OCHRONA ŚRODOWISKA W TECHNOLOGII CHEMICZNEJ Ćw. II Usuwanie jonów chromu ze ścieków CZĘŚĆ II Usuwanie Cr(III) ze ścieków metodą biosorpcji. - 1 -
WPROWADZENIE Ciągłe 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. 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. Akumulacji 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 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. W przypadku, gdy biomasa alg jest tania i ogólnodostępna, proces regeneracji przestaje być opłacalny. Biomasę wraz ze związanymi jonami metali można wówczas spopielić. Spalanie wzbogaconej biomasy alg 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. BIOSORPCJA Bioorpcja jest pasywnym procesem wiązania związków chemicznych do powierzchni sorbentu. Wiązanie metali przez materiał biologiczny zależy od budowy ich ściany komórkowej, która składa się głownie z polisacharydów, lipidów i protein, które mają grupy funkcyjne takie jak karboksylowa, hydroksylowa, sulfonowa, fosforytowa i aminowa które tworzą potencjalne miejsc 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, który opiera się na kilku mechanizmach, jak: 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: - -
(i) transport sorbatu z objętości roztworu do warstwy cieczy otaczającej powierzchnie biomasy, (ii) transport sorbatu (jony metalu) z warstwy granicznej do powierzchni biomasy (dyfuzja zewnętrzna), (iii) transport z powierzchni biomasy do wewnętrznych miejsc wiążących (dyfuzja wewnętrzna) i (iv) 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 + i Mg +, 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 izoterma adsorpcji. C ( ) temp q = f (1) - 4 -
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/dm ], a [SA] stężeniem równowagowe zaabsorbowanej substancji [mg/dm ], to proces adsorpcji można zapisać w postaci równania: S+ A SA, () a stalą procesu adsorpcji można wtedy przedstawić jako: K ads [ SA] [ S] [ A] = () [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 () i () otrzymujemy równanie (4) i kolenie (5): K K ads ads [ SA] ([ S] + [ SA] ) [ A] = (5) T [ SA] [ S] [ A] + [ SA] [ A] więc przekształcając do postaci [ SA] [ S] = (6) T Kads [ A] = T (7) 1+ K [ A] ads otrzymujemy zapis izotermy Langmuira, Tradycyjne równanie Langmuira wyraża się wzorem: - 5 -
q = q max K L 1+ K C L C q - masa zaadsorbowanej substancji(metalu) [mg/g]; K L- stała w równaniu Langmuira [dm /mg]; C - równowagowe stężenie substancji (metalu) w roztworze [mg/dm ]; q max- maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy adsorbentu [mg/g]. Równanie to jest prawdziwe jeżeli po linearyzacji zależność 1 q 1 = f C (8) jest linią prostą. A otrzymane z lineralizacji stałe K L i q max oddają nam naturę sorbenta, i pozwalają nam na porównanie procesu Biosorpcja. Stała K L izotermy Langmuir a 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 Langmuir a przyjmuje postać: q K C K C = q (9) 1 max 1 1 L L + q max 1 1 1+ K L C 1+ K L C Każdy rodzaj miejsc aktywnych charakteryzują stałe: odpowiednio q 1 1 max K L i q max K L. Rysunek 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 Langmuir a jest to, że energia adsorpcji dla wszystkich miejsc (centrów) aktywnych jest taka sama i nie zależy od stopnia pokrycia powierzchni cząstkami - 6 -
adsorbatu. W praktyce jednak jest inaczej, a zostało to uwzględnione w izotermie adsorpcji Freundlich a, postaci: q = K F C 1 n (10) 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/dm ], q -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 (Rysunek ). Rysunek Izoterma Freundlich a w zależności od współczynnika n Znacznie częściej stosowaną izotermą jest izoterma Langmir a, miedzy innymi ze względu na łatwość interpretacji wyników. Jedną z podstawowych różnic jest ta, że w izotermie Freundlich a nie można określić q max (Rysunek.). - 7 -
Rysunek Porównanie izoterm Langmuir a 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 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. - 8 -
PORÓWNANIE BIOSORPCJI I BIOAKUMULACJI Tabela 1 Różnice pomiędzy biosorpcją i bioakumulacją Biosorpcja Akumulacja komórki Martwe komórki żywe komórki miejsce Powierzchnie komórki Powierzchnie+ wnętrze komórki Energia aktywacji 1 kj/mol 6 kj/mol Tempo szybkie wolne Wrażliwość na obecność składników nie tak odżywczych Odwracalność (desorpcja) tak nie 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. Rysunek 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. Celem części doświadczalnej jest poznanie procesu wiązania jonów metali przez materiał biologiczny w procesie biosorpcji. Parametrem określającym jakość biosorbenta jest pojemność biosorpcyjna, określana jako: - 9 -
gdzie: q= o ( C C ) M m M V, (14) o M C stężenia początkowe metalu w roztworze; C stężenie równowagowe metalu w roztworze; M V objętość roztworu; m masa sorbentu. W celu ustalenia mechanizmu procesu biosorpcji oraz w celu wyznaczenia czynników limitujących jego szybkość wykorzystywane są najczęściej dwa modele kinetyczne: model pierwszorzędowy określony równaniem Lagergren a oraz model drugorzędowy (Tabela ). Tabela Pseudo-pierwszorzędowy i pseudo-drugorzędowy model opisu kinetyki Model Równanie Lineralizacja Wykres dq Pseudopierwszorzędowy dt 1 q q q k t = k ( q q t ) ( ) ( ) 1 t = ln 1 ln q q 1 1 t = 1 ln ( ) f( t) Pseudo- k ( ) q t drugorzędowy q dq t 1 1 = = + t dt qt k q q t qt = f ( t) OZNACZENIE JONÓW Cr(III) METODĄ KOLORYMETRYCZNĄ Wersenian disodu w słabo kwaśnym środowisku (ph 4-5) tworzy z jonami chromu (III) fioletowy kompleks (Rysunek 5). który ma maximum absorpcji przy długości światła λ=540 nm. Stanowi to podstawę kolorymetrycznego oznaczania stężenia jonów chromu kompleks tworzy się bardzo powoli, znacznie szybciej natomiast na gorąco. + Cr. Na zimno - 10 -
Rysunek 5 Kompleks Cr-EDTA WYKONANIE KINETYKA PROCESU BIOSORPCJI Należy przygotować 1dm roztworu uwodniony azotan chromu ( O ) H O + Cr o stężeniu 00 mg/dm wykorzystując Cr ph roztworu należy ustawić na 5. 9 Przygotowanym roztworem zalewamy odpowiednią ilość biomasy (1g/dm ) i zaczynamy pobieranie próbek. Należy określić stężenia początkowe jonów chromu w roztworze i kolejnych o + pobranych próbkach w określonych odstępach czasu - C Cr '[ mg / dm ]. Po upływie określonego czasu biosorbent oddziela się od roztworu na sączku. W pozostałym roztworze określamy stężenie jonów chromu - + [ mg / dm ]. 4 ml każdego z nich inkubuje się z 0,095 C Cr g EDTA przez 10 min w temperaturze 95 o C Następnie odczytujemy wartości absorbancji A 540 względem odnośnika przygotowanego w taki sam sposób jak badane próbki (4ml wody destylowanej i 0,095g EDTA). ODCZYNNIKI: - rozdrobniona biomasa (kurze skorupki, pasza, torf itp.), Cr, - uwodniony azotan chromu ( O ) H O 9 - EDTA (kwas etylenodiaminotetraoctowy, EthyleneDiamineTetraacetic Acid), - kwas solny 0,1 mol/dm, - Sodu wodorotlenek 0,1 mol/dm, - woda destylowana, - bibuła filtracyjna jakościowa (średnia). SPRZĘT: - spektrokolorymetr Spekol, - ph metr, - łaźnia wodna (95 o C), - wytrząsarka, - 11 -
- 9 erlenmeyerek - 9 kolb (100 ml), - 10 probówek, - stoper. WYKONANIE STATYKA PROCESU BIOSORPCJI Należy przygotować dziewięć roztworów + Cr o znanym stężeniu (10, 5, 50, 75, 100, 15, Cr w 150, 00, 00 mg/dm ), wykorzystując uwodniony azotan chromu ( O ) H O 9 dziewięciu kolbkach (100 ml). ph każdego z roztworów należy ustawić na 5. Należy określić o + stężenia jonów chromu w roztworach zerowych - C Cr '[ mg / dm ]. 0 ml każdego z roztworów inkubuje się z 0,0 g biomasy (skorupki kurzych jaj drobno zmielonych) przez 10 min na wytrząsarce (150 rpm) w zadanej temperaturze. Po upływie tego czasu skorupki oddziela się od roztworu na sączku. W pozostałym roztworze określamy stężenie jonów chromu - [ mg / dm ] C Cr +. KRZYWA WZORCOWA W celu wykreślenia krzywej wzorcowej przygotowano dziewięć roztworów jonów chromu (Cr(NO ) 9H O) w zakresie stężeń 0-00 mg/dm oraz odnośnik (4 cm wody dejonizowanej + 0,095 g EDTA). Do 4 cm każdego z nich dodano 0,095 g EDTA i ogrzewano 10 min w 95 C. Weryfikacji metody dokonano poprzez równoczesne oznaczenie metodą ICP-OES (Rysunek 6). Z krzywej zależności A = f ( ) można oszacować nieznane stężenie jonów Cr(III). 540 C - 1 -
Rysunek 6 Kalibracja metody kolorymetrycznej na metodę ICP-OES dla roztworów jonów chromu przed biosorpcją - 1 -
Nr grupy:.. data:.. Imię:.. Nazwisko:.. WYNIKI KINETYKA PROCESU BIOSORPCJI t Czas [min] A 540 [ mg / dm ] C Cr + q [ mg / g] 0 6 10 15 0 0 45 65 95 140 Biosorbent Równanie opisujące kinetykę procesu biosorcji : Parametry modelowe: q = k = R = - 14 -
WYNIKI STATYKA PROCESU BIOSORPCJI o + C Cr [mg/dm ] m O g ( ) [ ] o Cr 540 A C o Cr + '[ mg / dm ] A 540 [ mg / dm ] C Cr + q [ mg / g] 10 5 50 75 100 15 150 00 00 Biosorbent Równanie izotermy Langmuir a opisujące statykę biosprpcji: Parametry modelowe: q = max b = R = - 15 -