ćw. 7 biosprpcja

ĆW. 7
BIOSPRPCJA
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest ocena możliwości wykorzystania biosorbentów do usuwania metali ze ścieków.
Wyznaczenie stałych występujących w równaniach opisujących równowagę i kinetykę procesu
biosorpcji, określenie maksymalnej ilości miedzi związanej przez biosorbent.
2. Literatura
Klimiuk
E.,
Łebkowska
M.
(2005).
Biotechnologia
w
ochronie
środowiska.
Wydawnictwo Naukowe PWN.
Kotrba P., Mackova M., Macek T., (2011). Microbial Biosorption of Metals. Springer Dordrecht
Heidelberg London New York
Aksu Z., (2001). Equilibrium and kinetic modelling of cadmium(II) biosorption by C. vulgaris
in a batch system: effect of temperature Separation and Purification Technology, Volume 21, Issue 3,
1 January, 285–294
3. Zakres wymaganych wiadomości
Podstawowe definicje: sorpcja, adsorpcja, absorpcja, biosorpcja, biosorbent, sorbat; Czynniki
wpływające na zdolność wiązania metali przez biosorbent, mechanizmy usuwania metali ze ścieków
(wymiana jonowa, adsorpcja, mikroprecypitacja, kompleksowanie i chelatowanie, miejsca wiążące);
modelowanie biosorpcji (izoterma Langmuira i Freundlicha), model kinetyki adsorpcji.
4. Materiały
 Biosorbenty
wraz
sugerowanymi
ilościami
wykorzystywanymi
w
ćwiczeniu
(1 biosorbent na zespół):
 osad czynny (zawiesina 10 lub 20 cm3 ) – od prowadzącego otrzymać suchą masę;
 zawiesina drożdży żywych Saccharomyces cerevisiae (10 lub 20 cm3 ) – od prowadzącego
otrzymać suchą masę
 zawiesina martwej biomasy drożdży Saccharomyces cerevisiae (10 lub 20 cm3 ) – od
prowadzącego otrzymać suchą masę
 otręby kukurydziane „Corn-Mix” (1 lub 2 g)
 torf mchowy lub kora dębu (1 g)
 zrębki bukowe (2 g)
 inny dostępny biosorbent (właściwości biosorbentu podaje prowadzący)
 Sprzęt lab.: dwie zlewki 1l, 2 cylindry miarowe 100 ml, 5 kolbek > 100 ml, 10 probówek
szklanych, sączki, statyw na probówki, lejki do probówek, pipeta 10 ml, waga
 Oznaczenie miedzi
 Tiosiarczan sodowy – roztwór 0,01N
 Bufor octanowy pH ok. 4,3
 Jodek potasowy 50% roztwór
 Skrobia 0,5% roztwór
 Sprzęt lab.: kolbka do miareczkowania, biureta
Wprowadzenie
Biosorpcja jest procesem polegającym na wiązaniu i akumulacji metali na powierzchni komórek.
Składniki chemiczne również martwej biomasy są zdolne do pobierania metali z roztworów. Proces
ten jest szybki i łatwo jest odzyskać metal i ponownie wykorzystać zregenerowany biosorbent. Proces
biosorpcji nie jest jednoznacznie zdefiniowany i jest wynikiem następujących procesów
jednostkowych i mechanizmów:
 adsorpcji jonowymiennej (wymiana jonów metali z jonami zajmującymi miejsca aktywne
osłon komórkowych mikroorganizmów),

powierzchniowego wytrącania metali (mikroprecypitacji),

reakcji chemicznych z metabolitami wydzielanymi na zewnątrz komórki i gromadzenia
i krystalizacji powstałych produktów w obrębie osłon komórkowych,

kompleksowania,

chelatowania.
Proces ten polega na wzajemnym oddziaływaniu sorbat-sorbent, substancja rozpuszczonarozpuszczalnik, warunkowanym przez oddziaływanie sił elektrostatycznych, kowalencyjnych i van der
Waalsa. W procesie biosorpcji może być wykorzystywana biomasa komórek mikroorganizmów
(grzybów, bakterii, drożdży) stanowiąca produkt uboczny w przemyśle farmaceutycznym czy
fermentacyjnym, biomasa w procesach oczyszczania ścieków, mikroorganizmy hodowane i
namnażane na specjalnych podłożach i wykazujące zdolność do bardzo efektywnego wiązania metali
czy ich biotransformacji, biopreparaty, np.: AMT-BIOCLAM, sorbenty pochodzenia roślinnego i
zwierzęcego np.: kora bogata w taniny, rośliny morskie, humus, torf mchowy, modyfikowana
bawełna, wełna, chityna, chitosan, alginian.
Biosorpcja metali przebiega w złożony sposób. Do celów interpretacji wyników badań usuwania
metali z roztworów wodnych oraz optymalizacji procesu wielu autorów wykorzystywało modele
izotermy adsorpcji Freundlicha lub Langmuira. Izotermy adsorpcji przedstawiają równowagową
zależność między masą zaadsorbowanego metalu (Q) na jednostkę masy adsorbentu, a
równowagowym stężeniem metalu w roztworze (C).
Wg teorii Freundlicha liczba zaadsorbowanych molekuł przy całkowitym pokryciu powierzchni
adsorbentu nie może być większa od liczby miejsc aktywnych, a powstała warstwa izoluje działanie
sił adsorpcyjnych, uniemożliwiając powstawanie następnych warstw – teoria sorpcji
monomolekularnej.
Równanie Freundlicha przedstawia się następująco:
𝟏
𝐧
𝐐𝐞 = 𝐤𝐂𝐞
(1)
gdzie:
Qe - masa sorbowanego metalu [mg/g s.m.]
Ce - stężenie równowagowe adsorbowanej substancji w roztworze [mg/dm3 ]
k – stała adsorpcji Freundlicha określająca ilość adsorbowanej substancji na
jednostkę masy adsorbenta
n – stała Freundlicha powiązana z powinowactwem lub siłą wiązania.
Model Freundlicha jest modelem empirycznym. Oznacza to, że nadawanie znaczenia jego parametrom
powinno być unikane. Wyznaczenie parametrów modelu wymaga przekształcenie równania do postaci
liniowej:
𝐥𝐨𝐠𝐐𝐞 =
𝟏
𝐧
𝐥𝐨𝐠𝐂𝐞 + 𝐥𝐨𝐠𝐤 (2)
Wg teorii Langmuira, na powierzchni adsorbentu znajdują się miejsca aktywne, w których adsorbują
się cząsteczki adsorbatu. Po przyłączeniu adsorbatu powstaje jednocząsteczkowa warstwa adsorpcyjna
zwana monowarstwą. Ilość zaadsorbowanej substancji zależy od pojemności adsorpcyjnej
monowarstwy oraz powinowactwa adsorpcyjnego adsorbatu do adsorbentu.
Równanie izotermy adsorpcji Langmuira ma postać:
𝐐𝐞 =
𝐐𝐦𝐚𝐱 𝐛 𝐂𝐞
𝟏+𝐛 𝐂𝐞
(3)
gdzie:
Qe - masa zaadsorbowanego metalu w stanie równowagi [mg/g s.m.],
b - stała równowagi (określa siłę wiązania metalu przez biomasę) [dm3 /g s.m.],
Ce – równowagowe stężenie adsorbowanego metalu w stanie równowagi [mg/dm3 .],
Qmax - maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy biosorbentu (maksymalna ilość związanych
jonów metalu na jednostkę masy biosorbentu) [mg/g s.m.].
Wyznaczenie parametrów modelu również wymaga przekształcenia równania do postaci liniowej:
𝐂𝐞
𝐐𝐞
=
𝟏
𝐐𝐦𝐚𝐱
𝐂𝐞 +
𝟏
𝐐𝐦𝐚𝐱 𝐛
(4)
Pojemność adsorpcyjna jest głównym miernikiem przydatności mikroorganizmów do usuwania metali
przez biosorpcję.
Inne ważne czynniki:
 łatwość flokulacji bądź unieruchomienia mikroorganizmów,
 stała efektywność usuwania metali w szerokim zakresie odczynu,
 sprawność usuwania metali,
 łatwość desorpcji i możliwość wielokrotnego użycia biosorbentów,
 koszty procesu.
Optymalny odczyn sorpcji zależy zarówno od rodzaju metalu jak i adsorbentu.
Kinetyka biosorpcji - model pseudo-I-rzędowy
Model kinetyczny opisuje proces sorpcji, a w szczególności proces w układach ciało stałe – ciecz.
Szybkość zajmowanych miejsc wiążących jest proporcjonalna do ilości miejsc niezwiązanych.
Równanie ma postać:
𝐝𝐐
𝐝𝐭
= 𝐤(𝐐𝐞 −Q)
(5)
gdzie:
k – stała szybkości (pseudopierwszorzędowej reakcji biosorpcji [1/min]
Qe – ilość zaadsorbowanych jonów metalu na powierzchni biosorbentu w stanie równowagi [mg/g s.m.]
Q (t) – ilość zaadsorbowanych jonów metalu na powierzchni biosorbentu po czasie t trwania procesu
[mg/g s.m.]
Rozwiązanie modelu przybiera postać:
𝐐(𝐭) = 𝐐𝐞 (𝟏 − 𝐞−𝐤𝐭 )
(5a)
Postać zlinearyzowana:
𝐥𝐧(𝐐𝐞 − 𝐐) = −𝐤𝐭 + 𝐥𝐧𝐐𝐞
(5b)
5. Wykonanie ćwiczenia
Zadanie 1. Określenie równowagi biosorpcji (temperatura pokojowa)
Przygotowanie roztworów soli miedzi (CuSO 4 ·5H2 O) – masa cząsteczkowa 249,611 [g/mol]
poszczególne zespoły przygotowują po 500 cm3 roztworu o stężeniach w przeliczeniu na Cu:
zespół 1 – 100 mg Cu2+/dm3
zespół 2 – 150 mg Cu2+/dm3
zespół 3 – 200 mg Cu2+/dm3
zespół 4 – 250 mg Cu2+/dm3
zespół 5 – 300 mg Cu2+/dm3
Następnie każdy z zespołów zostawia sobie 50 cm3 roztworu przez siebie zrobionego, a od
pozostałych zespołów przejmuje po 50 cm3 roztworów o pozostałych stężeniach. Natomiast do
zadania 2 powinno zostać 250 cm3 roztworu.
Znane masy
biosorbentu (przydzielonego przez prowadzącego/lista w dziale „Materiały”)
wprowadzić do 5 zlewek/kolbek o pojemności > 100 cm3 , a następnie do poszczególnych zlewek
wprowadzić 50 cm3 roztworu zawierającego sól CuSO 4 ·5H2 O o powyższych stężeniach. Szkło należy
ponumerować i podpisać.
Tak przygotowane zlewki wstawić na 60 minut na wytrząsarkę. Po tym czasie przesączyć na sączku
po ok. 20 cm3 zawiesiny do probówek. Z klarownego przesączu pobrać do analizy 10 cm3 roztworu i
oznaczyć stężenie Cu2+.
Obliczyć zawartość miedzi w roztworze i ilość miedzi zaadsorbowanej na biosorbencie w mg/g
adsorbentu.
Opracować wyniki eksperymentu korzystając z modelów izoterm Langmuira lub Freundlicha
(sporządzić wykres).
Zadanie 2. Określenie kinetyki biosorpcji (temperatura pokojowa)
Kinetykę biosorpcji określić rejestrując zmiany stężenia miedzi w czasie trwania procesu. Do zlewki o
objętości >300 cm3 z naważką sorbentu (masa biosorbentu wyrażona na 1l roztworu powinna być
identyczna z tą w zadaniu 1) wprowadzić 250 cm3 roztworu Cu o stężeniu początkowym jak w
przygotowywanym roztworze w zadaniu 1.
Zawiesinę mieszać na wytrząsarce lub w łaźni ultradźwiękowej (zależnie od rodzaju biosorbentu).
Pobierać próbki w określonych odstępach czasu w ilościach takich, aby otrzymać po filtracji 10 cm3
roztworu do analizy. Filtrat zbierać do probówek ustawionych w statywie metalowym. Należy
pamiętać, że początkowy okres biosorpcji jest najważniejszy, bowiem w ciągu pierwszych 10 – 15
minut sorpcji w przypadku osadu czynnego ma miejsce usunięcie około 85 –90% ilości metalu.
Proponowane czasy pomiaru: 5, 10, 15, 20, 45, 60, 80 minut. (Porównywać ilość cm3 tiosiarczanu
sodu zużywanego w poszczególnych czasach. Jeżeli ta ilość jest zbliżona – można prowadzić analizę
w większych odstępach czasowych). Jedna z osób zespołu prowadzi pobór próbek i filtrację, natomiast
druga tylko miareczkowanie.
Wykonanie oznaczenia miedzi
Związki miedziowe w zbuforowanym środowisku kwaśnym o pH ok. 4 wydzielają jod z jodku
potasowego, redukując się do soli miedziawych. Równoważną ilość wydzielonego jodu oznaczamy
miareczkowo za pomocą roztworu tiosiarczanu sodowego:
Cu2+ + 2J- = CuJ + J
J2 + 2S2 O3 2- = 2J- + S4 O6 2Miareczkowanie: Do 10 cm3 badanej próbki dodać 5 cm3 buforu octanowego, 1 cm3 50% KJ
oraz 0,5 cm3 0,5% roztworu skrobi. Miareczkować tiosiarczanem sodowym do odbarwienia (kolor
biały).
Obliczenia wyników miareczkowania
X = (a·b·1000)/V [mg Cu/l]
X – zawartość Cu w 1 cm3 próbki [mg]
a – ilość roztworu tiosiarczanu użyta do miareczkowania
b – współczynnik przeliczeniowy dla 1 cm3 roztworu tiosiarczanu 0,025 N, który wynosi 1,589 mg Cu
lub 0,6356 mg Cu dla roztworu 0,01 N
V – objętość miareczkowanej próbki [cm3 ]
Wyniki
Należy wyznaczyć parametry Freundlicha i Langmuira oraz równania kinetyki biosorpcji.
Wyniki przedstawić na wykresie wg zaleceń prowadzącego.