Απομάκρυνση τοξικών μετάλλων από αραιά υδατικά διαλύματα με την εφαρμογή της βιορρόφησης

Abstract

Nowadays, with the exponentially increasing population the need for controlling heavy metal discharges into the environment is more pronounced. Heavy metals, which accumulate in living tissues throughout the food chain, are known to be highly toxic with a potential carcinogenic effect. The commonly used treatment methods to remove heavy metal ions from wastewaters include chemical precipitation, ion exchange, adsorption and membrane processes (i.e. reverse osmosis) appear to be inadequate or are too costly to implement them. So, there is a need for development of low cost processes, where metal ions can be removed economically. The search for new and innovative treatment technologies has focused attention on the metal binding capacities of microorganisms, such as bacteria, yeast, algae, fungi or filamentous bacteria. Biosorption has been demonstrated to be a useful alternative to conventional treatment systems for the removal of toxic metals from dilute aqueous solution. It could be considered as an eco-friendly device to the existing high cost technologies. This approach is competitive, effective and cheap. The objective of this study (first part) was to examine the main aspects of a possible strategy for the removal of arsenates, employing Penicillium chrysogenum biomass, a waste by-product from antibiotic production. Pretreatment of biomass with common surfactants (as hexadecyl-trimethylammonium bromide and dodecylamine) and a cationic polyelectrolyte, Magnafloc-463, improved the biosorption efficiency to higher levels. The main parameters that influence biosorption were studied, such as the contact time of metal solution with biomass, pH value of metal solution, metal concentration and temperature. It has been found that modified biomasses found able to remove As(V) from dilute aqueous solutions. The biomass showed low affinity for metallic anions, whereas with the application of modified biomass a significant uptake of pentavalent arsenic was observed. Also, the use of dispersed air-flotation process has been proved as an effective separation method for the modified biomass, following the biosorption step that was capable of removing arsenic anions (up to 75%). The removal of Cd(II) and Cr(VI) from aqueous solution by sorption on Aeromonas caviae particles, which isolated from raw water wells, was then investigated in a well-stirred batch reactor. Equilibrium and kinetic experiments were performed at various initial bulk concentrations, biomass loads and temperatures. It was seen that the sorption capacity is appreciably high for most experimental conditions, so Aeromonas caviae may be considered as a suitable biosorbent for this application. Kinetic analyses not only allow the estimation of sorption rates, but also lead to suitable rate expressions characteristic of possible reaction mechanisms. The calculated kinetic parameters are of a great practical value for technological applications, since kinetic modelling successfully replaces time- and material-consuming experiments, necessary for process equipment design. Moreover, the sorption rate of the metal ion was found to be particularly sensitive to initial bulk concentration, biomass load and temperature. A detailed analysis was conducted analysing various mechanisms. Evidence has been provided that the sorption of cadmium on Aeromonas caviae is a rather complex process. A finite volume diffusion model with a time dependent concentration at the surface of the biosorbent was found to closely fit the experimental data for the largest part of the process. Alternatively, the scenario of an external surface chemical enhancement (dominating the very beginning of the process) being followed by external film diffusion, was also found to meet the best fitting requirements. It was finally found that biosorption of cadmium and chromium is more correctly described by more than one models as is often the case with the sorption of metal ions. It is obvious that the present study is of environmental interest, due to a detailed analysis conducted examining the removal of cationic and anionic metallic ions applying biosorption. Also, the results of this work demonstrate the ability of modified biomass to remove effectively low concentrations of arsenic oxyanions (a metal of high environmental risk) from wastewaters. 238

Η άνοδος του βιοτικού επιπέδου στις μέρες μας είχε ως αποτέλεσμα ανάμεσα στα άλλα οι ποιοτικές παράμετροι που διέπουν τη ζωή μας να προτάσσονται από την πλευρά της κοινωνίας ως ιδιαίτερα σημαντικές. Έτσι, το περιβάλλον και η ολοένα και συνεχιζόμενη υποβάθμισή του αποτελούν από τους κυριότερους προβληματισμούς της κοινωνίας. Παράλληλα, η αυξανόμενη βιομηχανική και αγροτική δράση επέβαλλε τον έλεγχο των εκπομπών των βαρέων μετάλλων στο περιβάλλον. Τα βαρέα μέταλλα θεωρούνται από τους πιο επικίνδυνους ρύπους του περιβάλλοντος, γιατί δεν αποικοδομούνται και συσσωρεύονται σε αυτό για μεγάλο χρονικό διάστημα. Παράλληλα, είναι δυνατό την επίδρασή τους να τη δεχτεί ο άνθρωπος από πολλές πηγές διαμέσου της τροφικής αλυσίδας. Οι συνηθισμένες μέθοδοι απομάκρυνσης και διαχωρισμού των μετάλλων περιλαμβάνουν τη χημική καταβύθιση, την οξείδωση ή αναγωγή, τη διήθηση, την ηλεκτροχημική επεξεργασία και την εφαρμογή της τεχνολογίας των μεμβρανών. Οι παραπάνω μέθοδοι είναι γενικά αρκετά δαπανηρές και αναποτελεσματικές, ιδιαίτερα κατά την κατεργασία μεγάλων όγκων διαλυμάτων που περιέχουν μικρές συγκεντρώσεις τοξικών μετάλλων. Η έρευνα έτσι επικεντρώνεται σε μεθόδους περισσότερο αποτελεσματικές και οικονομικές για την επίτευξη του υψηλότερου βαθμού προστασίας του περιβάλλοντος. Σε αυτή τη λογική, η εφαρμογή της βιοτεχνολογίας στην απομάκρυνση τοξικών μετάλλων από υγρά απόβλητα αποτελεί μία εναλλακτική μέθοδο επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Η βιοσυσσώρευση, δηλαδή, η εφαρμογή ζωντανών μικροοργανισμών και η βιορρόφηση, δηλαδή, η εφαρμογή νεκρών μικροοργανισμών, αποτελούν από τις πιο σύγχρονες μεθόδους απομάκρυνσης τοξικών μετάλλων και ανήκουν στις βέλτιστες διαθέσιμες διεργασίες (Βest Available Techniques). Πρόκειται ουσιαστικά για τεχνικές στις οποίες ως βιορροφητικά υλικά χρησιμοποιούνται κάποια που υπάρχουν στη φύση, ή παράγονται για αυτό το σκοπό, ή αποτελούν τα ίδια απόβλητα βιομηχανικών διεργασιών (βιοτεχνολογική παραγωγή φαρμάκων, παραγωγή ζυμών κ.τ.λ.). Οι παραπάνω τεχνικές χαρακτηρίζονται συνήθως από μεγάλη αποτελεσματικότητα, εκλεκτικότητα, ευρύτητα εφαρμογών και χαμηλό κόστος. Στη συγκεκριμένη μελέτη τα μέταλλα που επιλέχθηκαν για κατεργασία αποτελούν ρύπους υψίστης προτεραιότητας για το περιβάλλον, ενώ ως βιορροφητικό υλικό για την απομάκρυνση του As(V) χρησιμοποιήθηκε αρχικά η βιομάζα του μικροοργανισμού Penicillium chrysogenum, που αποτελεί παραπροϊόν της παρασκευής του αντιβιοτικού πενικιλλίνη. Ενώ, για την απομάκρυνση του Cd(II) και Cr(VI) εφαρμόστηκε ο μικροοργανισμός Aeromonas caviae, ο οποίος απομονώθηκε από λάσπη, που προήλθε από τις δεξαμενές συλλογής υπόγειων υδάτων. Ειδικότερα, η απομάκρυνση του As(V) μελετήθηκε χρησιμοποιώντας βιομάζα, η οποία προηγούμενα επεξεργάστηκε με αμίνες, με στόχο την εισαγωγή θετικά φορτισμένων ομάδων στην επιφάνεια της. Έτσι, η βιομάζα τροποποιήθηκε με διαλύματα δωδεκυλαμίνης (DA), εξαδεκυλ-τριμεθυλο-αμμωνίου (HDTMA) και ενός κατιονικού πολυηλεκτρολύτη Magnafloc-463. Οι κυριότερες παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν το είδος της τροποποίησης, ο χρόνος επαφής της βιομάζας με το μέταλλο, η επίδραση της τιμής του pH και της θερμοκρασίας και η μεταβολή της συγκέντρωσης του μετάλλου. Η τροποποίηση της βιομάζας βελτίωσε τη βιορροφητική ικανότητα της για την απομάκρυνση του πεντασθενούς αρσενικού από υδατικά διαλύματα, ενώ η μέγιστη χωρητικότητα παρατηρήθηκε για τη βιομάζα που κατεργάστηκε με διάλυμα HDTMA.