Katedra Chemii i Ochrony Środowiska

Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej

UTP Bydgoszcz

USUWANIE Cr(III) ZE ŚCIEKÓW METODĄ BIOSORPCJI

Ciągłe zaostrzanie dopuszczalnych limitów stężeń zanieczyszczeń spowodowało, że konwencjonalne metody oczyszczania ścieków z jonów metali toksycznych:

• wymiana jonowa,

• procesy elektrochemiczne,

• Wytrącanie,

• 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 jonów metali przez materiał pochodzenia biologicznego może zachodzić na drodze:

• sorpcji (biosorpcja)

• 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,

• mikrostrącania.

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)

• 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/dm3.

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.

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.

Biosorpcję można podzielić na cztery etapy:

• transport sorbatu z objętości roztworu do warstwy cieczy otaczającej powierzchnie biomasy,

• transport sorbatu (jony metalu) z warstwy granicznej do powierzchni biomasy (dyfuzja zewnętrzna),

• transport z powierzchni biomasy do wewnętrznych miejsc wiążących (dyfuzja wewnętrzna)

• 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.

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.

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.

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. Bioakumulacja 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.

Porównanie biosorpcji i bioakumilacji

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.

Porównanie mechanizmów sorpcji i akumulacji

Mechanizm wiązania metalu

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.

Odczynniki

• rozdrobniona biomasa (kurze skorupki

• roztwór roboczy azotanu chromu o stężeniu 1000 mg/l

• uwodniony azotan chromu Cr(NO₃)₃·9H₂O

• EDTA (wersenian disodu)

• kwas solny 0,1 mol/dm³

Zasada metody - Oznaczanie jonów Cr(III) metodą kolorymetryczną

Wersenian disodu w słabo kwaśnym środowisku (pH 4-5) tworzy z jonami chromu (III) fioletowy kompleks, który ma maximum absorpcji przy długości światła λ=540 nm. Stanowi to podstawę kolorymetrycznego oznaczania stężenia jonów chromu Cr³⁺. Na zimno kompleks tworzy się bardzo powoli, znacznie szybciej natomiast na gorąco.

Kompleks Cr-EDTA

Wykonanie krzywej wzorcowej

Należy przygotować sześć roztworów jonów chromu o znanym stężeniu (0; 25; 50; 100; 150; 200 mg/l Cr ³⁺). W tym celu należy pobrać do kolbek miarowych na 100 ml kolejno 2,5; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 ml roztworu roboczego azotanu chromu o stężeniu 1000 mg/l i uzupełnić wodą destylowaną do kreski. Należy sprawdzić pH roztworów za pomocą papierka wskaźnikowego, pH każdego z nich należy ustawić na 5 za pomocą 0,1 mol/l kwasu solnego (ok. 0,7 ml). Następnie pobrać 4ml każdego roztworu i umieścić w probówkach na metalowym statywie. Do każdego roztworu wzorcowego dodać po 0,095 g EDTA odważonego w naczynku wagowym i ogrzewać na łaźni wodnej przez 10min w temperaturze 95˚C. Następnie wykonać pomiar absorbancji przy długości fali 540nm jako odnośnik stosując pierwszy wzorzec.

Wykreślić krzywą wzorcową jako zależność A = f ( c )

Wykonanie procesu biosorpcji dla roztworów wzorcowych

Z roztworów wzorcowych o stężeniu 0; 25; 100; 200 mg Cr³⁺/l należy pobrać po 20 ml i umieścić w plastikowych probówkach. Następnie dodać po 0,02 g biomasy ( drobno zmielone skorupki kurzych jaj ) i inkubować przez 120 minut na wytrząsarce. Po upływie tego czasu skorupki oddziela się od roztworu na sączku. Należy pobrać po 4ml każdego przesączu, dodać po 0,095 g EDTA, ogrzewać na łaźni wodnej przez 10 minut i wykonać pomiar absorbancji przy długości fali 540 nm stosując pierwszy wzorzec jako odnośnik.

Wykreślić krzywą jako zależność c_rzeczywiste = f ( c_teoretyczne)

Usuwanie jonów Cr ³⁺ w funkcji czasu

Należy przygotować 0,5dm³ roztworu Cr³⁺ o stężeniu 100 mg/dm³ wykorzystując uwodniony azotan chromu Cr(NO₃)₃·9H₂O, pH roztworu należy ustawić na 5 za pomocą 0,1 mol.l kwasu solnego.

Przed przystąpieniem do przygotowania roztworu wyniki z obliczeń należy przedstawić prowadzącemu zajęcia

Przygotowanym roztworem zalewamy odpowiednią ilość biomasy (1g/dm³) i zaczynamy pobieranie próbek. Roztwór z biomasą mieszamy za pomocą mieszadła magnetycznego. Należy określić stężenia początkowe jonów chromu w roztworze i kolejnych pobranych próbkach w następujących odstępach czasu: 10; 30; 60; 90; 120; 150; 180 minut. Po upływie określonego czasu biosorbent oddziela się od roztworu na sączku. 4 ml każdego przesączu inkubuje się z 0,095 g EDTA przez 10 min w temperaturze 95°C. Następnie wykonać pomiar absorbancj.

Wyniki przedstawić w tabeli i za pomocą wykresu jako zależność c = f (t)

Czas [min]	Absorbancja	Stężenie [mg/l]
0
10
30
60
90
120
150
180

Opracowanie wyników

• Zestawienie wyników

• Obliczenia

• Wnioski

---