesie biosorpcji. ODCZYNNIKI: - rozdrobniona biomasa (skorupki jaj, pasza, torf, słoma, trociny, algi, drożdże itp.), - uwodniony azotan chromu Cr(NO 3) 3 x 9H 2O - EDTA - kwas solny 0,1 mol/dm 3, - sodu wodorotlenek 0,1 mol/dm 3, - woda destylowana, - bibuła filtracyjna jakościowa (średnia)/sączki celulozowe. OZNACZENIE JONÓW Cr(III) METODĄ KOLORYMETRYCZNĄ Wersenian disodu w słabo kwaśnym środowisku (ph 4-5) tworzy z jonami chromu (III) fioletowy kompleks (Rys. 5), który ma maximum absorpcji przy długości światła λ=540 nm. Stanowi to podstawę kolorymetrycznego oznaczania stężenia jonów chromu Cr 3+. Na zimno kompleks tworzy się bardzo powoli, znacznie szybciej natomiast na gorąco.

9 Rys. 5 Kompleks Cr-EDTA KRZYWA WZORCOWA 1. Do wykreślenia krzywej wzorcowej należy przygotować osiem roztworów jonów chromu (III) w zakresie stężeń mg/l (10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200 mg/l). 2. W tym celu do kolbek stożkowych o pojemności 100 cm 3 wprowadzamy odpowiednią ilość wody dejonizowanej i odpowiednią ilość roztworu roboczego azotanu chromu Cr(NO 3) 3 x 9H 2O o stężeniu 200 mg/l, tak aby końcowa objętość roztworu wynosiła 20 ml. 3. ph każdego z roztworów należy ustawić na Do ośmiu szklanych probówek wprowadzamy odpowiednio po 4 ml każdego roztworu jonów chromu (III), dodajemy po 95 mg EDTA i ogrzewamy 10 min w 95 C. 5. Równolegle przygotowujemy w probówce szklanej próbę kontrolną (4 ml wody dejonizowanej i 95 mg EDTA). 6. Z krzywej zależności A 540 = f(c) można oszacować nieznane stężenie jonów Cr(III). WYKONANIE KINETYKA PROCESU BIOSORPCJI 1. Należy przygotować 100 ml roztworu Cr(III) o stężeniu 50 mg/l wykorzystując roztwór roboczy azotanu chromu Cr(NO 3) 3 x 9H 2O o stężeniu 200 mg/l. 2. ph roztworu należy ustalić na Przygotowanym roztworem zalewamy odpowiednią ilość biomasy (stężenie biomasy powinno wynosić 2g/l). 4. Należy określić stężenia początkowe jonów chromu (C o [mg/l]) w roztworze i kolejnych pobranych próbkach w równych odstępach czasu, np. 5 lub 10 minut. 5. Pobieramy ok. 5 ml roztworu jonów chromu, oddzielamy biosorbent od roztworu na sączku celulozowym (zestaw filtracji próżniowej) lub na sączku z bibuły filtracyjnej. 6. W klarownym roztworze określamy stężenie jonów chromu C e [mg/l]. 7. Do probówki szklanej wprowadzamy 4 ml klarownego roztworu, dodajemy 95 mg EDTA, a następnie inkubujemy probówkę przez 10 min w temperaturze 95 C o. 8. Po inkubacji odczytujemy wartości absorbancji A 540 względem kontroli (4ml wody destylowanej i 95 mg EDTA inkubowanej przez 10 min w temperaturze 95 C o. 9. Wyniki zestawić w tabeli i na wykresie. WYKONANIE STATYKA PROCESU BIOSORPCJI 1. Należy przygotować w ośmiu kolbkach (100 ml) po 25 ml roztworów Cr(III) o znanym stężeniu (10, 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200 mg/l), wykorzystując roztwór roboczy azotanu chromu Cr(NO 3) 3 x 9H 2O. 2. ph każdego z roztworów należy ustawić na Należy określić stężenia początkowe (C o [mg/l]) jonów chromu w poszczególnych roztworach. 4. Następnie do każdego roztworu wprowadzamy biosorbent w ilości 2 g/l i całość inkubujemy przez 30 lub 60 minut na wytrząsarce (150 rpm) w odpowiedniej temperaturze. 5. Po zakończeniu inkubacji biosorbent oddzielamy od roztworu na sączku celulozowym (zestaw filtracji próżniowej) lub na sączku z bibuły filtracyjnej. 6. W klarownym roztworze określamy stężenie jonów chromu C e [mg/l]. 7. Do probówki szklanej wprowadzamy 4 ml klarownego roztworu, dodajemy 95 mg EDTA, a następnie inkubujemy probówkę przez 10 min w temperaturze 95 C o. 8. Po inkubacji odczytujemy wartości absorbancji A 540 względem kontroli (4ml wody destylowanej i 95 mg EDTA inkubowanej przez 10 min w temperaturze 95 C o. 9. Wyniki zestawić w tabeli i na wykresie izotermy Langmuira. Obliczyć stałe modelu Langmuira. WYKONANIE MODYFIKACJA POWIERZCHNI SORBENTÓW NATURALNYCH 1. Należy przygotować w dwóch kolbkach (100 ml) po 25 ml roztworów Cr(III) o znanym stężeniu (np.: 50 mg/l), wykorzystując roztwór roboczy azotanu chromu Cr(NO 3) 3 x 9H 2O. 2. ph każdego z roztworów należy ustawić na Należy określić stężenia początkowe (C o [mg/l]) jonów chromu w roztworach. 4. Następnie do pierwszej kolbki wprowadzamy wybrany biosorbent w ilości 2 g/l i inkubujemy przez 30 lub 60 minut na wytrząsarce (150 rpm) w odpowiedniej temperaturze. 5. Równolegle do drugiej kolbki wprowadzamy taki sam biosorbent, ale poddany modyfikacji (kwas, zasada, perhydrol, temperatura) i inkubujemy w analogicznych warunkach 6. Po zakończeniu inkubacji biosorbenty oddzielamy od roztworów na sączku celulozowym (zestaw filtracji próżniowej) lub na sączku z bibuły filtracyjnej. 7. W klarownym roztworze określamy stężenie jonów chromu C e [mg/l]. 8. Do probówki szklanej wprowadzamy 4 ml klarownego roztworu, dodajemy 95 mg EDTA, a następnie inkubujemy probówkę przez 10 min w temperaturze 95 C o. 9. Po inkubacji odczytujemy wartości absorbancji A 540 względem kontroli (4ml wody destylowanej i 95 mg EDTA inkubowanej przez 10 min w temperaturze 95 C o. 10. Wyniki zestawić w tabeli.

10 OPRACOWANIE WYNIKÓW Parametrem określającym jakość biosorbenta jest rzeczywista pojemność sorpcyjna, określana jako: q e = (C o C e ) V m (11) gdzie: C o - stężenia początkowe metalu w roztworze [mg/l]; C e - stężenie równowagowe metalu w roztworze [mg/]; V objętość roztworu [l] m masa sorbentu [g] Izotermę adsorpcji Langmuira jonów metalu przez biosorbent, tzn. zależność ilości jonów metalu zaadsorbowanych przez jednostkę masy biosorbent q e od stężenia roztworu po osiągnięciu stanu równowagi C em opisuje równanie: q e = q max K L C e 1+K L C e (12) Postać liniową równania Langmuira przedstawia równanie: 1 = 1 q e + (13) q max K L q max C e gdzie: q e rzeczywista pojemność sorpcyjna metalu (mg/g); C e stężenie równowagowe metalu w roztworze [mg/]; q max - maksyma pojemność adsorpcyjna monowarstwy adsorbentu (mg/g) K L stała Langmuira (l/mg) 1 Z wykresu izotermy wyznaczyć stałe K L [l/mg] i q max [mg/g] SPRAWOZDANIE Wyniki kinetyki procesu biosorpcji Czas [min] A 540 C e [mg/l] q e [mg/g] Biororbent = Wykres przedstawiający kinetykę procesu sorpcji ( zależność czasu od q e)

11 Wyniki statyka procesu biosorpcji Warianty stężeń A 540 C o [mg/l] A 540 C e [mg/l] q e [mg/g] Cr(III) Biosorbent = Równanie izotermy Langmuira opisujące statykę procesu (y = ax +/- b) = Parametry modelowe: q max = b = R 2 = Wyniki modyfikacja powierzchni sorbentu Rodzaj sorbentu A 540 C o [mg/l] A 540 C e [mg/l] q e [mg/g] Biosorbent = Metoda modyfikacji sorbentu = Wydajność procentowa procesu biosorpcji (ubytek procentowy ilości jonów chromu w roztworze po zastosowaniu sorbentów przed i po modyfikacji; porównanie skuteczności metody modyfikacji sorbentu) = Literatura: Instrukcja do ćwiczeń Ćw. II Usuwanie jonów chromu ze ścieków CZĘŚĆ II Usuwanie Cr(III) ze ścieków metodą biosorpcji. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, OCHRONA ŚRODOWISKA W TECHNOLOGII CHEMICZNEJ