0czyszczanie ściekow metoda biosorpcji-sorpcja
Sorpcja jest to ogolna nazwa procesów powierzchniowego zagęszczania substancji lub w objetości jego mikroporów(adsorpcja) i objętościowego pochłaniania(absorpcja) zachodzących jednocześnie w danym układzie. Substanja sorbowana jest definiowana jako sorbat, substancja sorbująca stanowi sorbent.
Biosorbenty są to mikroorganizmy, substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego oraz tzw. Biopreparaty zawierające czynnik biologiczny i inne składniki ułatwiające sorpcję.
Rodzaje biosorbentów Pochodzenia roślinnego i zwierzęcego(torf mchowy, bogata w taniny kora, modyfikowana bawełna i wełna, rosliny morskie, humus, chityna, chitozan) mikroorganizmy( czyste kultury bakterii, osad czynny, biomasa stanowiaca produkt odpadowy w przemysle farmaceutycznym) biopreparaty (immobilizowane mikroorganizmy, mieszanina sorbentów biologicznych z dodatkiem substancji mineralnych, torw utwardzony APV)
Mikroorganizmy 1. Czuste kultury(bakterie, promieniowce, grzyby, glony)
-wysoka pojemnośc sorpcyjna i duze możliwości modyfikacyji komórek umożliwiające poprawe zdolności sorpcyjnych- jednolity skład gatunkowy, co ulatwia matematyczne modelowanie procesu - zlożone układy technologiczne wytwarzania biomasy - wysoki koszt wytwarzania 2. Osad czynny z oczyszczalni scieków miejskich - niska pojemnośc adsorpcyjna i niewielkie możliwości modyfikacji biomasy uniemożliwiającej poprawe zdolności sorpcyjnych - niejednorodnośc składu gatunkowego co utrudnia matematyczne modelowanie procesu - najtańsz bioeorbent - nieograniczona możliwość pozyskiwania 3. Biomasa z przemyslu fermentacyjnego i farmaceutycznego np.: drozdze, promieniowce - wyzsz w porównaniu z osade czynnym pojemność adsorpcyjna - stały sklad biomasy - niskie koszty pozyskiwania - ograniczona ilośc dla celow biosorpcji
Zastosowanie biosorpcji do oczyszczania ścieów zawierających:
-zwiazki organiczne niebiodegradowalne barwniki, pestycydy, detergenty
-zawierające metale
Barwniki:Źródła barwników z uwagi na miejsce powstawania:- produkcja barwników- przemysł tekstylny. W procesach wytwórczych dochodzi do utraty ok2% barwników, a w procesach barwienia i wykańczania tkanin ok. 9% skutkie tego do ścieków trafia od 40000
Do 50 000 ton barwników rocznie.
Biorąc pod uwage rodzaj i pochodzenie metali w sciekach, wyróżni należy przemysł: galwanizerski, garbarski, farbiarski, nawozów sztucznych, ochrony roślin, włókienniczy, elektrochemiczny
Zalety biosorpcji: - 10-krotnie mniejsza cena biosorbentow w porównaniu z węglem aktywnym - nie wymaga dużych nakładów inwestycyjnych - możliwość uzyskania niskich steżen składników w odpływie rzędu mg/dm3.
Kierunki badań nad opracowaniem technologi oczyszczania ścieków metoda biosorpcji:
- dobór biosorbentów:1. Badanie składu ścian komorkowych mikroorganizmw 2. Optymalizacja sorpcji na poziomi molekularnym
-kontrola procezu: 1.wykorzystanie metod instrumentalnych do poznania mechanizmow sorpcji
2. chemia roztworów
- projektowanie procesu: 1. Równowaga sorpcji , badanie dynamiki przepływu 2. Projektowanie procesu i powiekszanie skali 3. Produkcja biosorbentów na skale przemyslową.
Kryteria doboru biosrbentów: testy przesiewowe - badanie mechanizmu biosorpcji - badanie biosorpcji w warunkach statycznych i dynamicznych
Badanie biosorpcji w warunkach statycznych i dynamicznych: warunki statyczne: -badanie kinetyki sorpcji - okreslenie pojemności adsorpcyjnej sorbentów w zależności od stężenia równowagowego substancji adsorbowanej
Adsorpcja zachodzi do momentu ustalenia się równowagi pomiędzy adsorbentem i sorbatem
Pojemnośc adsorpcyjna - jest to ilośc adsorbatu przypadajaca na g suchej masy sorbentu.
Q= Co-Crów./X (mg/g smo) W stanie równowagi: Q=f(C,T) gdy T=O, wówczas Q = f(C)
Pojemnośc adsorpcyjną w zalezności od stężenia równowagowego opisują izotermy adsorpcji:
Izoterma Henryego , Langumuira, Freundlicha.
Izoterma Henryiego: Ilośc substancji zadsorbowanej na jednostce powierzchni adsorbentu jest proporcjonalna do stężenia substancji adsorbującej się: czyli Q= k*C
Izoterma Langmuira: Przyjeto , że na powierzchni adsorbentu znajdują się miejsca aktywne , w których adsorbuja się cząsteczki adsorbatu. Po przyłączeniu adsorbatu powstaje jednocząsteczkowa warstwa adsorpcyjna zwana monowarstwa. Ilośc zadsorbowanej substancji zależy od pojemności adsorpcyjnej monowarstwy oraz powinowactwa adsorpcyjnego adsorbatu do adsorbentu.
Równanie Langmuira ma postac: Q=b* K*C/1+ K* C gdzie Q- masa sorbowanego metalu K- stała C steżenie adsorbowanej substancji w stanie równowagi b- maksymalna pojemnośc adsorpcyjna monowarstwowego biosorbentu(mg/g s.m.)
Maksymalna pojemnośc adsorpcyjna (b): jest wyznaczana w zalezności między masą adsorbatu na jednostkę masy sorbentu a równowagowym stężeniem adsorbatu Q=f(Crów.)
Rownanie adsorpcji Freundlicha: Q= k* Cm q- masa sorbowanego metalu(mg/g s.m.) K,m - stale w równaniu C- stężenie adsorbowanej substancji w stanie równowagi (mg/ dm3)
Dlaczego stosujemy desorpcję?
1.Regeneracja sorbentu zmniejsza koszty procesu 2. Dzięki desorpcji możemy uwolnic substancje chemiczne z adsorbentu a nastepnie je odzyskac
Kiedy stosujemy Desorpcje? W przypadku kosztownych biosorbentów np.: im mobilizowanych czystych kultur bakterii oraz w przypadku wratosciowych substancji chemicznych np.:miedzi, srebra
Kiedy nie stosujemy desorpcji?- w przypadku tanich sorbentow i związków organicznych nie stosujemy desorpcje. Sorbenty po wykorzystaniu sa unieszkodliwiane razem z barwnikiem np.: spalane czy kompostowane, podczas kompostowania substancje organiczne sa wbudowane w strukturę substancji humusowych.
Jakie warunki powiny być spełnione w przypadku desorpcji?
1. Pozowic na izyskanie składnika w możliwie skoncentrowanej formie
2.Umożliwic zachowanie własności biosorbenta tj. maksymalnej pojemności adsorpcyjnej
3.nie powodowac fizycznych zmian czy uszkodzen biosorbentu
Przygotowanie biomasy i dobór reaktora w biosorpcji: Ich rozwoj wiąże się z: - rodzajem adsorbatu, rodzajem biosorbentów - warunkami fizyczno- chemicznymi procesu - sposobem przygotowania biomasy
Projektowanie procesu technologicznego- sorpcja w warunkach statycznych i dynamicznych:
Wybór rozwiązan technologicznych:
-wybor rodzaju biosorbentu, w zalezności od rodzaju adsorbatu - wybór reaktora - warunki fizykochemiczne np. odczyn, podczas sorpcji/desorpcji - ilośc stopni w zależności od wymaganej sprawności procesu.
Proces adsorpcji prowadzi się w warunkach dynamicznych lub statycznych Adsorpcja statyczna polega na tzw. Adsorpcji porcjowej w kąpieli, czyli dozowaniu adsorbentu do określonej porcji roztworu i mieszaniu całości. Adsorbent można stosowa w jednostopniowym układzie porcjowym lub w wielostopniowym.
Adsorpcję w układach dynamicznych można prowadzic w adsorberach ze złożem nieruchomym i ze złożem ruchomym. Adsorpcję ze stałym złożem roztwór jest podawany na złoże w sposób ciągły z góry na dół. Adsorbent o wyczerpanej pojemności sorpcyjnej jest okresowo odprowadzany wylotem spustowym z adsorbera do stacji regeneracji(desorpcji).
Do adsorberów ze złożem ruchomym roztwór z adsorbatem podawany jest od dołu. Nastepnie przepływa przez złoże, które unosi się z przepływającym strumieniem roztworu i dalej odprowadzany jest przewodami umieszczonymi w górnej części adsorbera.
Adsorbery mogą pracowac jako: -pojedyncze adsorbery, - dwa lub więcej w układzie szeregowym - dwa lub wiecej w układzie równoległym - cztery lub wiecej w układzie szeregowo-rownoległym
Korzyści produkcji PHA z zastosowaniem osadu czynnego:
-zagospodarowanie produktow ubocznych lub odpadów poprodukcyjnych z równoczesnym wytwarzaniem surowców do produkcji PHA
-możliwośc łatwego sterowania zewnątrz i wewnątrzkomórkowymi procesami poprzez zmiane warunkow operacji - stabilnośc procesu - brak konieczności utrzymania sterylnych warunków - oddzielania na drodze sedymentacji co umożliwia zagęszczanie biomasy przed ekstrakcją PHA z komórek - niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne obiektów