Metody biotechnologiczne w ochronie środowiska

dr inż. Izabela Michalak

- 1 -

1. Podstawy procesu biosorpcji

Biosorpcja jest procesem szybkiego oraz odwracalnego wiązania jonów metali z

roztworów wodnych z grupami funkcyjnymi znajdującymi się na powierzchni ściany

komórkowej biomasy. Proces ten jest niezależny od metabolizmu komórki [1].

Charakteryzuje się tym, że jest wydajny oraz selektywny. Biosorpcja może być prowadzona

w szerokim zakresie pH (od 3 do 9) i temperatury (od 4 do 90°C), nie wymaga wysokich

nakładów inwestycyjnych, koszty operacyjne 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 [2].

2. Statyka procesu biosorpcji

Statykę procesu biosorpcji opisują izotermy adsorpcji, przedstawiające zależność

między masą jonu metalu zaadsorbowanego przez jednostkę masy adsorbentu, a

równowagowym stężeniem jonu metalu w roztworze. Wiązanie jonów metali na powierzchni

komórek następuje szybko, a proces trwa aż do ustalenia się stanu równowagi. W Tabeli 1

przedstawiono wybrane modele opisujące statykę procesu biosorpcji w układzie

jednoskładnikowym.

Tabela 1. Wybrane modele opisujące statykę procesu biosorpcji w układzie

jednoskładnikowym

Izoterma

Równanie

Nr

Opis

Lit.

Langmuir

eq

eq

eq

bC

bC

q

q

1

max

(1)

Założenie sorpcji monowarstwowej, parametry
możliwe

do

interpretacji,

model

niestrukturalny, model 2-parametrowy.

[3]

Freundlich

n

eq

eq

KC

q

/

1

(2)

Proste wyrażenie, nie można określić
maksymalnej

pojemności

biosorpcyjnej,

model niestrukturalny, równanie empiryczne,
jest równaniem wykładniczym - może być
stosowana tylko dla niskich stężeń.

[4]

Dubinin-
Radushkevich
(D-R)

ln q

eq

= ln q

max

– β’ ε

2

ε = R’T ln(1 + 1/C

eq

)

(3)

Model stosowany jest celu rozróżnienia
biosorpcji fizycznej i chemisorpcji.

[5]

BET

S

eq

eq

S

eq

eq

C

C

B

C

C

Q

BC

q

/

)

/

)

1

(

1

(

)

(

0

(4)

Prosty model adsorpcji wielowarstwowej,
możliwość

zastosowania

równania

Langmuira do każdej warstwy adsorpcyjnej,
występuje

punkt

przegięcia,

brak

odpowiednika „całkowitej pojemności).

[6]

Usuwanie jonów chromu w procesie sorpcji z użyciem naturalnych biosorbentów

- 2 -

Gdzie:

q

eq -

pojemność biosorpcyjna w stanie równowagi (mg/g lub meq/g)

q

max -

maksymalna pojemność biosorpcyjna (mg/g lub meq/g)

b - powinowactwo biomasy do sorbatu (dm

3

/mg)

C

eq -

stężenie równowagowe jonów metalu w roztworze (mg/dm

3

)

K - stała modelu Freundlicha

n - stała modelu Freundlicha

β’ - stała związana z energią adsorpcji (mol

2

/kJ

2

)

ε - potencjał adsorpcyjny (potencjał Polanyi)

T - Temperatura (K)

R’ - stała gazowa (8,314 kJ/mol

.

K)

B - stała związana z energią oddziaływania z powierzchnią (izoterma BET)

Spośród wymienionych w Tabeli 1 modeli, najczęściej równowaga pomiędzy fazą

sorbatu i fazą biosorbenta opisywana jest równaniem Langmuira (1). Model ten umożliwia

nie tylko wyznaczenie maksymalnej pojemności biosorpcyjnej danego biosorbenta - q

max

(mg/g), ale także powinowactwa sorbatu do biosorbenta - b (dm

3

/mg). Wartość q

max

oznacza

maksymalnie możliwą ilość jonów metalu związanych na powierzchni biomasy przez grupy

funkcyjne w stanie równowagi. Z kolei wysoka wartość współczynnika b wskazuje na duże

powinowactwo i odpowiada nachyleniu wykresu izotermy biosorpcji w początkowym

zakresie.

Najbardziej pożądane są biosorbenty o najwyższej możliwej q

max

i najwyższym

współczynniku b

[1]. Model Langmuira zakłada, iż 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, która nie ma możliwości swobodnego przemieszczania się po

powierzchni adsorbentu (adsorpcja zlokalizowana). Zgodnie z teorią Langmuira, nie

występują wzajemne oddziaływania pomiędzy zaadsorbowanymi cząsteczkami lub jonami

adsorbatu, a powstała warstwa adsorpcyjna zmniejsza oddziaływanie sił adsorpcyjnych, co

uniemożliwia powstawanie następnych warstw [7].

3. Mechanizm procesu biosorpcji

Wiązanie jonów metali przez biosorbenty pochodzenia naturalnego może zachodzić na

drodze adsorpcji - fizycznej (oddziaływania elektrostatyczne oraz van der Waalsa) lub

chemicznej: wymiana jonowa, kompleksowanie, chelatowanie (oddziaływania jonowe i

Usuwanie jonów chromu w procesie sorpcji z użyciem naturalnych biosorbentów

- 3 -

kowalencyjne) [1, 8]. Wśród czynników wpływających na proces biosorpcji można wyróżnić:

właściwości fizykochemiczne jonów metali (np. masa molowa, promień jonowy, stopień

utlenienia), właściwości biosorbenta (np. budowa ściany komórkowej) oraz parametry

procesowe (np. pH, temperatura, stężenie biosorbenta, stężenie sorbatu). Analiza wpływu

parametrów na właściwości biosorpcyjne sorbentów jest warunkiem koniecznym do poznania

mechanizmu biosorpcji, który jest procesem złożonym i jak dotąd w pełni niewyjaśnionym.

Biosorpcja jest

procesem wiązania jonów mikroelementów do powierzchni komórki

makroalgi, która nie wykazuje aktywności metabolicznej [1]. Dlatego też, skład ściany

komórkowej ma duże znaczenia dla tego procesu. Ściana komórkowa biosorbentów

naturalnych zbudowana jest głównie z polisacharydów, białek i lipidów, które zawierają

liczne grupy funkcyjne (karboksylową, hydroksylową, aminową i fosforylową - Rysunek 1),

które odgrywają kluczową rolę w procesie biosorpcji kationów mikroelementów z roztworów

wodnych [1].

C

O

O

Karboksylowa

Miejsce wi

ązania jonów Me

n+

Hydroksylowa

O

Aminowa

Fosforylowa

P

O

O

O

O

N

H

H

Rysunek 1. Grupy funkcyjne znajdujące się na powierzchni ściany komórkowej naturalnych

biosorbentów

Wymiana jonowa jest jednym z dominujących mechanizmów procesu biosorpcji,

podczas której protony lub/i kationy metali lekkich (Na, Mg, Ca, K), które są naturalnie

związane z grupami funkcyjnymi znajdującymi się na powierzchni ściany komórkowej,

wymieniane są z kationami metali obecnymi w roztworze wodnym (jako przykład wymiana

jonów metalu(II) z jonami Na(I) związanymi z fosforylową grupą funkcyjną - Rysunek 2.

[9]).

P

Me

2+

O

ONa

ONa

CH

2

O

celuloza

P

O

O

O

CH

2

O

celuloza

Me

2Na

+

Rysunek 2. Wymiana jonów metalu(II) z jonami Na(I) związanymi z fosforylową grupą

funkcyjną [9]

Usuwanie jonów chromu w procesie sorpcji z użyciem naturalnych biosorbentów

- 4 -

Literatura

[1] Davis T.A., Volesky B., Mucci A. A review of the biochemistry of heavy metal

biosorption by brown algae. Wat. Res., 2003, 37, 4311-4330.

[2] Kuyucak N. W: Biosorption of heavy meatals - Feasibility of biosorbents application.

CRC press, Boca Raton, 1990, 371-378.

[3] Langmuir I. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum. J.

Am. Chem. Soc., 1918, 40, 1361-1403.

[4] Freundlich H. Udber die adsorption in Loesungen. Z. Physik. Chem., 1907, 57, 385-470.

[5] Dubinin M.M., Raduskhevich L.V. On the characteristic curve equation for active

charcoals. Proc. Acad. Sci. U. S. S. R Phys. Chem. Sect., 1947, 55, 327-329.

[6] Brunauer S., Emmet P.H., Teller E. Adsorption of gases in multimolecular layers. J. Am.

Chem. Soc., 1938, 60, 309-314.

[7] Volesky B. W: Sorption and Biosorption - Equilibrium Biosorption Performance. BV-

Sorbex, Inc., St. Lambert, Quebec, 2004.

[8] Volesky B. W: Biosorption of heavy metals - Biosorption and biosorbents. Florida, CRC

press, 3-5, 1990.

[9] Volesky B., Holan Z.R. Biosorption of heavy metals. Biotechnol. Prog., 1995, 11, 235-

250.

Usuwanie jonów chromu w procesie sorpcji z użyciem naturalnych biosorbentów

- 5 -

CZEŚĆ DOŚWIADCZALNA

Celem części doświadczalnej jest poznanie procesu wiązania jonów metali przez materiał

biologiczny w procesie biosorpcji. Wydajność procesu biosorpcji jest najczęściej opisywana

jako pojemność biosorpcyjna – q (mg/g), określana następującym wzorem:

S

eq

C

C

C

q

0

(5)

która wyraża masę jonów metalu (mg lub mmol) związanych przez 1 gram biosorbenta.

Gdzie:

C

0

– stężenie początkowe metalu w roztworze (mg/dm

3

);

C

eq

– stężenie równowagowe metalu w roztworze (mg/dm

3

);

C

S

– stężenie biomasy w roztworze (g/dm

3

).

ODCZYNNIKI

 Biomasa (Tabela 2)

 Uwodniony azotan chromu – Cr(NO

3

)

3

.

9H

2

O (POCh SA) (M

soli

400,15 g/mol, M

Cr

42

g/mol)

 EDTA (kwas etylenodiaminotetraoctowy)

 Kwas solny (0,1 mol/dm

3

) (POCh SA)

 Sodu wodorotlenek (0,1 mol/dm

3

) (POCh SA)

 Kwas azotowy 69 % m/m spektralnej czystości (Suprapur, Merck)

 Woda dejonizowana

 Bibuła filtracyjna jakościowa (średnia)

Tabela 2. Rodzaj biomasy wykorzystanej w badaniach biosorpcyjnych

Nr grupy

Biosorbent

1

Chrząstki

2

Kości kurze

3

Pszenżyto

4

Kukurydza

5

Soja

6

Jęczmień

7

Skorupy

8

Żyto

9

Włosy

10

Popiół

11

Pszenica

12

Owies

Usuwanie jonów chromu w procesie sorpcji z użyciem naturalnych biosorbentów

- 6 -

SPRZĘT

 Spektrokolorymetr Cary (Varian)

 Analizator rtęci (AMA 254)

 Mikroskop świetlny (Carl Zeiss)

 Piec mikrofalowy (Milestone Start D)

 pH metr (Mettler Toledo)

 Łaźnia wodna (GFL, Typ 1003)

 Wytrząsarka (IKA)

 9 erlenmeyerek

 9 kolb (100 ml)

 19 probówek

WYKONANIE

1. STATYKA BIOSORPCJI JONÓW CR(III) PRZEZ NATURALNE BIOSORBENTY

Należy przygotować dziewięć roztworów Cr(III) o znanym stężeniu – Tabela 3,

wykorzystując uwodniony azotan chromu Cr(NO

3

)

3

.

9H

2

O w dziewięciu kolbkach (100 ml).

pH każdego z roztworów należy ustawić na 5. Należy określić stężenia jonów chromu w

roztworach zerowych – C

0

(mg/dm

3

). 20 ml każdego z roztworów inkubuje się z 0,02 g

biomasy przez 120 min na wytrząsarce (150 rpm) w zadanej temperaturze. Po upływie tego

czasu biosorbent oddziela się od roztworu na sączku. W pozostałym roztworze należy określić

stężenie jonów chromu – C

eq

(mg/dm

3

).

Tabela 3. Naważki Cr(NO

3

)

3

.

9H

2

O do przygotowania roztworów Cr(III) o pożądanym

stężeniu (na 100 cm

3

)

Nr

C

0

(mg/dm

3

) Naważka soli Cr(NO

3

)

3

.

9H

2

O (g/100 cm

3

)

1

10

0,0077

2

25

0,0192

3

50

0,0385

4

75

0,0577

5

100

0,0770

6

125

0,0962

7

150

0,115

8

200

0,154

9

300

0,231

Usuwanie jonów chromu w procesie sorpcji z użyciem naturalnych biosorbentów

- 7 -

Spektrofotometryczna analiza stężenia jonów Cr(III) w roztworze wodnym

Do 4,0 cm

3

każdego z roztworów należy dodać taką samą masę EDTA (0,095 g) i

ogrzewać przez 10 minut w 95

o

C. Jony Cr(III) reagują z EDTA tworząc kompleks Cr-EDTA

o fioletowym zabarwieniu, który absorbuje światło o długości 540 nm. Stanowi to podstawę

metody kolorymetrycznego oznaczania stężenia jonów Cr(III). Jako odnośnik należy

wykorzystać wodę dejonizowaną z taką samą ilością EDTA. Stężenie jonów Cr(III) w

roztworach przed i po biosorpcji w zakresie stężeń 0 - 300 mg/dm

3

należy wyznaczyć z

krzywej przedstawionej na Wykresie 1.

y = -1,17+603

.

x; R

2

0,999

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Abs

0

50

100

150

200

250

300

350

O

d

cz

y

t I

C

P

(

m

g

/d

m

3

)

Wykres 1. Kalibracja metody kalorymetrycznej na metodę ICP-OES

Otrzymane wyniki doświadczalne należy opisać równaniem Langmuira (1). Parametry

tego modelu - q

max

i b wyznacza się metodą regresji nieliniowej (program Mathematica wersja

3.0.) lub też z linearyzacji równania Langmuira (6):

max

max

1

1

1

q

C

q

b

q

eq

eq

(6)

Przykładową izotermę równania Langmuira przedstawiono na Wykresie 2.

Zn

0

50

100

150

200

250

300

C

eq

(mg/dm

3

)

0

10

20

30

40

50

60

q

eq

(

mg/

g)

Wykres 2. Izoterma Langmuira dla biosorpcji jonów Zn(II) (pH 5, 25°C, C

S

1 g/dm

3

, C

0

10-

300 mg/dm

3

) przez makroalgę Enteromorpha prolifera

Usuwanie jonów chromu w procesie sorpcji z użyciem naturalnych biosorbentów

- 8 -

2. POBIERANIE PRÓBEK WŁOSÓW

Włosy należy pobrać z okolicy potylicy, przy użyciu nożyczek ze stali nierdzewnej (ok.

0,5 g), po umyciu włosów szamponem Johnson’s Baby i wysuszeniu. Doboru szamponu

dokonano na podstawie jego składu - spośród badanych pierwiastków obecny był jedynie sód.

3. MINERALIZACJA WŁOSÓW

Analiza wielopierwiastkowa metodą emisyjnej spektrometrii plazmowej (ICP-OES)

wymaga przeprowadzenia próbek do postaci ciekłej. W celu poznania składu mineralnego

włosów zostanie przeprowadzona mineralizacja biomasy (ok. 0,5 g) techniką rozkładu

mikrofalowego w aparacie typu Milestone Start D (USA)

przy użyciu 5,0 cm

3

69 %

stężonego kwasu azotowego spektralnej czystości. Piec mikrofalowy wyposażony jest w

układ teflonowych naczyń ciśnieniowych, wykonanych z materiału polimerowego PFA,

opornego na działanie stężonych odczynników chemicznych i minimalizującego adsorpcję

zanieczyszczeń na ściankach naczynia. Dobrane parametry procesu umożliwiły całkowitą

mineralizację tkanki włosów. Po mineralizacji, próbkę należy uzupełnić wodą podwójnie

demineralizowaną w systemie Millipore Simplicity do masy 50 g.

4. ANALIZA WŁOSÓW NA ZAWARTOŚĆ Hg

Zawartość rtęci w naturalnych biosorbentach zostanie zanalizowana na spektrometrze

AMA 254 przy następujących parametrach: masa próbki: 0,05 g, czas suszenia: 40 sekund,

czas rozkładu: 150 sekund, czas oczekiwania: 40 sekund.

5. ZDJĘCIA WŁOSÓW WYKONANE MIKROSKOPEM CARL ZEISS

W zebranych próbkach włosów należy wyznaczyć grubość włosa i profil koloru

włosa. Należy również wykonać zdjęcia biosorbenta naturalnego przed i po procesie

biosorpcji.