Απομάκρυνση τοξικών μετάλλων με βιορόφηση ή βιοσυσσώρευση από υγρά απόβλητα:
Creators: name: Γιαλαμουίδης, Δημήτριος Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Βιορόφηση
Τοξικά μέταλλα
Απόβλητα
Κύτταρα
Biosorption
Toxic metals
Wastewaters
Cells

description: Στόχος της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής ήταν η απομάκρυνση των τοξικών μετάλλων από τα υγρά απόβλητα μέσω της μεθόδου της βιορόφησης ή της βιοσυσσώρευσης. Αρχικά έγινε αναγνώριση των ενεργών ομάδων της επιφάνειας των κυττάρων και του μύκητα που χρησιμοποιήθηκαν με τη λήψη φασμάτων FT-IR καθώς και με επιφανειακή τιτλοδότηση με καυστικό νάτριο. Από την αναγνώριση αυτή βρέθηκε ότι η κυτταρική επιφάνεια αποτελείται κυρίως από αμινομάδες, ιμινομάδες, αμιδομάδες, καρβοξυλομάδες, υδροξυλομάδες, φωσφορικές ομάδες και αλκυλομάδες. Επίσης έγινε γνωστό ότι στα διάφορα μόρια του κυτταρικού τοιχώματος περιέχονται ιόντα ασβεστίου, μαγνησίου, καλίου και νατρίου. Επομένως τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τη βιορόφηση είναι ιοντοανταλλαγή, συμπλοκοποίηση, ιοντικοί δεσμοί και ασθενείς διαμοριακές ελκτικές δυνάμεις τύπου van der Waals. Μελετήθηκε η επίδραση του pH κατά τη βιορόφηση ιόντων νικελίου και μαγγανίου σε κύτταρα των βακτηρίων Pseudomonas sp. και Staphylococcus xylosus και του μύκητα Blakeslea trispora. Η βέλτιστη τιμή του pH βρέθηκε στην περιοχή 5-6. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση της συγκέντρωσης της βιομάζας και βρέθηκε ότι η βιοροφητική χωρητικότητα μειώνεται με την αύξηση της βιομάζας. Οι συγκεντρώσεις ισορροπίας επίσης έφταναν σε ένα πλατό ανεξάρτητα από τη συγκέντρωση της βιομάζας που προστίθενται. Από τις τιμές των παραμέτρων των μοντέλων Langmuir, Freundlich και Temkin φάνηκε ότι μεγαλύτερη συγγένεια και βιοροφητική ικανότητα έδειξαν τα κύτταρα Pseudomonas sp και προς τα δύο μέταλλα (95 mg g-1 για το νικέλιο, 125 mg g-1 για το μαγγάνιο). Η μελέτη κινητικής έδειξε ότι η βιορόφηση είναι ένα πολύ γρήγορο φαινόμενο αφού ολοκληρώνεται μέσα στα πρώτα είκοσι λεπτά της ώρας για τα κύτταρα των βακτηρίων Pseudomonas sp. και Staphylococcus xylosus ενώ στην περίπτωση του μύκητα Blakeslea trispora διήρκησε τρεις ώρες, ενδεικτικό της παρουσίας φυσιορόφησης και της ανάπτυξης ασθενών ελκτικών διαμοριακών δυνάμεων. Από τα μοντέλα κινητικής που χρησιμοποιήθηκαν το μοντέλο ψευδο-δεύτερης τάξης περιέγραψε με μεγάλη ακρίβεια τα κινητικά δεδομένα (R2≈1) και προέβλεψε τη βιοροφητική χωρητικότητα στην ισορροπία. Από τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας βρέθηκε ότι γενικά η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί τη βιορόφηση εκτός από την περίπτωση της βιορόφησης του νικελίου από τα κύτταρα Pseudomonas sp. Η αύξηση όμως της θερμοκρασίας πάνω από τους 35 οC μείωσε δραματικά τα ποσοστά της βιορόφησης πιθανότατα λόγω της καταστροφής κάποιων από τις ενεργές ομάδες της κυτταρικής επιφάνειας. Από τις τιμές των θερμοδυναμικών παραμέτρων προέκυψε ότι γενικά η βιορόφηση είναι ενδόθερμο φαινόμενο. Η χημική τροποποίηση της βιομάζας με καυστικό νάτριο ή αιθανόλη αύξησε σε όλες τις περιπτώσεις τη βιοροφητική ικανότητα των κυττάρων. Η τροποποίηση της βιομάζας με άλλα μέσα (υδροχλωρικό οξύ, χλωριούχο ασβέστιο, θέρμανση) είχε σε άλλες περιπτώσεις ευεργετικές συνέπειες και σε άλλες αρνητικές. Τέλος η τροποποίηση της βιομάζας με την προσθήκη ουρίας στο θρεπτικό υλικό αύξησε πάρα πολύ τη βιοροφητική χωρητικότητα σε σημείο μάλιστα να επιτευχθούν και συγκεντρώσεις ισορροπίας κάτω από τα όρια του πόσιμου νερού για το νικέλιο (20 μg L-1) και το μαγγάνιο (50 μg L-1). Στα θετικά ήταν επίσης το ότι η βιομάζα έδειξε εκλεκτικότητα ως προς το νικέλιο και το μαγγάνιο και όχι ως προς άλλα τοξικά μέταλλα όπως το χαλκό, το κάδμιο, το μόλυβδο, το ψευδάργυρο και το κοβάλτιο.
description: The purpose of this PhD was the removal of toxic metals from wastewaters with the method of biosorption or bioaccumulation. Initially, identification of groups and ligands on cell’s surface took place with FT-IR and surface titration with sodium hydroxide. From this identification it was found that the main groups on the surface were amine groups, imine groups, amide groups, carboxyl groups, hydroxyl groups, phosphodiesteric groups and some alkyl groups. It was also found that in some molecules of cell’s surface there are sodium, potassium, magnesium and calcium ions. The phenomena that take place are ion-exchange, complexation and chelation, ionic bonds and van der Waals forces. The influence of pH was also examined during the biosorption of nickel and manganese ions on bacterial (Pseudomonas sp. and Staphylococcus xylosys) and fungi (Blakeslea trispora) cells. The optimum pH values were found in the range 5-6. The influence of biomass concentration was examined and it was found that the biosorption capacity is reduced with the increase of biomass concentration. The equilibrium concentrations reached to a plateau independently from the biomass quantity added. From the parameter values of Langmuir, Freundlich and Temkin isotherms it was found that greater affinity and biosorption capacity showed the cells of Pseudomonas sp for both metals (95 mg g-1 for nickel ions, 125 mg g-1 for manganese ions). The kinetic study showed that biosorption is a very fast phenomenon which is completed within the first twenty minutes for the bacterial cells Pseudomonas sp. and S. xylosus whereas in the case of B. trispora fungal cells the phenomenon endured three hours, something that was indicative of physisorption and presence of van der Waals forces. From the kinetic models used, the pseudosecond order model described with higher accuracy the kinetic data (R2≈1) and forecasted the equilibrium biosorption capacity. The study of temperature influence showed that generally the increase of temperature increases the biosorption too, except from the case of nickel biosorption on Pseudomonas sp. cells. The increase of temperature over 35 oC reduced dramatically the percentage of biosorption possibly due to the destruction of some active groups of the cell. From the values of the thermodynamic parameters it was concluded that biosorption is an endothermal phenomenon. The chemical modification of biomass with sodium hydroxide or ethanol increased in all cases the cell’s biosorption capacity. The modification of biomass also with other ways (hydrochloric acid, calcium chloride, heat) had in some cases beneficent results but negative in others. Finally, the modification of biomass with the addition of urea in growth media increased dramatically the biosorption capacity in such levels that in many cases the equilibrium concentrations were below the limits of drinking water for nickel (20 μg L-1) and for manganese (50 μg L-1). Positive also was the fact the biomass showed selectivity for nickel and manganese ions and not for other toxic metals like copper, cadmium, lead, zinc and cobaltium.