Μελέτη ρόφησης βαρέων μετάλλων από αλγινικό ασβέστιο προερχόμενο από το φαιοφύκος Laminaria digitata
Authors: Παπαγεωργίου Σέργιος 
Published: January 2014

Τα βαρέα μέταλλα στο υδάτινο περιβάλλον αποτελούν έναν από τους πιο συνήθεις αλλά και πιο τοξικούς ρύπους με επιπτώσεις τόσο στους υδρόβιους οργανισμούς όσο και στους χερσαίους, αλλά και στον άνθρωπο. Οι τεχνολογίες απομάκρυνσης των μετάλλων εξελίσσονται ραγδαία, με κύριο στόχο τη μέγιστη αποτελεσματικότητα και την ελαχιστοποίηση του κόστους. Η βιορόφηση, η ρόφηση δηλαδή μετάλλων από υλικά που προέρχονται από ζωντανούς οργανισμούς, κερδίζει συνεχώς έδαφος σε εφαρμογές απορρύπανσης, αφού αποτελεί μέθοδο μικρού κόστους και μεγάλης αποτελεσματικότητας. Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η ικανότητα ρόφησης μετάλλων από ειδικά τροποποιημένο αλγινικό οξύ, πολυσακχαρίτη που απομονώθηκε από το φαιοφύκος Laminaria Digitata. Η ύπαρξη άφθονων ροφητικών ομάδων στο μόριο, καθώς και η ικανότητα του να δημιουργεί σταθερές πηκτές παρουσία δισθενών ιόντων, του δίνουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές βιορόφησης. Το αλγινικό οξύ που απομονώθηκε ήταν καθαρότητας 97%, είχε μέσο μοριακό βάρος ?38 kDa, και λόγο μονομερών M/G = 1,2 (Μ: Μανουρονικό και G: Γουλουρονικό οξύ) Τα σφαιρίδια που προέκυψαν από την σταυροδέσμευσή του με ιόντα ασβεστίου χρησιμοποιήθηκαν για να μελετηθεί η ρόφηση ιόντων χαλκού, Μολύβδου και Καδμίου από υδατικά διαλύματα. Το ροφητικό υλικό παρουσίασε υψηλές τιμές ρόφησης και για τα τρία μέταλλα, ακολουθώντας τη σειρά: Pb2+> Cu2+>Cd2+. Συγκεκριμένα για τον Pb2+: 1,79 mmol g?1 (372,38 mg g?1), για τον Cu2+: 1,38 mmol g?1 (87,39 mg g?1) και για το Cd2+: 1,16 mmol g?1 (129,95 mg g?1). Επιπλέον εξετάστηκε α) η επίδραση του pH στη ρόφηση (το βέλτιστο pH προσδιορίστηκε στο 4,5 για όλα τα μέταλλα), καθώς και β) η επίδραση της θερμοκρασίας στη ρόφηση που αποκάλυψε τον ενδόθερμο χαρακτήρα της διεργασίας. Για την αναπαραγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων εφαρμόστηκαν οι εξισώσεις Langmuir, Freundlich και Sips με την τελευταία να παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ακρίβεια, γεγονός που οφείλεται στην αυξημένη ετερογένεια των ενεργών ροφητικών κέντρων του υλικού. Η εφαρμογή της εξίσωσης Dubinin-Radushkevich, έδωσε τιμές ενέργειας ρόφησης χαρακτηριστικές της κατιονανταλλαγής, ενώ δεδομένα φασματοσκοπίας FTIR έδωσαν ενδείξεις ψευδο-γεφυρωμένης μονοδοντικής διευθέτησης για το σύμπλοκο μετάλλου-καρβοξυλίου. Από πειράματα ρόφησης σε διμεταλλικά διαλύματα, διαπιστώθηκε ανταγωνιστικότητα μεταξύ των ιόντων για τα ροφητικά κέντρα του υλικού με το μόλυβδο να ευνοείται σημαντικά έναντι των δύο άλλων μεταλλικών ιόντων. Η εφαρμογή μοντέλων πρόρρησης αποκάλυψε ότι η διευρυμένη μορφή της εξίσωσης Langmuir είναι δυνατόν να προβλέψει με ακρίβεια τα αποτελέσματα της ρόφησης από διμεταλλικά διαλύματα χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της μονομεταλλικής ρόφησης. Πειράματα κινητικής έδειξαν ότι η ρόφηση ολοκληρώνεται μετά την πάροδο περίπου 1500 min και ακολουθεί κινητική ψευδο-δευτέρας τάξεως. Η διεργασία περιλαμβάνει τρία στάδια με τη διάχυση να παίζει σημαντικό ρόλο. Χρησιμοποιώντας κινητικά μοντέλα προσδιορίστηκαν οι συντελεστές διάχυσης για τα τρία υπό εξέταση μέταλλα και προτάθηκε μοντέλο για μή πορώδη σωματίδια που αναπαράγει ικανοποιητικά τα πειραματικά αποτελέσματα. Γενικά, το αλγινικό οξύ από Laminaria digitata, παρουσιάζει σχετικά υψηλό λόγο M/G με αποτέλεσμα να δίνει σφαιρίδια αλγινικού ασβεστίου με καλές μηχανικές ιδιότητες και ροφητική ικανότητα μεγαλύτερη από πολλά ήδη χρησιμοποιούμενα υλικά. Στο πλαίσιο αυτό, θα μπορούσε να αποτελέσει αποτελεσματικό ροφητικό υλικό για την απομάκρυνση μεταλλικών ιόντων, και ιδιαίτερα μολύβδου από υδατικά διαλύματα.