ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΑΡΙΑ ΛΟΥΚΙ ΟΥ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΑΡΑΙΑ Υ ΑΤΙΚΑ ΙΑΛΥΜΑΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΑΡΙΑ ΛΟΥΚΙ ΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ, Α.Π.Θ. ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΑΡΑΙΑ Υ ΑΤΙΚΑ ΙΑΛΥΜΑΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2003

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΜΑΡΙΑ ΛΟΥΚΙ ΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ, Α.Π.Θ. ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΑΡΑΙΑ Υ ΑΤΙΚΑ ΙΑΛΥΜΑΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας, του τµήµατος Χηµείας, του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Καθηγητής Κ. ΜΑΤΗΣ Επιβλέπων Καθηγητής Αναπληρωτής Καθηγητής Α. ΖΟΥΜΠΟΥΛΗΣ- Μέλος συµβουλευτικής επιτροπής Καθηγήτρια Μ. ΛΙΑΚΟΠΟΥΛΟΥ-ΚΥΡΙΑΚΙ ΟΥ - Μέλος συµβουλευτικής επιτροπής Καθηγητής Γ. ΚΟΚΚΙΝΙ ΗΣ Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Καθηγητής. ΚΥΡΙΑΚΙ ΗΣ Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Επίκουρος Καθηγητής Γ. ΓΑΛΛΙΟΣ Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης Λεκτόρισσα Β. ΣΑΜΑΝΙ ΟΥ Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2003

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διατριβή αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας του Τµήµατος Χηµείας του Α.Π.Θ. Η διατριβή πραγµατοποιήθηκε µε τη βοήθεια πολλών ατόµων που προσέφεραν πολύτιµες συµβουλές και παρατηρήσεις. Πρωταρχικά θέλω να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα της παρούσας διδακτορικής διατριβής κ. Κ. Μάτη, Καθηγητή στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας του Τµήµατος Χηµείας του Α.Π.Θ., για την επιλογή του θέµατος, την συστηµατική και εποικοδοµητική παρακολούθηση, το ενδιαφέρον και τη στήριξη που επέδειξε, καθώς και για τις συνεχείς χρήσιµες συµβουλές του κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της συγκεκριµένης διατριβής. Παράλληλα, θέλω να ευχαριστήσω τον κ. Α. Ζουµπούλη, Αναπληρωτή Καθηγητή στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας του Τµήµατος Χηµείας του Α.Π.Θ., µέλος της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής, για τη συνεχή παρακολούθηση της διατριβής σε όλη τη χρονική διάρκεια της, καθώς και για την οικονοµική υποστήριξη τους πρώτους 18 µήνες από την έναρξη της διατριβής, µε τη χορήγηση υποτροφίας που εξασφάλισε από το ερευνητικό πρόγραµµα ΠΕΝΕ της ΓΓΕΤ µε τίτλο «Αποµάκρυνση τοξικών µετάλλων µε χρήση της µεθόδου βιορόφησης και βιοσυσσώρευσης», του οποίου ήταν Επιστηµονικός Υπεύθυνος. Ευχαριστώ επίσης θερµά την κ. Μαρία Λιακοπούλου-Κυριακίδου, Καθηγήτρια στο Εργαστήριο Οργανικής Χηµείας του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής, µέλος της τριµελούς συµβουλευτικής επιτροπής, για την καθοδήγηση, τη στήριξη και τις υποδείξεις που µου προσέφερε για την κατανόηση βιοτεχνολογικών θεµάτων. Πρέπει επίσης να ευχαριστήσω τον Dr. John M. Tobin, Σχολή Βιολογίας του Πανεπιστηµίου του ουβλίνου για τα πειράµατα ταυτοποίησης του µικροοργανισµού που χρησιµοποιήθηκε στη διδακτορική διατριβή. Ειδικές ευχαριστίες οφείλω στον κ. Θ. Καραπάντσιο, Λέκτορα στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας του Τµήµατος Χηµείας του Α.Π.Θ., για την εποικοδοµητική βοήθεια του µε τις παρατηρήσεις και τις συµβουλές του, ιδιαίτερα σε ότι είχε σχέση µε την κινητική µελέτη και την άµεση επίλυση των διαφόρων προβληµάτων που κατά καιρούς αντιµετώπισα.

4 Ειδικές ευχαριστίες οφείλω να εκφράσω στην κ. Ελένη Παυλίδου, Λέκτορα του Εργαστηρίου Φυσικής Κατάστηασης του Τµήµατος Φυσικής του Α.Π.Θ., που χωρίς τη βοήθεια της θα ήταν αδύνατη η λήψη φωτογραφιών µε την τεχνική της Μικροσκοπίας Σαρωτικής δέσµης και η στοιχειακή ανάλυση µε τη µέθοδο της Ανάλυσης της Ενεργειακής ιασποράς Ακτίνων-Χ. Ευχαριστίες οφείλω στον κ. Π. Μαύρο, Αναπληρωτή Καθηγητή και ιευθυντή στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας του Τµήµατος Χηµείας του Α.Π.Θ., για τις χρήσιµες συµβουλές και επισηµάνσεις του στην παρουσίαση του κειµένου αυτού. Οφείλω ακόµη να ευχαριστήσω τον κ. Ν. Λαζαρίδη, Λέκτορα στο Εργαστήριο Γενικής και Ανόργανης Χηµικής Τεχνολογίας του Τµήµατος Χηµείας του Α.Π.Θ., για τις χρήσιµες συµβουλές και τη βοήθεια που µου προσέφερε κατά τη διάρκεια της δουλειάς στο εργαστήριο. Ευχαριστώ τη ρ. Μαρία Παλαιοµυλίτου για τη συµβολή της στην εκµάθηση και εφαρµογή των µικροβιολογικών τεχνικών, στην αρχή της ενασχόλησής µου µε αυτές. Ευχαριστώ τους φοιτητές, µεταπτυχιακούς και προπτυχιακούς, τους υποψήφιους διδάκτορες, που έκαναν ευχάριστες τις αρκετά κουραστικές ώρες στο εργαστήριο. Τέλος θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες µου στην οικογένειά µου για την αµέριστη ηθική και υλική υποστήριξη και την ενθάρρυνση, χωρίς τα οποία δεν θα ολοκληρώνονταν οι σπουδές µου. Θεσσαλονίκη, Μαρία Χ. Λουκίδου ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ii

5 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΡΥΠAΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ Γενικά Βαρέα (τοξικά) µέταλλα Τοξικότητα των βαρέων µετάλλων Βιοδιαθεσιµότητα Βιοσυσσώρευση Κάδµιο Χρώµιο Αρσενικό Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης των βαρέων µετάλλων από υγρά απόβλητα Γενικά Προσρόφηση Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης του καδµίου Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης του χρωµίου Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης του αρσενικού ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΒΑΡΕΩΝ (ΤΟΞΙΚΩΝ) ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΝΕΡΑ ΚΑΙ ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ Γενικά Μικροοργανισµοί Η δοµή του κυτταρικού τοιχώµατος των µικροοργανισµών Μηχανισµοί βιοσυσσώρευσης-βιορρόφησης Συσσώρευση στο εσωτερικό του κυττάρου Φυσική προσρόφηση Ιονανταλλαγή Συµπλοκοποίηση Καταβύθιση Παράγοντες που επηρεάζουν τη βιοσυσσώρευση και τη βιορρόφηση των µετάλλων Είδος βιοµάζας Είδος µετάλλου Εξωτερικοί παράγοντες Βιβλιογραφική ανασκόπηση για την αποµάκρυνση του Cd(II), As(V) και Cr(VI) Σύγκριση βιολογικών µεθόδων µε τις συνηθισµένες µεθόδους αποµάκρυνσης τοξικών µετάλλων από υγρά απόβλητα Εφαρµογές της βιοσυσσώρευσης-βιορρόφησης-εφαρµογή στην κατεργασία υγρών αποβλήτων ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ iii

6 3.9. Έκλουση (αποµάκρυνση) του µετάλλου από τη βιοµάζα µε σκοπό την επαναχρησιµοποίηση της ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΤΕΡΕΟΥ/ΥΓΡΟΥ ΜΕ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ Γενικά Η Επίπλευση Βιορροφητική Επίπλευση ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ Γενικά Κινητική ανάλυση των πειραµατικών δεδοµένων Μοντέλα ιεργασιών Προσρόφησης Μεταφορά µάζας στον κύριο όγκο του διαλύµατος (bulk diffusion) Εξωτερική µεταφορά µάζας ( ιάχυση οριακού στρώµατος Film Diffusion) Χηµική Αντίδραση (Χηµειορρόφηση) Εξίσωση Πρώτης τάξης Εξίσωση εύτερης Τάξης Εξίσωση Ψευδο-δεύτερης Τάξης Εξίσωση Langmuir-Hinshelwood Εξίσωση Elovich Εξισώσεις Ritchie ΜΟΝΤΕΛΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΙΑΧΥΣΗΣ Συνδυασµένη εσωτερική µεταφορά µάζας και ισχυρή µονόδροµη ισορροπία Bιβλιογραφική ανασκόπηση για την κινητική ανάλυση της βιορρόφησης ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ ΙΙ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ 1. ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ-ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ PENICILLIUM CHRYSOGENUM ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ AEROMONAS CAVIAE ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Προσδιορισµός ιοντικού περιεχοµένου Καµπύλες τιτλοδότησης της βιοµάζας Ζ-δυναµικό Λήψη φασµάτων FTIR Λήψη φωτογραφιών της βιοµάζας µε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ iv

7 SEM ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΠΟΥ ΜΕΛΕΤΗΘΗΚΑΝ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ ΕΚΛΟΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΤΗ ΒΙΟΜΑΖΑ ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟ ΩΝ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Προσδιορισµός του As(V) Προσδιορισµός του Cd(II) Προσδιορισµός του Cr(VI) Προσδιορισµός των ιόντων Na(Ι),K(Ι), Ca(ΙΙ), Mg(ΙΙ) ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Α. ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΑΡΣΕΝΙΚΟΥ(V) 1. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Μετρήσεις ζ-δυναµικού Επιφανειακή τιτλοδότηση της βιοµάζας Προσδιορισµός της συγκέντρωσης των αλκαλικών µετάλλων και των αλκαλικών γαιών Φάσµατα FTIR Φωτογραφίες της βιοµάζας από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΤΟΥ As(V) ΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Μελέτη της τροποποίησης της βιοµάζας στη βιορρόφηση του As(V) Μελέτη της επίδρασης της τιµής του ph στη βιορρόφηση του As(V) Μελέτη της επίδρασης της θερµοκρασίας στη βιορρόφηση του As(V) Υπολογισµός των θερµοδυναµικών παραµέτρων ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ Β. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ AEROMONAS CAVIAE 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΤΟΥ ΚΑ ΜΙΟΥ ΣΤΟΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟ AEROMONAS CAVIAE Xαρακτηρισµός της βιοµάζας A. caviae Μετρήσεις ζ-δυναµικού Επιφανειακή τιτλοδότηση της βιοµάζας Προσδιορισµός της συγκέντρωσης των αλκαλικών µετάλλων και των αλκαλικών γαιών Φάσµατα FTIR Φωτογραφίες της βιοµάζας από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο Μελέτη της βιορρόφησης του Cd(II) ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ v

8 5.3. Μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης της βιοµάζας και της θερµοκρασίας στη βιορρόφηση του Cd(II) Υπολογισµός των θερµοδυναµικών παραµέτρων Κινητική µελέτη της βιορρόφησης του Καδµίου Κινητικό µοντέλο ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ AEROMONAS CAVIAE Μελέτη της επίδρασης της ποσότητας της βιοµάζας και της θερµοκρασίας στη βιορρόφηση του Cr(VI) Υπολογισµός των θερµοδυναµικών παραµέτρων Kινητική Μελέτη της βιορρόφησης του Χρωµίου Κινητικό Μοντέλο V. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ VΙ. BIBΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Α. ιεθνής Βιβλιογραφία Β. Ελληνική Βιβλιογραφία SUMMARY ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ vi

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1. Μηχανισµοί τοξικής δράσης των βαρέων µετάλλων Πίνακας 2. Ανώτατες επιτρεπτές συγκεντρώσεις βαρέων µετάλλων στο πόσιµο νερό (µg L -1 ) Πίνακας 3. Σύγκριση διαφόρων µεθόδων κατεργασίας υγρών αποβλήτων που περιέχουν τοξικά µέταλλα (Eccles, 1999) Πίνακας 4. ιαφορές των θετικών και αρνητικών κατά Gram µικροοργανισµών Πίνακας 5α. Σύγκριση διαφόρων βιορροφητικών υλικών µε βάση τη µέγιστη αποµάκρυνση (q max ) που παρουσιάζουν για τα ιόντα Cd(II) για διαφορετικές πειραµατικές συνθήκες Πίνακας 5β. Σύγκριση διαφόρων βιορροφητικών υλικών µε βάση τη µέγιστη αποµάκρυνση (q max ) που παρουσιάζουν για τα ιόντα Cr(VI) για διαφορετικές πειραµατικές συνθήκες Πίνακας 6. Χαρακτηριστικά της βιοσυσσώρευσης και της βιορρόφησης µετάλλων από αραιά υδατικά διαλύµατα Πίνακας 7. Χαρακτηριστικές χηµικές µέθοδοι κατεργασίας για την τροποποίηση των βιορροφητικών υλικών Πίνακας 8. Προσρόφηση των µεταλλικών ιόντων σε διάφορα προσροφητικά υλικά (Ho et al., 2000) Πίνακας 9. Χαρακτηριστικές εξισώσεις κινητικής (Ho et al., 2000) Πίνακας 10. Περιεκτικότητα των αλκαλικών µετάλλων και αλκαλικών γαιών στα διάφορα είδη βιοµάζας ως meq ιόντος/g του προσροφητικού υλικού Πίνακας 11. Σταθερές της εξίσωσης Langmuir και Freundlich από τις κατεργασµένες βιοµάζες Πίνακας 12. Αποµάκρυνση As(V) από νερό εφαρµόζοντας συµβατικά προσροφητικά Πίνακας 13. Σταθερές των εξισώσεων Langmuir και Freundlich των τροποποιηµένων βιοµαζών σε θερµοκρασία 20 o C και διαφορετικές τιµές ph vii

10 Πίνακας 14. Σταθερές των εξισώσεων Langmuir και Freundlich των τροποποιηµένων βιοµαζών σε ph 3 και διαφορετικές θερµοκρασίες Πίνακας 15. Περιεκτικότητα της βιοµάζας σε αλκαλικά µέταλλα και αλκαλικές γαίες (ως meq ιόντος/g του προσροφητικού) Πίνακας 16. Σταθερές της ισόθερµης Langmuir και Freundlich σε τιµή του ph Πίνακας 17. Βιορρόφηση του Cd(II) από διάφορα βιορροφητικά υλικά: Σύγκριση της χωρητικότητας (q max ) σε διάφορες πειραµατικές συνθήκες Πίνακας 18. εδοµένα ισορροπίας από πειράµατα µε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις του µετάλλου, ποσότητα βιοµάζας (φόρτιση) και θερµοκρασίες Πίνακας 19. Σύγκριση των κινητικών παραµέτρων µε τις ροφητικές χωρητικότητες από τα πειράµατα ισορροπίας Πίνακας 20. Οι κινητικές παράµετροι του µοντέλου Elovich Πίνακας 21. Κινητικές παράµετροι που προέκυψαν για τη διάχυση και την εξωτερική µεταφορά µάζας σε συνδυασµό µε τα προσροφητικά µοντέλα Πίνακας 22. Σταθερές της ισόθερµης Langmuir και Freundlich σε ph Πίνακας 23. Βιορρόφηση του Cr(VI) από διάφορα βιορροφητικά υλικά: Σύγκριση της χωρητικότητας (q max ) σε διάφορες πειραµατικές συνθήκες Πίνακας 24. εδοµένα ισορροπίας από πειράµατα µε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις του µετάλλου, ποσότητα βιοµάζας (φόρτιση) και θερµοκρασίες Πίνακας 25 Σύγκριση των κινητικών παραµέτρων µε τις ροφητικές χωρητικότητες από τα πειράµατα ισορροπίας Πίνακας 26..Οι κινητικές παράµετροι του µοντέλου Elovich Πίνακας 27. Κινητικές παράµετροι που προέκυψαν για τη διάχυση και την εξωτερική µεταφορά µάζας σε συνδυασµό µε τα προσροφητικά µοντέλα ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ viii

11 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήµα 1. Τρόποι µεταφοράς των βαρέων µετάλλων στον άνθρωπο (Κουιµτζής κ.α., 1998)... 7 Σχήµα 2. Ιονικές µορφές του καδµίου (10-5 Μ) σε υδατικά διαλύµα (speciation) σε συνάρτηση µε τη µεταβολή του ph (χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα Mineql+).. 14 Σχήµα 3. Ιονικές µορφές του εξασθενούς χρωµίου (10-5 Μ) σε υδατικά διαλύµατα (speciation) σε συνάρτηση µε τη µεταβολή του ph (χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα Mineql+) Σχήµα 4. Ιονικές µορφές του πεντασθενούς αρσενικού (10-5 Μ) σε υδατικά διαλύµα (speciation) σε συνάρτηση µε τη µεταβολή του ph (χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα Mineql+) Σχήµα 5. Οι υφές του Aspergillus και Penicillium: δύο από τους σηµαντικότερους µύκητες (Κυριακίδης, 2000) Σχήµα 6. Κυτταρικό τοίχωµα των (α) Gram+ και (β) Gram- µικροοργανισµών Σχήµα 7. Σχηµατική αναπαράσταση των µηχανισµών βιοσυσσώρευσης/ βιορρόφησης (Gadd and White, 1995) Σχήµα 8. ιαγράµµατα ροής διαφόρων µεθόδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων που περιέχουν τοξικά µέταλλα (White et al., 1995) Σχήµα 9. Σχηµατική παράσταση του προφίλ της συγκέντρωσης εσωτερικά του σφαιρικού σωµατιδίου, σύµφωνα µε τα µοντέλα SCM και LAM, θεωρώντας ως ρυθµορυθµιστικό στάδιο τη διάχυση (Smith, 1981) Σχήµα 10. Σχηµατική αναπαράσταση της καλλιέργειας των µικροοργανισµών (Κυριακίδης, 2000) Σχήµα 11. Συσκευή µέτρησης ζ-δυναµικού α) Συσκευή µικροηλεκτροφόρησης: (1) ηλεκτρόδια, (2) µικροσκόπιο, (3) µικροµετρικός κοχλίας, (4) πηγή φωτισµού, (5) επίπεδη κυψέλη, (6) υδρόλουτρο και (7) κυκλοφορία νερού και β) στάσιµα επίπεδα της επίπεδης κυψέλης (Κεφάλα, 2000) Σχήµα 12. Πειραµατική διάταξη επίπλευσης διασκορπισµένου αέρα Σχήµα 13. Ηλεκτρική διπλοστοιβάδα στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού (Γιαννακουδάκης 1986) Σχήµα 14. Επίδραση της συγκέντρωσης του τροποποιητή στην αποµάκρυνση του As(V). Συνθήκες πειράµατος: [As] o : 5 mg L - 1, [βιοµάζα]: 1 g L -1, t: 1h, T: 20 o C ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ix

12 Σχήµα 15. Επίδραση της τροποποίησης και της τιµής του ph στο ζ-δυναµικό της βιοµάζας Σχήµα 16. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της βιοµάζας Mycan Σχήµα 17. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της βιοµάζας DA-Mycan Σχήµα 18. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της βιοµάζας HDTMA-Mycan Σχήµα 19. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της βιοµάζας Magnafloc-Mycan Σχήµα 20. Φάσµα FTIR της ακατέργαστης βιοµάζας Mycan σε ph Σχήµα 21. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης βιοµάζας DA-Mycan σε ph Σχήµα 22. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης βιοµάζας HDTMA-Mycan σε ph Σχήµα 23. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης βιοµάζας Magnafloc-Mycan σε ph Σχήµα 24. Φωτογραφίες της βιοµάζας (α) Mycan και των τροποποιηµένων βιοµαζών: (β) Magnafloc-Mycan, (γ) HDTMA-Mycan και (δ) DA -Mycan Σχήµα 25. Επίδραση των τιµών του ph στην αποµάκρυνση του αρσενικού Σχήµα 26. Επίδραση του χρόνου βιορρόφησης στην αποµάκρυνση του As(V) µε εφαρµογή της βιοµάζας HDTMA-Mycan Σχήµα 27. Ισόθερµες βιορρόφησης του As από τις κατεργασµένες βιοµάζες Σχήµα 28. Ισόθερµες βιορρόφησης του As από τη βιοµάζα DA-Mycan Σχήµα 29. Ισόθερµες βιορρόφησης του As από τη βιοµάζα HDTMA-Mycan Σχήµα 30. Ισόθερµες βιορρόφησης του As από τη βιοµάζα Magnafloc-Mycan Σχήµα 31. Ισόθερµες βιορρόφησης του As από τη βιοµάζα ΗDΤΜA-Mycan C ad, eq Σχήµα 32. α) ιάγραµµα του (C eq - ) β) ιάγραµµα του lnk c και 1/T C eq ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ x

13 Σχήµα 33. Η επίδραση του χρόνου επίπλευσης στην αποµάκρυνση του As(V) και το διαχωρισµό της βιοµάζας DA-Mycan. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επiπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L Σχήµα 34. Επίδραση της τροποποίησης της βιοµάζας στην επίπλευση. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επιπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L Σχήµα 35. Επίδραση της συγκέντρωσης του αφριστικού στην επίπλευση της βιοµάζας Mycan. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επιπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L Σχήµα 36. Επίδραση του τρόπου εφαρµογής της βιοµάζας (ξηρή ή υγρή µορφή) στην αποµάκρυνση του αρσενικού. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επιπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L Σχήµα 37. Καµπύλη ανάπτυξης του µικροοργανισµού Αeromonas caviae (Τ:30 o C, ph:7) Σχήµα 38. Επίδραση της τιµής του ph στο ζ-δυναµικό της βιοµάζας Aeromonas (T:20 o C, t επαφ. :10 min, [ανάδευση]:180 rpm, [βιοµάζα]: Σχήµα 39. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρηση της βιοµάζας Aeromonas Σχήµα 40. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης βιοµάζας Aeromonas σε φυσικό ph. 148 Σχήµα 41. Φωτογραφία της βιοµάζας σε φυσικό ph σε θερµοκρασία α)20, β)40 και γ) 60 o C Σχήµα 42. Επίδραση της τιµής του ph στη βιορρόφηση του Cd (ΙΙ). Συνθήκες πειράµατος: [Cd] o : 5 mg L - 1, [βιοµάζα]: 1 g L -1, t: 30 min, T: 20 o C Σχήµα 43. Επίδραση του χρόνου βιορρόφησης στην αποµάκρυνση του Cd(ΙΙ) µε εφαρµογή της βιοµάζας Aeromonas: α) παραµένουσα συγκέντρωση και β) Re% αποµάκρυνση του Cd(IΙ). Συνθήκες πειράµατος: [Cd] o : 5 mg L -1, [βιοµάζα]: 1 g L -1, ph: 7, T: 20 o C Σχήµα 44. Φάσµα FTIR της βιοµάζας Aeromonas που έχει χρησιµοποιηθεί για βιορρόφηση του Cd(II) σε θερµοκρασία 20 o C Σχήµα 45. Φωτογραφία SEM της βιοµάζας που έχει χρησιµοποιηθεί για βιορρόφηση του Cd(II) σε θερµοκρασία 20 o C Σχήµα 46. Ισόθερµες βιορρόφησης του Cd(II) από τη βιοµάζα Aeromonas σε: (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετική θερµοκρασία, ph: 7 (Μοντέλο Langmuir) ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xi

14 Σχήµα 47. Ισόθερµες βιορρόφησης του Cd(II) από τη βιοµάζα Aeromonas caviae σε: (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετική θερµοκρασία. Συνθήκες: ph: 7 (Μοντέλο Freundlich) C ad, eq Σχήµα 48 α) ιάγραµµα του (C eq - ) β) ιάγραµµα του lnk c και 1/T C eq Σχήµα 49. Κινητική µελέτη της βιορρόφησης του Cd(II) από A. caviae σε: (α) 5 και (β) 50 mg L -1, όπου: Χ: συγκέντρωση της βιοµάζας (ph: 7, ταχύτητα ανάδευσης: 180 rpm) Σχήµα 50. Μεταβολή της παραµένουσας συγκέντρωσης του Cd(ΙΙ) µε το χρόνο κατά τη βιορρόφηση του από A. caviae σε διαφορετικές συγκεντρώσεις NaNO 3 (ph: 7, ταχύτητα ανάδευσης: 180 rpm) Σχήµα. 51. ιάγραµµα της βιορροφητικής χωρητικότητας µε την τετραγωνική ρίζα του χρόνου επαφής για διάφορες πειραµατικές συνθήκες Σχήµα 52. Μοντέλο συρρικνούµενου πυρήνα: εσωτερική διάχυση Σχήµα 53. Κινητική της βιορρόφηση Cd(II) σε (α) 5 και (β) 50 mg L -1. Οι γραµµές αναφέρονται στην πρόβλεψη της συγκέντρωσης από την αντίδραση 2 ης τάξης. (ph:7) Σχήµα. 54. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο ψευδο-2 ης για αρχική συγκέντρωση Cd(II):(α) 5 και (β) 50 mg L -1. (εξίσωση 16, ph: 7) Σχήµα. 55. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο µοντέλο Ritchie 2 ης για αρχική συγκέντρωση Cd(II): (α) 5 και (β) 50 mg L -1 (εξίσωση 19, ph: 7) Σχήµα 56. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο Elovich για αρχική συγκέντρωση Cd(II): (α) 5 και (β) 50 mg L -1. (ph: 7) Σχήµα 57. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της διάχυσης (εξίσωση 21) για αρχική συγκέντρωση 5 mg L -1 και (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετικές θερµοκρασίες Σχήµα 57. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της διάχυσης (εξίσωση 21) για αρχική συγκέντρωση 50 mg L -1 : (γ) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (δ) διαφορετικές θερµοκρασίες Σχήµα 58. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της µεταφοράς µάζας (εξίσωση 28, 29) για αρχική συγκέντρωση 5 mg L -1 : (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετικές θερµοκρασίες ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xii

15 Σχήµα 58. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της µεταφοράς µάζας (εξίσωση 28, 29) για αρχική συγκέντρωση 50 mg L -1 : (γ) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (δ) διαφορετικές θερµοκρασίες Σχήµα 59. Κινητική εκρόφησης του καδµίου: Επίδραση διαφορετικών εκροφητικών αντιδραστηρίων. C εκρ είναι η συγκέντρωση του καδµίου που εκροφάται. Συνθήκες: (C eq = mg L -1, βιοµάζα: 1g L -1, ph: 7) Σχήµα 60. Επίδραση των τιµών του ph στη βιορρόφηση του Cr(VΙ): α) παραµένουσα συγκέντρωση και β) Re% αποµάκρυνση του Cr(VΙ). Συνθήκες:[Cr(VI)] o = 5 mg L -1, T: 20 o C, [βιοµάζα]:1 g L -1 t:1 h Σχήµα 61. Επίδραση του χρόνου βιορρόφησης στην αποµάκρυνση του Cr(VΙ) µε εφαρµογή της βιοµάζας Aeromonas: α) παραµένουσα συγκέντρωση και β) Re% αποµάκρυνση του Cr(VΙ). Συνθήκες πειράµατος: [Cr(VΙ)] o :5 mg L -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, τιµή ph: 2.5, T: 20 o C Σχήµα 62. Φάσµα FTIR της βιοµάζας A. caviae που χρησιµοποιήθηκε για βιορρόφηση του Cr(V) σε θερµοκρασία 20 o C Σχήµα 63. Φωτογραφία SEM της βιοµάζας που χρησιµοποιήθηκε για βιορρόφηση του Cr(V) σε θερµοκρασία 20 o C Σχήµα 64. Ισόθερµες βιορρόφησης του Cr(VI) από τη βιοµάζα Α. caviae: α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας β) διαφορετική θερµοκρασία (Μοντέλο Langmuir). ph: Σχήµα 65. Ισόθερµες βιορρόφησης του Cr(VI) από τη βιοµάζα Α. caviae:α) για διαφορετική ποσότητα βιοµάζας β) για διαφορετική θερµοκρασία. (Μοντέλο Freundlich) ph: C ad, eq Σχήµα 66. α) ιάγραµµα του (C eq - ) β) ιάγραµµα του lnk c και 1/T C eq Σχήµα 67. Κινητική µελέτη της βιορρόφησης του Cr(VI) από A. caviae σε: (α) 5 και (β) 50 mg L -1 (ph: 2.5, ταχύτητα ανάδευσης: 180 rpm) Σχήµα 68. Κινητική βιορρόφησης του Cr(VI) από A. caviae σε διαφορετικές συγκεντρώσεις NaNO Σχήµα 69. Κινητική της βιορρόφησης Cr(VI) σε (α) 5 και (β) 50 mg L -1. Οι γραµµές αναφέρονται στην πρόβλεψη της συγκέντρωσης από την αντίδραση 2 ης τάξης. (εξίσωση 15, ph:2.5) ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xiii

16 Σχήµα. 70. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο ψευδο-2 ης για αρχική συγκέντρωση Cr(VI):(α) 5 και (β) 50 mg L -1. (εξίσωση 16, ph: 2.5) Σχήµα 71. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο Ritchie 2 ης για αρχική συγκέντρωση Cr(VI): (α) 5 και (β) 50 mg L -1 (εξίσωση 19, ph: 2.5) Σχήµα 72. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο Elovich για αρχική συγκέντρωση Cr(VI): (α) 5 και (β) 50 mg L -1 (ph: 2.5) Σχήµα 73. Η µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της διάχυσης (εξίσωση 21) για αρχική συγκέντρωση 5 mg L -1 :(α) για διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετική θερµοκρασία Σχήµα 73. Η µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της διάχυσης (εξίσωση 21) για αρχική συγκέντρωση 50 mg L -1 :(γ) για διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (δ) διαφορετική θερµοκρασία Σχήµα 74. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της µεταφοράς µάζας (εξίσωση 24) για αρχική συγκέντρωση 5 mg L -1 :(α) για διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετική θερµοκρασία Σχήµα 74. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της µεταφοράς µάζας (εξίσωση 24) για αρχική συγκέντρωση 50 mg L -1 :(γ) για διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (δ) διαφορετική θερµοκρασία Σχήµα 75. Εκρόφηση του χρωµίου: Επίδραση εκροφητικού αντιδραστηρίου. C εκρ είναι η συγκέντρωση του χρωµίου που εκροφάται (mg L -1) ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xiv

17 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 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. xv

18 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. Η επίπλευση διασκορπισµένου αέρα µελετήθηκε στη συνέχεια για το διαχωρισµό της βιοµάζας από το αιώρηµα και την ανακύκλωση του απαλλαγµένου από µέταλλο διάλυµα, ώστε να ανακυκλωθεί στην παραγωγική διαδικασία ή να διατεθεί σε υδάτινους αποδέκτες. Ο διαχωρισµός της βιοµάζας ήταν σχεδόν πλήρης σε πολύ µικρό χρονικό διάστηµα (µόλις 5 min). Η προσθήκη του τροποποιητή βελτίωσε το διαχωρισµό της βιοµάζας στο επόµενο στάδιο του διαχωρισµού µε επίπλευση, χωρίς την επιπλέον προσθήκη τασενεργών ενώσεων. Το δεύτερο µέρος της διατριβής περιλαµβάνει τη µελέτη της αποµάκρυνσης ιόντων που εµφανίζονται µε θετικό φορτίο, Cd(II) και αρνητικό φορτίο, οξυανιόντα Cr(VI), από υδατικά τους διαλύµατα µε εφαρµογή νεκρής βιοµάζας Aeromonas caviae. Εξετάστηκαν διάφορες παράµετροι που επηρεάζουν τη βιορρόφηση, όπως η αρχική συγκέντρωση των µετάλλων, η ποσότητα της βιοµάζας, η θερµοκρασία και η παρουσία αλάτων (ιονική ισχύς). Προέκυψαν αρκετά ικανοποιητικές τιµές για τη µέγιστη χωρητικότητα της βιοµάζας, τόσο για το κάδµιο ( mg g -1 ), όσο και το χρώµιο ( mg g -1 ), οι οποίες ήταν συγκρίσιµες µε αυτές που αναφέρονται στη ΠΕΡΙΛΗΨΗ xvi

19 βιβλιογραφία. Ο µικροοργανισµός Aeromonas caviae αποδείχθηκε ότι αποµακρύνει αποτελεσµατικά το κάδµιο (~80%) και το χρώµιο (~60%). Η µελέτη ολοκληρώθηκε µε την πραγµατοποίηση κινητικών πειραµάτων µε στόχο τον προσδιορισµό του ρυθµού της διεργασίας και τελικά, του κατάλληλου µηχανισµού που την περιγράφει. Γενικά, ο ρυθµός µιας χηµικής αντίδρασης δεν είναι δυνατό να προβλεφθεί µε ακρίβεια και για το λόγο αυτό θα πρέπει να µετρηθεί πειραµατικά. Οι διάφορες µεταβλητές που επηρεάζουν το ρυθµό και οι εξισώσεις που συσχετίζουν τα πειραµατικά αποτελέσµατα του ρυθµού αποτελούν αντικείµενο της κινητικής ανάλυσης. Οι προσδιοριζόµενες κινητικές παράµετροι είναι πρακτικής σηµασίας για τις τεχνολογικές εφαρµογές, αφού η µοντελοποίηση αντικαθιστά συχνά µε επιτυχία πειράµατα που απαιτούν κατανάλωση ενέργειας και χρόνου, και είναι απαραίτητα για το σχεδιασµό µιας διεργασίας. Βρέθηκε ότι ο ρυθµός της βιορρόφησης εξαρτάται από την αρχική συγκέντρωση του µετάλλου, την ποσότητα της βιοµάζας και την ιονική ισχύ του διαλύµατος. Κατά την επεξεργασία των πειραµατικών αποτελεσµάτων θεωρήθηκε µία ποικιλία µηχανισµών, καθορίστηκαν οι αριθµητικές τιµές των σταθερών, οι οποίες δίνουν την καλύτερη προσαρµογή της κάθε εξίσωσης στα πειραµατικά αποτελέσµατα και επιλέχθηκε η εξίσωση που προσοµοιάζει καλύτερα τα πειραµατικά αποτελέσµατα και συµφωνεί µε τις διαθέσιµες πληροφορίες σχετικά µε τη διεργασία. Η βιορρόφηση των τοξικών µετάλλων προέκυψε ότι είναι µάλλον αρκετά πολύπλοκη διεργασία, αφού περιγράφεται από περισσότερες από µία εξισώσεις, αντίθετα µε αυτό που ισχύει στην περίπτωση της ρόφησης µεταλλικών ιόντων από ανόργανα προσροφητικά., όπου ο ρυθµός της ρόφησης περιγράφεται συνήθως από µία εξίσωση. Στη συγκεκριµένη περίπτωση φαίνεται ότι πραγµατοποιείται µία ταχύτατη χηµική αντίδραση στην επιφάνεια της βιοµάζας στα πρώτα λεπτά της διεργασίας ακολουθούµενη από µεταφορά µάζας, η οποία κυριαρχεί µέχρι περίπου το τέλος της διεργασίας. Εξάλλου, η εξίσωση που περιγράφει τη διάχυση πεπερασµένου όγκου µε συνεχή µείωση της συγκέντρωσης βρέθηκε να προσοµοιάζει τα πειραµατικά αποτελέσµατα για τη µεγαλύτερη χρονική διάρκεια της διεργασίας. Η συγκεκριµένη εργασία παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, αφού παρέχει µία ολοκληρωµένη µελέτη της αποµάκρυνσης µετάλλων κατιόντων και ανιόντων µε εφαρµογή της βιορρόφησης. ΠΕΡΙΛΗΨΗ xvii

20 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Το φυσικό περιβάλλον αποτελεί το φυσικό και βιολογικό πλαίσιο του ανθρώπινου είδους. Το ανθρώπινο είδος εξαρτάται άµεσα από αυτό το περιβάλλον, που του υποστηρίζει τη ζωή κατά πολλούς και πολύπλοκους τρόπους. Ο δεσµός µεταξύ του ανθρώπινου είδους και του περιβάλλοντος είναι ιδιαίτερα στενός τόσο που η διάκριση µεταξύ τους να γίνεται ασαφής. Ωστόσο, αναλύοντας το µέλλον του περιβάλλοντος παρατηρούνται σηµαντικές επεµβάσεις από ανθρωπογενείς µεταβολές, πολλές από τις οποίες είναι ωφέλιµες, ενώ άλλες είναι καταστροφικές, όπως π.χ. η ρύπανση του περιβάλλοντος. Ως ρύπανση του περιβάλλοντος αναφέρεται η άµεση ή έµµεση εκποµπή στο περιβάλλον ουσιών, θορύβου ή άλλης µορφής ενέργειας σε ποσότητες, συγκέντρωση ή διάρκεια, που µπορεί να προκαλέσει βλάβη στην υγεία του ανθρώπου, υλικές ζηµιές, δυσµενή επίδραση σε ζωντανούς οργανισµούς ή σε οικοσυστήµατα. Γενικά, αποτελεί την «ενέργεια» που µπορεί να καταστήσει το περιβάλλον ακατάλληλο για τις επωφελείς χρήσεις για τις οποίες προορίζεται (Κουϊµτζής και Μάτης, 1993). Ο όρος ρύπανση του περιβάλλοντος χρησιµοποιείται συχνότερα για την περίπτωση της ατµόσφαιρας, των υδάτινων πόρων (λίµνες, ποτάµια, θάλασσες) και του εδάφους. Η προστασία του περιβάλλοντος αναδεικνύεται σε ένα από τα κυριότερα προβλήµατα που καλείται η Ευρώπη να αντιµετωπίσει, ενώ ταυτόχρονα αναγνωρίζεται ότι το εκάστοτε µοντέλο ανάπτυξης δεν είναι δυνατό να στηρίζεται στην εξάντληση των φυσικών πόρων και την υποβάθµιση του περιβάλλοντος. Κατά τη διάρκεια διαφόρων κοινοτικών προγραµµάτων δράσης έχει θεσπιστεί εκτενής σειρά νοµοθετικών πράξεων για τον περιορισµό της ρύπανσης, µέσω της υιοθέτησης όρων και περιορισµών, ιδιαίτερα σε θέµατα διαχείρισης αποβλήτων και ρύπανσης υδάτων. Βέβαια, η θέσπιση τέτοιου κατασταλτικού και κανονιστικού πλαισίου δεν ανέστειλε, ακόµη σε σηµαντικό βαθµό, την περαιτέρω υποβάθµιση του περιβάλλοντος. Η αρχή της βιώσιµης ανάπτυξης («αειφορίας») που ισχύει από τις 1 Μαΐου 1999 µε τη Συνθήκη του Μάαστριχτ, αναγορεύεται σε καταστατική αρχή της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Στους στόχους της περιβαλλοντικής αυτής πολιτικής περιλαµβάνονται: 1

21 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ - η διατήρηση, προστασία και βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος, - η προστασία της υγείας του ανθρώπου, - η σωστή και ορθολογική χρησιµοποίηση των φυσικών πόρων. Η ανάγκη διατήρησης των υδάτινων πόρων σε ικανές ποσότητες και υψηλή ποιότητα αποτελεί ένα κρίσιµο θέµα. Ο αυξανόµενος πληθυσµός και η συνεχώς επεκτεινόµενη βιοµηχανική και αγροτική παραγωγή, καθώς και οι συνακόλουθα αυξανόµενες ενεργειακές ανάγκες µε τα απόβλητα, που δηµιουργούν, απαιτούν µεγαλύτερες ποσότητες νερού. Ως αποτέλεσµα τα διαθέσιµα αποθέµατα νερού περιορίζονται ολοένα και περισσότερο. Τα τελευταία χρόνια οι Ελληνικές Κυβερνήσεις, συνήθως σε συµµόρφωση προς τις Κοινοτικές Οδηγίες, προχώρησαν σε ορισµένες ρυθµίσεις για την προστασία των υδάτων. Με την Υπουργική Απόφαση 46399/1352/86 έγιναν ρυθµίσεις για την απαιτούµενη ποιότητα των επιφανειακών υδάτων που προορίζονται για πόσιµα, για κολύµβηση και για διαβίωση ψαριών. Με την Πράξη Υπουργικού Συµβουλίου 73/90 καθορίστηκαν κατευθυντήριες και οριακές τιµές ποιότητας των υδάτων από απορρίψεις ορισµένων επικίνδυνων ουσιών. Με την Υπουργική Απόφαση 55648/2210/91 θεσπίστηκαν µέτρα και περιορισµοί για την προστασία του περιβάλλοντος. Ειδικότερα, καθορίστηκαν οριακές τιµές των επικίνδυνων ουσιών στα υγρά απόβλητα. Με τη Νοµαρχιακή Απόφαση /91/94 καθορίστηκαν όροι διάθεσης των λυµάτων υγρών και βιοµηχανικών αποβλήτων σε φυσικούς αποδέκτες και καθορίστηκε η χρήση των παραπάνω υδάτινων αποδεκτών στο Νοµό Θεσσαλονίκης. H οδηγία 96/61/ΕΚ, σχετικά µε την Ολοκληρωµένη Πρόληψη και Έλεγχο της Ρύπανσης (Intergrated Pollution Prevention Control, IPPC) αναφέρεται στον έλεγχο και την πρόληψη της ρύπανσης µε βάση την πρόγνωση και τη λήψη των αναγκαίων µέτρων, ώστε να επιτευχθεί ο υψηλότερος βαθµός προστασίας του περιβάλλοντος. Με την οδηγία αυτή συνδυάζεται η οικονοµική ευηµερία των επιχειρήσεων, µε τη µείωση της χρήσης των φυσικών πόρων και της ενέργειας καθώς και τις εκποµπές των επικίνδυνων ουσιών. Η οδηγία αποσκοπεί στην ολοκληρωµένη πρόληψη και τον έλεγχο των βιοµηχανικών δραστηριοτήτων. Το σηµαντικότερο στοιχείο της Οδηγίας αυτής αποτελούν οι Βέλτιστες ιαθέσιµες Τεχνικές, οι οποίες είναι τεχνικές που Κεφάλαιο 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2

22 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ συµβάλλουν στην πρόληψη ή τον περιορισµό της ρύπανσης, µπορούν να υλοποιηθούν αποτελεσµατικά και είναι οικονοµικά και τεχνικά εφαρµόσιµες, ενώ παράλληλα εκπληρώνουν τους στόχους που θέτει η Οδηγία. Οι πρώτες µονάδες επεξεργασίας αποβλήτων άρχισαν να λειτουργούν στην Ελλάδα µόλις πριν από είκοσι χρόνια. Η ανάγκη εναρµόνισης της ελληνικής νοµοθεσίας µε τις ισχύουσες οδηγίες της Ε.Ε. µετέβαλλε τελείως το σκηνικό. Έτσι, τα µητροπολιτικά κέντρα της χώρας, αλλά και η πλειοψηφία των δήµων, που έχουν συστήσει ηµοτική Επιχείρηση Ύδρευσης και Αποχέτευσης (.Ε.Υ.Α), έχουν τη δική τους µονάδα επεξεργασίας αποβλήτων. Η διαχείριση των αποβλήτων στην Ελλάδα παρουσιάζει ακόµη σηµαντικές καθυστερήσεις σε επίπεδο εγκαταστάσεων. Οι εγκαταστάσεις είναι αποσπασµατικές και κατακερµατισµένες, λόγω αδυναµίας σχεδιασµού και προγραµµατισµού επενδύσεων και εργασιών. Βέβαια, συνεχώς γίνονται προτάσεις για βελτίωση του βαθµού λειτουργικότητας των µονάδων µε στόχο την επίτευξη καλύτερης διαχείρισης και ελέγχου που αποτελούν πλέον τη βασική αστική υποδοµή για µια σύγχρονη πόλη. Μία τυπική µοινάδα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων περιλαµβάνει την πρωτοβάθµια επεξεργασία (εσχάρωση, εξάτµιση, καθίζηση) τη δευτεροβάθµια (βιολογική) επεξεργασία και την τριτοβάθµια επεξεργασία και τη διάθεση του επεξεργασµένου (καθαρού) αποβλήτου. H κατεργασία που υφίστανται τα απόβλητα από τα επιµεταλλωτήρια, την παραγωγή φωσφορικών λιπασµάτων, παραγωγή σιδήρου και άλλων µετάλλων, είναι η µετατροπή των διαλυµένων µετάλλων σε αδιάλυτα ιζήµατα, τα οποία όµως απαιτούν ειδικούς χώρους απόθεσης, αυξάνοντας ταυτόχρονα και το κόστος της κατεργασίας. Γενικά, η κατεργασία των υγρών αποβλήτων γίνεται µε τις συνηθισµένες µεθόδους προκαλώντας δευτερογενή προβλήµατα, εξαιτίας της απόθεσης των τοξικών στερεών ή της ανεξέλεγκτης απόρριψης των υγρών αποβλήτων στους υδάτινους αποδέκτες (Butter, 1998). Κεφάλαιο 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 3

23 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 2.1. Γενικά Το νερό είναι ταυτισµένο µε την ύπαρξη της ζωής. Η αφθονία του φυσικού αυτού πόρου και η προσπάθεια κάλυψης των αδιάκοπα αυξανόµενων αναγκών του ανθρώπου οδήγησε στην αλόγιστη χρήση του. Σήµερα, η έλλειψη του νερού µπορεί να αποτελέσει το πιο σοβαρό εµπόδιο για την οικονοµική ανάπτυξη σε πολλές περιοχές του πλανήτη. Περισσότεροι από 1 δις κάτοικοι δεν έχουν πρόσβαση σε καθαρό νερό. Παράλληλα, οι αρδευόµενες εκτάσεις επεκτείνονται, ενώ η παραγωγικότητα της καλλιεργούµενης γης µειώνεται. Οι σηµερινές τάσεις είναι ανησυχητικές, αφού στις επόµενες δύο δεκαετίες, εκτιµάται ότι η χρήση του νερού θα αυξηθεί κατά 40%, ενώ 17% περισσότερο νερό θα χρειαστεί για να παραχθεί η απαραίτητη τροφή για τον αυξανόµενο πληθυσµό (Μήτρακας, 1996). Η Ελλάδα γεωγραφικά βρίσκεται σε µια περιβαλλοντικά ευαίσθητη περιοχή. Η ανάπτυξη και οι πληθυσµιακές πιέσεις της Μεσογείου, ιδιαίτερα στις παραθαλάσσιες περιοχές, δηµιουργούν µεγάλες διακυµάνσεις στην παροχή του νερού. Οι βασικοί τοµείς κατανάλωσης του νερού είναι η γεωργία και ο τουρισµός. To συνολικό υδροδυναµικό δυναµικό της χώρας ανέρχεται σε *10 6 m 3 το χρόνο, από το οποίο *10 6 m 3 το χρόνο είναι οι επιφανειακές απορροές και 2.452*10 6 m 3 το χρόνο η συντηρητική εκτίµηση των υπόγειων νερών (Αλµπάνης, 1996). Η εισαγωγή µεγάλων ποσοτήτων ακατέργαστων υγρών αποβλήτων στους φυσικούς αποδέκτες δηµιουργεί σοβαρά προβλήµατα υποβάθµισής τους, όπως π.χ. ελάττωση της ικανότητας αυτοκαθαρισµού των υδάτων, καταστροφή των βιοκοινωνιών, ευτροφισµό, κ.λ.π. Ρύπανση των υδάτων εµφανίζεται όπου αυτά δεν χαρακτηρίζονται από πλήρη καθαρότητα. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του νερού πρέπει να ακολουθούν συγκεκριµένα πρότυπα ποιότητας (quality standards) ανάλογα µε τη χρήση του (άρδευση, ύδρευση, βιοµηχανία). Τα πρότυπα αυτά σχετίζονται µε την παρουσία ουσιών που υπάρχουν σε αυτό, είτε διαλυµένες, είτε µε τη µορφή αιωρούµενων σωµατιδίων, µε τη θερµοκρασία του νερού και το ρυθµό ροής του, καθώς και µε την παρουσία άλλων ουσιών είναι δυνατό να έχει ουσιαστική επίδραση στο νερό ως µέσο για τη διατήρηση της ζωής φυτών και ζώων. Ειδικότερα, το ενδιαφέρον εστιάζεται: 4

24 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ o στις προδιαγραφές των ουσιών που (πρέπει να) υπάρχουν στο νερό o στην παροχή των κατάλληλων ουσιών για τη ζωή και την ανάπτυξη, o στις πηγές, από όπου προέρχεται το νερό, την ποιότητα και τον έλεγχο τους, o στις προδιαγραφές και την εφαρµογή ορίων ασφαλείας για το πόσιµο νερό. Πολλές χώρες που ήδη υποφέρουν από την έλλειψη νερού, θα οδηγηθούν σε κρίσεις ακόµη και εµπόλεµες καταστάσεις µε τις γειτονικές τους χώρες, µε τις οποίες µοιράζονται κοινά αποθέµατα νερού. Για να εξασφαλιστεί η ποσότητα και η ποιότητα του νερού σε ικανοποιητικό βαθµό, θα πρέπει να αναζητηθούν καινοτόµες λύσεις σε τρεις επιµέρους τοµείς: στην τεχνολογία, την οικονοµία και τους θεσµούς διαχείρισης. Η πρόκληση για την (βιο)τεχνολογία είναι να ελέγξει και να επιλύσει τα ζητήµατα ποιότητας και ποσότητας του νερού στις καλλιέργειες προς όφελος των αναπτυσσόµενων χωρών και του περιβάλλοντος. Η οικονοµία οφείλει να αποδώσει στο νερό την πραγµατική του αξία και οι θεσµοί να εντάξουν τον πολίτη στην ενεργότερη και αποτελεσµατικότερη διαχείριση του. Το νερό αποτελεί προτεραιότητα για αρκετούς διεθνείς οργανισµούς, όπως π.χ. ο Ο.Η.Ε. (UNEP) και ο Global Environmental Facility (GEF) ο οποίος χρηµατοδοτεί µέτρα που συµβάλλουν στην ορθολογική διαχείριση των παγκόσµιων υδάτων (Καρβούνης, 1995). 2.2 Βαρέα (τοξικά) µέταλλα Τα βαρέα (τοξικά) µέταλλα θεωρούνται από τους πλέον επικίνδυνους ρύπους του περιβάλλοντος (Βutter, 1998). Κι αυτό επειδή τα βαρέα µέταλλα και οι ενώσεις τους σε αντίθεση µε τις οργανικές τοξικές ουσίες, δεν αποικοδοµούνται, αλλά παραµένουν/συσσωρεύονται στο περιβάλλον για µεγάλο χρονικό διάστηµα. Εισέρχονται απλά σε κάποιο µικρό ή µεγάλο βιο-γεωχηµικό κύκλο. Ο όρος «βαρέα µέταλλα» χρησιµοποιείται µάλλον άστοχα για την περιγραφή των µεταλλοειδών στοιχείων που έχουν µεγάλη σχετικά ατοµική µάζα, ενώ χαρακτηρίζει και στοιχεία µε µεγάλη τοξικότητα. Σε πολλές βιβλιογραφικές αναφορές διακρίνονται οι όροι «βαρέα στοιχεία» (heavy elements) ή «µεταλλικά ιχνοστοιχεία» (trace metals) (Βutter, 1998). Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 5

25 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η τοξικότητα των µετάλλων στα φυσικά νερά αποδίδεται στο συνδυασµό της διαλυτότητας, βιοδιαθεσιµότητας και στον τρόπο και την κινητική της πρόσληψης από κάθε οργανισµό (βιοσυσσώρευση). Ο έλεγχος των εκποµπών των βαρέων µετάλλων στο περιβάλλον είναι αναγκαίος. Κάτι τέτοιο είναι απαραίτητο να γίνει στην πηγή εκποµπής, δηλαδή πολύ πριν οι ρύποι «εισβάλλουν» στο οικοσύστηµα. Η παρακολούθηση της τύχης των µεταλλικών στοιχείων µετά την εισαγωγή τους στο οικοσύστηµα γίνεται ιδιαίτερα δύσκολη, καθώς µετακινούνται από τη µία τροφική αλυσίδα στην άλλη και συσσωρεύονται στους ζώντες οργανισµούς µε τελική κατάληξη τον άνθρωπο, ο οποίος βρίσκεται στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας. Έτσι, ο κίνδυνος πολλαπλασιάζεται και ο άνθρωπος τελικά τείνει να δεχτεί την τοξικότητα από πολλές πηγές και σε συµπυκνωµένη µορφή (αυξηµένες συγκεντρώσεις). Τα προβλήµατα υγείας που προκύπτουν θεωρούνται χρόνια και επηρεάζουν την καλή κατάσταση του ανθρώπου, αλλά και αυξάνουν τις δαπάνες των Συστηµάτων Υγείας για την αντιµετώπισή τους. Εξάλλου, τα βαρέα (τοξικά) µέταλλα ανήκουν στην κατηγορία των ιχνοστοιχείων, δηλαδή, των στοιχείων που υπάρχουν στα φυσικά συστήµατα σε µικρές σχετικά συγκεντρώσεις. Σηµειώνεται, ότι αρκετά από αυτά, π.χ. ο χαλκός, ο ψευδάργυρος, το κοβάλτιο θεωρούνται απολύτως απαραίτητα σε µικρές ποσότητες για τη λειτουργία των ζωντανών οργανισµών (Plette, 1996). Tα τοξικά µέταλλα ταξινοµούνται σε τρεις κατηγορίες προτεραιότητας (Volesky, 2001): 1. Περιβαλλοντικού κινδύνου (environmental risk, ER) 2. Ρυθµού µείωσης των αποθεµάτων (reserve depletion rate, RDR) 3. Συνδυασµός των δύο προηγούµενων κατηγοριών. O προσδιορισµός του περιβαλλοντικού κινδύνου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, ενώ η δεύτερη κατηγορία χρησιµοποιείται ως δείκτης µελλοντικής αύξησης της αξίας του µετάλλου. Όταν συνδυάζονται οι δύο παραπάνω κατηγορίες τότε υπάρχει ένδειξη ότι τα µέταλλα Cd, Hg, Pb, Zn, Cr και As είναι υψηλής προτεραιότητας, όσον αφορά τη διαχείρισή τους. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται τρία µέταλλα (αρσενικό(v), κάδµιο(ii) και χρώµιο(vi), που χαρακτηρίζονται ως µέταλλα υψηλής προτεραιότητας, ενώ παράλληλα περιλαµβάνονται και στη λίστα των ρύπων µέγιστης προτεραιότητας (για Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 6

26 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ την αντιµετώπισή τους) της Αµερικάνικης Υπηρεσίας Προστασίας του Περιβάλλοντος (US Environmental Protection Agency, EPA). Στο σχήµα 1 φαίνονται οι τρόποι µεταφοράς των βαρέων µετάλλων στον άνθρωπο. Βαρέα µέταλλα και τοξικά ιχνοστοιχεία στην ατµόσφαιρα Ρύπανση δια µέσου των φύλλων Πρόσληψη µε την αναπνοή Έδαφος Πρόσληψη µε τις ρίζες Φυτά Πρόσληψη µε τη κατανάλωση Ζώα Πρόσληψη µε τη κατανάλωση Άνθρωπος Πρόσληψη µε τη κατανάλωση Πόσιµο νερό Κύριος τρόπος ευτερεύων τρόπος Σχήµα 1. Τρόποι µεταφοράς των βαρέων µετάλλων στον άνθρωπο (Κουϊµτζής κ.α., 1998). 2.3 Τοξικότητα των βαρέων µετάλλων Τοξική ουσία θεωρείται κάθε ουσία που µπορεί να προκαλέσει ανεπιθύµητες επιδράσεις σε οποιοδήποτε βιολογικό σύστηµα. Τοξικότητα καλείται το ανεπιθύµητο Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 7

27 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ αποτέλεσµα της δράσης µιας ή περισσοτέρων χηµικών ουσιών στο βιολογικό υλικό. Η δράση αυτή είναι αποτέλεσµα σχηµατισµού δεσµών (αντιστρεπτών ή µηαντιστρεπτών) µεταξύ της χηµικής ένωσης και των υποδοχέων του βιολογικού υλικού (Τσούκαλη-Παπαδοπούλου, 1987). Τα τοξικά µέταλλα και κυρίως το αρσενικό, ο µόλυβδος, ο υδράργυρος, το κάδµιο είναι ιδιαίτερα επικίνδυνα όταν είναι συνδεδεµένα µε µικρές αλυσίδες ατόµων άνθρακα. Βιοχηµικά, ο µηχανισµός της τοξικής τους δράσης οφείλεται στην ισχυρή συγγένεια των µεταλλοκατιόντων µε το θείο. Έτσι, οι σουλφυδρυλικές οµάδες, -SH, οι οποίες συχνά αποτελούν συστατικά των ενζύµων και ελέγχουν την ταχύτητα των κρίσιµων µεταβολικών αντιδράσεων στο ανθρώπινο σώµα, ενώνονται εύκολα µε τα κατιόντα των βαρέων µετάλλων που προσλήφθηκαν µε την τροφή ή µε τις ενώσεις που περιέχουν µέταλλα. Επειδή ο δεσµός µετάλλου-θείου που προκύπτει επηρεάζει το ένζυµο, αυτό δεν µπορεί να δράσει φυσιολογικά µε αποτέλεσµα ο ανθρώπινος οργανισµός να προσβάλλεται ακόµη και θανατηφόρα. Η αντίδραση των µεταλλοκατιόντων Μ 2+, όπου Μ είναι π.χ. Hg, Pb, Cd µε τις σουλφυδρυλικές οµάδες των ενζύµων (R-S-H) για την παραγωγή σταθερών συστηµάτων (R-S-M-S-R) είναι ανάλογη µε την αντίδραση τους µε την απλή ανόργανη ένωση H 2 S, µε την οποία δηµιουργείται το αδιάλυτο στερεό MS (Κουϊµτζής κ.α., 1998). M 2+ + H S H MS+ 2H R S H+ M 2+ + H S R + R S M S R+ 2H Η τοξικότητα που εµφανίζουν τα βαρέα µέταλλα εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τη συγκεκριµένη χηµική µορφή του στοιχείου (speciation). Οι µορφές που είναι σχεδόν αδιάλυτες, περνούν µέσα από το ανθρώπινο σώµα χωρίς να προκαλέσουν σηµαντικά προβλήµατα. Οι πιο επικίνδυνες µορφές των µετάλλων είναι οι διαλυτές που µπορούν να προκαλέσουν άµεση ασθένεια ή ακόµη και θάνατο, καθώς και εκείνες που µπορούν να διαπεράσουν την προστατευτική µεµβράνη του εγκεφάλου ή του αναπτυσσόµενου εµβρύου. Για ορισµένα µέταλλα, όπως είναι ο Hg, η πιο τοξική µορφή του είναι αυτή που έχει αλκυλοµάδες συνδεδεµένες µε το µέταλλο, καθώς παρόµοιες ενώσεις είναι διαλυτές στους ζώντες ιστούς και µπορούν να διαπεράσουν σχετικά εύκολα τις βιολογικές µεµβράνες (Κουϊµτζής κ.α., 1998). Τα µέταλλα µε διάφορα σθένη εµφανίζονται µε διαφορετικές µορφές στα φυσικά νερά. Είναι σηµαντικό ότι ο προσδιορισµός της τοξικότητας τους µπορεί να + Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 8

28 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ κατανοηθεί από τις διαφορετικές χηµικές µορφές των µετάλλων. Ο όρος «speciation» χαρακτηρίζει τη διάκριση µορφών ενός µετάλλου και αναφέρεται στη βιβλιογραφία σαν: α) «Οργανοµεταλλική διάκριση µορφών», κατά την οποία διακρίνονται οι οργανικές και ανόργανες µορφές που χαρακτηρίζονται από διαφορετική τοξικότητα, ευκινησία κ.λ.π. β) «Ανόργανη διάκριση µορφών», κατά την οποία διακρίνονται οι διαφορετικές οξειδωτικές βαθµίδες ενός στοιχείου (Κουϊµτζής κ.α., 1998). Η ισορροπία µεταξύ των µορφών µε τις οποίες εµφανίζονται τα µέταλλα στη βιόσφαιρα είναι δυναµική. Τα µέταλλα δηλαδή συµµετέχουν σε βιογεωχηµικούς κύκλους. Κάτι τέτοιο έχει επιβεβαιωθεί από την ανίχνευση µετάλλων σε διάφορα τµήµατα της βιόσφαιρας (νερό, ιζήµατα, πετρώµατα, φυτά και ζώα). Στον παρακάτω πίνακα 1 δίνονται µερικοί χαρακτηριστικοί µηχανισµοί τοξικής δράσης των βαρέων µετάλλων (Αλµπάνης, 1996). Πίνακας 1. Μηχανισµοί τοξικής δράσης των βαρέων µετάλλων. Μηχανισµός Αποτέλεσµα Αντίδραση µετάλλων µε κυτταρικές Μείωση διαπερατότητας των µεµβρανών µεµβράνες και διακοπή της µεταφοράς Na +, K +, Cl - και οργανικών µορίων Αντίδραση µε προιόντα µεταβολισµού Σχηµατισµός σταθερών ιζηµάτων ή χηλικών ενώσεων Μεθυλίωση των βαρέων µετάλλων Παράγωγα περισσότερο τοξικά από τα απλά ιόντα Σχηµατισµός χηλικών ενώσεων µε «ηλητηρίαση» και αδρανοποίηση των ορισµένες ενζυµικές οµάδες ενζυµικών συστηµάτων Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 9

29 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.4. Βιοδιαθεσιµότητα Η βιολογική διαθεσιµότητα ή βιοδιαθεσιµότητα των µετάλλων αποτελεί την ποσότητα του µετάλλου που είναι διαθέσιµη για πρόσληψη από έναν οργανισµό από το περιβάλλον του. Γενικά εξαρτάται από: Τη συγκέντρωση των µετάλλων στο περιβάλλον. Τη µορφή, τα είδη µε τα οποία εµφανίζεται το µέταλλο. Μερικά είδη ενός µετάλλου είναι περισσότερο ευκίνητα από άλλα (Butter, 1998). Την in vivo διαλυτότητα. Τα µέταλλα έχουν διαφορετική διαλυτότητα και γι αυτό απορροφώνται σε διαφορετικό βαθµό από τα σηµεία επαφής (γαστρεντερικές και αναπνευστικές επιφάνειες). Εξάλλου, οι µορφές του µετάλλου προσροφώνται διαφορετικά. Μόνο τα µέταλλα και οι µεταλλικές ενώσεις που είναι διαλυτές in vivo απορροφώνται στο εσωτερικό του οργανισµού (Elinder et al., 1994). Ωστόσο, τα κύτταρα είναι απαραίτητο να διακρίνουν και να συσσωρεύουν τα απαραίτητα ιχνοστοιχεία από το περιβάλλον τους. Η κίνηση των µετάλλων µέσα στο κύτταρο οφείλεται κυρίως σε διάχυση, διεργασία που απαιτεί κατανάλωση ενέργειας. Οι συγκεκριµένοι µηχανισµοί µεταφοράς δεν είναι τόσο εκλεκτικοί, οπότε είναι πιθανό να προσληφθούν και µη-απαραίτητα µέταλλα. Έτσι, οποιοδήποτε µέταλλο υπάρχει στο περιβάλλον είναι δυνατό να συσσωρευτεί σε ζωντανά κύτταρα. Η συσσώρευση των µετάλλων εξαρτάται από την κατάσταση της επιφάνειας του (µικρο)οργανισµού και συγκεκριµένα από: τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας, τη παρουσία άλλων µετάλλων, που επιταχύνουν ή παρεµποδίζουν τη πρόσληψη ενός συγκεκριµένου µετάλλου, την ενεργότητα των µεταλλικών µορφών µε την επιφάνεια, τους περιβαλλοντικούς παράγοντες, όπως π.χ. η θερµοκρασία, που επηρεάζουν το ρυθµό των βιολογικών και χηµικών αντιδράσεων Βιοσυσσώρευση Βιοσυσσώρευση (bioaccumulation) καλείται η ιδιότητα µερικών χηµικών ουσιών να συσσωρεύονται σε διάφορα σηµεία της τροφικής αλυσίδας µε συνεχώς αυξανόµενες συγκεντρώσεις. Έτσι, αν (α) είναι η συγκέντρωση µιας ουσίας στο Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 10

30 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ θαλασσινό νερό, η συγκέντρωση της σε ένα θαλάσσιο οργανισµό µπορεί να φθάσει µέχρι και α, ανάλογα µε τη θέση που κατέχει ο οργανισµός αυτός στην τροφική αλυσίδα. Για παράδειγµα, τα στρείδια και τα µύδια είναι δυνατό να περιέχουν Hg και Cd σε συγκεντρώσεις που είναι φορές υψηλότερες από αυτές του νερού, µέσα στο οποίο ζουν (Κουϊµτζής κ.α., 1998). Οι συγκεντρώσεις των περισσότερων βαρέων µετάλλων στο πόσιµο νερό οφείλουν να είναι πολύ µικρές, οπότε δεν θα προκαλέσουν άµεσα προβλήµατα υγείας. Τα ποσά των µετάλλων όµως, που προσλαµβάνονται µέσω της διατροφής, είναι συνήθως µεγαλύτερης σηµασίας από αυτά που προσλαµβάνονται µε το πόσιµο νερό. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται οι ανώτατες επιτρεπτές συγκεντρώσεις ορισµένων χαρακτηριστικών βαρέων µετάλλων στο πόσιµο νερό. Πίνακας 2. Ανώτατες επιτρεπτές συγκεντρώσεις βαρέων µετάλλων στο πόσιµο νερό (µg L -1 ) (Οδηγία της ΕΟΚ 98/83/ΕΚ) Μέταλλο EPA (U.S. Environmental Protection Agency) (µg L -1 ) WHO Παγκόσµιος Οργανισµός Υγείας (µg L -1 ) Ευρωπαϊκή Ένωση (µg L -1 ) As Pb Cd Hg O ρυθµός αποβολής µιας ουσίας από τον οργανισµό είναι ανάλογος µε τη συγκέντρωση C της ουσίας στον οργανισµό. Αν k αποτελεί τη σταθερά ρυθµού για τη διεργασία της αποβολής, ισχύει: Ρυθµός πρόσληψης = R Ρυθµός αποβολής= kc Αν κάποια ουσία δε βρίσκεται στον οργανισµό, δηλαδή C=0, τότε ο αρχικός ρυθµός αποβολής είναι µηδέν και η συγκέντρωση προέρχεται αποκλειστικά από την πρόσληψη. Βέβαια, καθώς η συγκέντρωση αυξάνει, αυξάνεται και ο ρυθµός αποβολής, προσεγγίζοντας το ρυθµό πρόσληψης. Τότε η συγκέντρωση C δεν µεταβάλλεται και είναι: Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 11

31 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ C (steady state) = R/k Η ταχύτητα αποβολής αναφέρεται ως ηµιπερίοδος ζωής t 0.5, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για να αποβληθεί η µισή ποσότητα της ουσίας. Είναι γνωστό, ότι για τις αντιδράσεις πρώτης τάξης ισχύει k=0.69/ t 0.5. Οπότε προκύπτει ότι C (steady state) = R t 0.5 /0.69=1.45 R t 0.5 Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι όσο µεγαλύτερη είναι η ηµιπερίοδος ζωής, τόσο υψηλότερο είναι το επίπεδο συσσώρευσης σταθερής κατάστασης (Κουϊµτζής κ.α., 1998) Κάδµιo Το κάδµιο είναι ένα µαλακό και εύτηκτο µέταλλο γαλαζόασπρου χρώµατος. Καθαρές ενώσεις του καδµίου είναι σπάνιες στη φύση, ενώ οι ενώσεις του CdS (greenockite) και CdCO 3 (otavite) είναι αρκετά διαδεδοµένες. Η κύρια πηγή προέλευσης του καδµίου είναι τα θειούχα ορυκτά µεταλλεύµατα µολύβδου, ψευδαργύρου και χαλκού, από τα οποία ανακτάται ως παραπροϊόν κατά τις διεργασίες εµπλουτισµού των ορυκτών. Οι ρυθµοί παραγωγής του καδµίου είναι συνάρτηση της ζήτησης σε ψευδάργυρο (Smith et al., 1995). Στο παρελθόν, η κύρια χρήση του µεταλλικού καδµίου ήταν η ηλεκτροχηµική επιµετάλλωση άλλων µετάλλων, όπως του χάλυβα. Έτσι, αν και σήµερα η συγκεκριµένη χρήση έχει ελαττωθεί, τα επιµεταλλωτήρια αποτελούν σηµαντική πηγή ρύπανσης από κάδµιο (Smith et al., 1995). Εξάλλου, το κάδµιο χρησιµοποιείται ως ηλεκτρόδιο στις επαναφορτιζόµενες µπαταρίες Ni-Cd. Όταν η µπαταρία παρέχει ρεύµα, το στερεό ηλεκτρόδιο µεταλλικού καδµίου διαλύεται µερικά και σχηµατίζει αδιάλυτο Cd(OH) 2, ενσωµατώνοντας ιόντα υδροξειδίου από το µέσο στο οποίο είναι βυθισµένο. Σε µερικές περιοχές γίνεται ανακύκλωση των µετάλλων από αυτές τις µπαταρίες. Σε αρκετές χώρες έχει απαγορευτεί η χρήση µπαταριών Ni-Cd και προχωρούν στην αντικατάστασή τους µε άλλες, που δεν περιέχουν κάδµιο. (Κουϊµτζής κ.α., 1998). Άλλες χρήσεις του καδµίου είναι στις οθόνες των τηλεοράσεων, σε µυκητοκτόνα ως σταθεροποιητής κατά την παραγωγή πλαστικών, στις πυρηνικές κεφαλές. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες επηρεάζουν σε σηµαντικό βαθµό τη συµπεριφορά των Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 12

32 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ απαραίτητων µετάλλων για την ανάπτυξη των οργανισµών, αλλά και των τοξικών, µεταβάλλοντας τις µορφές µε τις οποίες αυτά απαντώνται. Η µορφή µε την οποία το κάδµιο απαντάται σε ρυπασµένες περιοχές εξαρτάται από την τιµή του ph και από την κατεργασία που έχουν υποστεί τα υγρά απόβλητα. Οι συνήθεις µορφές του καδµίου στα υγρά απόβλητα είναι η κατιονική Cd 2+, τα διάφορα σύµπλοκα (π.χ. κυανιούχα) και το στερεό Cd(OH) 2. Σε ph<8 κυριαρχεί το διαλυµένο δισθενές κατιόν (Σχήµα 2) ή οι θειικές υδατοδιαλυτές ενώσεις. Σε µεγαλύτερες όµως τιµές το κάδµιο καταβυθίζεται ως Cd(OH) 2 ή CdCO 3. Το CdCO 3 είναι περισσότερο δυσδιάλυτο από το Cd(OH) 2, ενώ η διαλυτότητα του αυξάνει µε την αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2. Σε αναγωγικές συνθήκες και παρουσία θείου σχηµατίζεται η σταθερή ένωση CdS. Ακόµη, το κάδµιο σχηµατίζει µικτά ιζήµατα µε φωσφορικά, σεληνιούχα, σεληνιακά, σεληνιώδη, αρσενικικά και χρωµικά ιόντα, η διαλυτότητα των οποίων εξαρτάται από την τιµή του ph και από τις υπόλοιπες γεωχηµικές συνθήκες (Smith et al., 1995). Οι κύριοι µηχανισµοί µετατροπής του καδµίου σε διάφορες µορφές, που επηρεάζουν την κίνησή του στο περιβάλλον, είναι η καταβύθιση και η προσρόφηση σε εδάφη και ιζήµατα. Η αποµάκρυνση του καδµίου από το νερό αυξάνει σηµαντικά µε την αύξηση της τιµής του ph πάνω από 8. Σε τιµή του ph κοντά στο 6 το κάδµιο αποµακρύνεται λίγο ή καθόλου, ενώ σε τιµές του ph> 9 είναι δυνατό να αποµακρυνθεί πλήρως. Το κάδµιο είναι περισσότερο ευκίνητο σε υδατικά συστήµατα σε σχέση µε άλλα βαρέα µέταλλα, όπως π.χ. ο µόλυβδος. Το κάδµιο συναντάται στα επιφανειακά και υπόγεια νερά µε τη µορφή ένυδρων ιόντων ή µε τη µορφή συµπλόκων µε οργανικά συστατικά του εδάφους ή άλλους οργανικούς υποκαταστάτες. Σε όξινο περιβάλλον και παρουσία ανιόντων σχηµατίζονται τα αντίστοιχα σύµπλοκα. Με το σχηµατισµό των συµπλόκων αυτών το µέταλλο παραµένει στην υδατική φάση και διευκολύνεται η κινητικότητά του. Η παρουσία του στο νερό οφείλεται στην έκπλυσή του από τα εδάφη σε όξινες συνθήκες, ενώ δε µεταφέρεται από το νερό στον αέρα εξαιτίας του µη-σχηµατισµού πτητικών ενώσεων (Smith et al., 1995). Σε αναγωγικό περιβάλλον, το κάδµιο καταβυθίζεται ως αδιάλυτο CdS. Έτσι, ελέγχεται αποτελεσµατικά η κινητικότητα του καδµίου στο φυσικό περιβάλλον, µε την προϋπόθεση ότι διατηρούνται αναγωγικές συνθήκες (Smith et al., 1995). Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 13

33 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 100 % Total Concentration Cd(2+) Cd(OH)3 - Cd(OH)4-2 CdNO3 + CD(OH)2 (C ) ph Σχήµα 2. Ιονικές µορφές του καδµίου (10-5 M) σε υδατικά διαλύµατα (speciation) σε συνάρτηση µε τη µεταβολή του ph (χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα Μineql+). Το κάδµιο είναι ιδιαίτερα τοξικό. Συσσωρεύεται στο ήπαρ, στα νεφρά, στη σπλήνα και το θυρεοειδή αδένα, όπου και προκαλεί βαρύτατες παθήσεις, ενώ αντικαθιστά το ασβέστιο των οστών. Η ηµιπερίοδος ζωής του καδµίου στον ανθρώπινο οργανισµό ανέρχεται σε χρόνια. Παρόλα αυτά, ένα µέρος του καδµίου αποβάλλεται µε τα ούρα. Η τοξική δράση του εκδηλώνεται µε πολλούς τρόπους, όπως η αντικατάσταση του ψευδαργύρου, που είναι απαραίτητο ιχνοστοιχείο σε βιολογικά συστήµατα. Περίπτωση χρόνιας δηλητηρίασης από κάδµιο εµφανίστηκε στην Ιαπωνία το 1947, σε χωριό στις όχθες του ποταµού Jintsu. Η ασθένεια που παρατηρήθηκε ονοµάστηκε Itai-Itai από τους ισχυρούς πόνους που προκαλούσε και εκδηλώθηκε µε σοβαρές παθήσεις στα νεφρά, στο ήπαρ, µε υψηλή πίεση αίµατος και σοβαρές αλλοιώσεις στο σχήµα του σκελετού και γενικότερα µε µείωση της αντίστασης του οργανισµού στις µολυσµατικές παθήσεις. Αρκετές από τις επιπτώσεις της ασθένειας ήταν θανατηφόρες. Τ ο 1961 διαπιστώθηκε ότι η αιτία ήταν το κάδµιο, το οποίο υπήρχ ε στα απόβλητα παρακείµενου ορυχείου, τα οποία χρησιµοποιούταν για άρδευση των ορυζώνων. Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 14

34 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η θανατηφόρος δόση είναι περίπου 1 g. Ο ανθρώπινος οργανισµός προστατεύεται απέναντι στη χρόνια έκθεση σε χαµηλά επίπεδα καδµίου από την πλούσια σε θείο πρωτεΐνη µεταλλ οθειονίνη, που ρυθµ ίζει το µεταβολισµό του ψευδαργύρου. Η µεταλλοθειονίνη µπορεί να συµπλοκοποιήσει όλο σχεδόν τον προσλαµβανόµενο κάδµιο, αφού έχει πολλές σουλφυδρυλικές οµάδες, ενώ το σχηµατιζόµενο σύµπλοκο στη συνέχεια αποβάλλεται µε τα ούρα (Κουϊµτζής κ.α., 1998). Αν το ποσό του καδµίου που απορροφήθηκε από το σώµα ξεπερνά την ικανότητα της µεταλλοθειονίνης, το µέταλλο αποθηκεύεται στο ήπαρ και τα νεφρά. Το κάδµιο είναι ένα συσσωρευτικό δηλητήριο, καθώς αν δεν αποβληθεί γρήγορα, η παραµονή του στο σώµα διαρκεί µερικές δεκαετίες. Οι περιοχές µεγαλύτερου κινδύνου είναι η Ιαπωνία και η Κεντρική Ευρώπη, αφού η ρύπανση του εδάφους είναι ιδιαίτερα υψηλή, κυρίως λόγω της ανεξέλεγκτης (σε µεγάλο βαθµό) βιοµηχανικής δραστηριότητας Χρώµιο Το χρώµιο ανήκει στην οµάδα VI-B του περιοδικού πίνακα. Το χρώµιο είναι το έβδο µο πιο συχνά απαντώµενο µέταλλο στη γη σε συγκέντρωση µg g -1. Εµφανίζεται µε δύο µορφές οξείδωσης +3 και +6 (Μανουσάκης, 1987), που παρουσιάζουν διαφορετικές χηµικές ιδιότητες. Το εξασθενές χρώµιο είναι ένα ισχυρά οξειδωτικό αντιδραστήριο, το οποίο παρουσία οργανικών ανάγεται προς τρισθενές, αλλαγή που είναι ταχύτατη σε όξινο περιβάλλον. Επιπρόσθετα, και το τρισθενές µπορεί να οξειδωθεί σε εξασθενές χρώµιο παρουσία περίσσειας οξυγόνου (Vajpayee et al.,1999). Το τρισθενές χρώµιο αποτελεί ένα από τα απαραίτητα ιχνοστοιχεία για τον ανθρώπινο οργανισµό, αφού παίζει σηµαντικό ρόλο στο µεταβολισµό της γλυκόζης και συγκεκριµένων λιπιδίων, κυρίως στη χοληστερόλη. Επιπλέον, οι ενώσεις του χρωµίου στο περιβάλλον συµµετέχουν στην οξείδωση του διοξειδίου του θείου, συµβάλλοντας µε τον παραπάνω τρόπο στην όξινη βροχή (Bağ et al., 2000). Η παγκόσµια παραγωγή σε χρώµιο είναι της τάξης των 10 τόνοι το χρόνο από τους οποίους το 60-70% χρησιµοποιείται σε ανοξείδωτο χάλυβα και 15% στη χηµική βιοµηχανία και κυρίως στη βαφή δερµάτων, σε ηλεκτρολυτικές επιµεταλλώσεις και 7 Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 15

35 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ χρωστικές ουσίες (Cevantes et al., 2001). Οι ενώσεις του Cr(VI) χρησιµοποιούνται συστηµατικά σε πολλές εµπορικές/βιοµηχανικές διεργασίες, οπότε η ανεξέλεγκτη απόθεση αποβλήτων που περιέχουν χρώµιο, οδήγησε σε περιπτώσεις ρύπανσης του αέρα, του επιφανειακού και του υπόγειου νερού και του εδάφους (Srinath et al., 2002). Το εξασθενές χρώµιο, θεωρείται η τοξικότερη µορφή του χρωµίου, βρίσκεται µε τη µορφή οξυανιόντων: χρωµικά (CrO 2-4 ) και διχρωµικά (Cr 2 O 2-7 ) ιόντα. Οι ενώσεις του είναι περίπου εκατό φορές πιο τοξικές από αυτές του Cr(ΙΙΙ), λόγω του µεγάλου δυναµικού οξείδωσης και της εύκολης διείσδυσης µέσα από τις βιολογικές µεµβράνες. Αντίθετα, το Cr(ΙΙΙ) µε τη µορφή οξειδίων, υδροξειδίων και θειϊκών αλάτων είναι λιγότερο ευκίνητο και ενώνεται τις περισσότερες φορές µε οργανική ύλη σε εδάφη και υδατικά περιβάλλοντα (Guha et al., 2001). Σε υδατικά διαλύµατ α, το Cr(III) εµφανίζεται ως κατιόν, σχηµατίζει υδροξείδια και σύµπλοκα, προσροφάται σε υψηλές τιµές ph (>5), ενώ το Cr(VI) εµφανίζεται ως ανιόν (Σχήµα 3). Σε επιφανειακά νερά, ο λόγος Cr(III)/ Cr(VI) ποικίλλει, ενώ υψηλές συγκεντρώσεις του εξασθενούς χρωµίου ανιχνεύονται τοπικά. Γενικά, οι ενώσεις του Cr(VI) είναι περισσότερο ευκίνητες από τις αντίστοιχες του Cr(ΙΙI) (Sloof, 1989). Η τοξικότητα του χρωµίου εξαρτάται από την οξειδωτική του κατάσταση. Έτσι το εξασθενές χρώµιο είναι ιδιαίτερα τοξικό, ενώ το τρισθενές χρώµιο είναι σχετικά αβλαβές (Bağ et al., 2000). Γενικά, η τοξικότητα του χρωµίου σχετίζεται µε την αναγωγή του εξασθενούς χρωµίου σε λιγότερο οξειδωτικές καταστάσεις, όχι απαραίτητα προς τρισθενές, οπότε µπορούν να σχηµατιστούν ελεύθερες ρίζες. Ωστόσο, η αναγωγή του Cr(VI) προς Cr(III) εµφανίζεται σε πολλά βιολογικά συστήµατα, όπου ο παροδικός (transient) σχηµατισµός του Cr(V) είναι υπεύθυνος για την εµφάνιση τοξικότητας. Οι ενώσεις του Cr(V) προκύπτουν από τη µερική αναγωγή του Cr(VI) από αναγωγικά αντιδραστήρια, όπως NAD(P)H, FADH 2, πεντόζες και γλουταθειόνη, ενώ µπορούν να αντιδράσουν στη συνέχεια µε H 2 O 2 σχηµατίζοντας σηµαντικές ποσότητες από ελεύθερες ρίζες ( ΟΗ), χωρίς το σχηµατισµό Ο - 2. Οι ελεύθερες ρίζες προκαλούν µεταλλάξεις του DNA (Cervantes et al., 2001). Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 16

36 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ % Ολική Συγκέντρωση CrO4(2-) Cr2O7-2 HCrO ph Σχήµα 3. Ιονικές µορφές του εξασθενούς χρωµίου (10-5 Μ) σε υδατικά διαλύµατα (speciation) σε συνάρτηση µε τη µεταβολή του ph (χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα Μineql+). Υψηλή έκθεση σε Cr(VI) προκαλεί καρκίνο στο πεπτικό σύστηµα και τους πνεύµονες, ενώ είναι πιθανό να προκαλέσει αιµορραγία, ναυτία και πόνους στο υπογάστριο (Gupta et al., 2001). Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 17

37 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.8 Αρσενικό Το αρσενικό ανήκει στην V οµάδα του περιοδικού πίνακα και χαρακτηρίζεται ως µεταλλοειδές (Μανουσάκης, 1987). Η παρουσία του στο περιβάλλον είναι κυρίως φυσικής προέλευσης και λιγότερο ανθρωπογενούς. Το αρσενικό περιέχεται σχεδόν σε όλα τα θειούχα ορυκτά του χαλκού, του µολύβδου και του ψευδαργύρου και συνοδεύει αυτά τα µέταλλα στις διαδικασίες εξόρυξης, επεξεργασίας και εµπλουτισµού. Στις φυσικές πηγές του αρσενικού περιλαµβάνονται οι ηφαιστειογενείς δράσεις και η σήψη της φυτικής ύλης. Έχει εκτιµηθεί ότι τα ηφαίστεια αποβάλλουν τόνους αρσενικού το χρόνο (Leist et al., 2000). Οι κυριότερες ανθρωπογενείς πηγές είναι η καύση κάρβουνου και πετρελαίου, η τήξη διάφορων ορυκτών και η χρησιµοποίηση λιπασµάτων και παρασιτοκτόνων. To πόσιµο νερό και ειδικότερα τα υπόγεια νερά αποτελούν σηµαντικές πηγές αρσενικού για τον πληθυσµό (Καλογήρου, 1994). Στο εµπόριο διατίθεται κυρίως το τριοξείδιο του αρσενικού (As 2 O 3 ), το οποίο αποτελεί την πρώτη ύλη για την παρασκευή ζιζανιοκτόνων, µυκητοκτόνων, εντοµοκτόνων, συντηρητικών ξυλείας, πρόσθετα τροφίµων, καθώς και φαρµάκων για τον άνθρωπο και τα ζώα. Το µεγαλύτερο µέρος της παραγωγής του τριοξειδίου του αρσενικού χρησιµοποιείται για γεωργικούς σκοπούς. Τα συνήθη παρασιτοκτόνα µε βάση το αρσενικό είναι το εντοµοκτόνο Pb 3 (AsO 4 ) 2 και το ζιζανιοκτόνο αρσενικικό ασβέστιο, τα οποία περιέχουν As(V), ενώ οι ενώσεις Na 3 AsO 3 και Ca 3 (AsO 3 ) 2 περιέχουν As(III). Οργανικές ενώσεις του αρσενικού χρησιµοποιούνταν ως πρόσθετα τροφίµων από το 1950, χρήση η οποία στις µέρες µας απαγορεύτηκε σε πολλές χώρες. Το αρσενικό κυριαρχεί σε υδατικά διαλύµατα µε ανόργανη µορφή. Οι κυριότερες οξειδωτικές βαθµίδες µε τις οποίες απαντά στα φυσικά νερά είναι +5 και +3. Η διαφορά µε τα υπόλοιπα µέταλλα είναι ότι εµφανίζεται µε τη µορφή οξυανιόντος (αρσενικικά, AsO 3-4 και αρσενικώδη, AsO 3-3 ) (Σχήµα 4). Στα επιφανειακά νερά, όπου επικρατούν κυρίως αερόβιες συνθήκες, επικρατούν τα αρσενικικά ανιόντα, τα οποία είναι δυνατό να κατεργαστούν αρκετά αποτελεσµατικά. Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 18

38 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 100 % Total Concentration AsO4(3-) HAsO4-2 H2AsO4 - H3AsO ph Σχήµα 4. Ιονικές µορφές του πεντασθενούς As (10-5 Μ) σε υδατικά διαλύµατα (speciation) σε συνάρτηση µε τη µεταβολή του ph (χρησιµοποιήθηκε το πρόγραµµα Μineql+). Η τοξική δράση του αρσενικού στην υδροχαρή βιοκοινωνία είναι σχετικά µικρή. Συγκέντρωση του αρσενικού στο πόσιµο νερό µεγαλύτερη από 0.2 mg L -1 προκαλεί χρόνιες παθήσεις. Πρόσφατα, η συγκέντρωση των 10 µg L -1 καθορίστηκε ως η ανώτατη επιτρεπτή τιµή συγκέντρωσης για το πόσιµο νερό από την πρόσφατη οδηγία της Ευρωπαϊκής Επιτροπής 98/83/ΕΚ (Οδηγία της ΕΟΚ 98/83/ΕΚ), αντικαθιστώντας το προηγούµενο όριο (50 µg L -1 ). Οι τοξικές µορφές του αρσενικού είναι οι ανόργανες ενώσεις του, στις οποίες το αρσενικό βρίσκεται στις βαθµίδες οξείδωσης +3 και +5. Το As(III) είναι περισσότερο τοξικό από το As(V), αν και το As(V) ανάγεται στον ανθρώπινο οργανισµό προς As(III). Το As(V), επειδή παρουσιάζει παρόµοια δοµή µε τα φωσφορικά, αντικαθιστά το φώσφορο κατά την παραγωγή ενέργειας µέσα στο κύτταρο (γλυκολυτική φωσφορυλίωση). Τα αρσενικώδη δεσµεύονται στις σουλφυδρυλικές οµάδες των πρωτεϊνών, οπότε αναστέλλουν τη δράση των ενζύµων. Οι οργανικές ενώσεις του αρσενικού δε δεσµεύονται ισχυρά µε βιολογικά µόρια, οπότε και η τοξικότητά τους είναι µειωµένη σε σύγκριση µε τις ανόργανες ενώσεις. Το αρσενικό εισέρχεται στον ανθρώπινο οργανισµό µε την αναπνοή, τις τροφές και την απορρόφηση από το δέρµα. Αποτελεί δηλητήριο των κυττάρων, επειδή εµποδίζει την Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 19

39 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ οξειδωτική τους ικανότητα. Η εισπνοή ενώσεων του αρσενικού προκαλεί καρκίνο του πνεύµονα, νόσος που παρατηρείται σε εργαζοµένους σε χυτήρια χαλκού, ορυχεία χρυσού και εργοστάσια παραγωγής παρασιτοκτόνων. Από την κατάποση αρσενικού προκαλείται καρκίνος του δέρµατος, του ήπατος και των νεφρών (Pontius et al., 1994). Η θανατηφόρος δόση του αρσενικού στον άνθρωπο είναι περίπου 5 mg kg -1 ενήλικα. Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί το Bangladesh, όπου περισσότερο από 70 εκατοµµύρια ατόµων παρουσιάζουν την ασθένεια του µαύρου ποδιού (blackfoot desease), εξαιτίας των µεγάλων ποσοτήτων ρυπασµένου νερού που καταναλώνουν (WHO). Στην Ευρώπη έχουν βρεθεί αυξηµένες συγκεντρώσεις αρσενικού στη Φινλανδία, στην Ουγγαρία και στη Γερµανία. Στην Ελλάδα αυξηµένες συγκεντρώσεις αρσενικού (> 10 µg L -1 ) έχουν ανιχνευθεί σε περιοχές κοντά σε χώρους απόθεσης αρσενοπυριτών, στα Πετράλωνα, στην περιοχή της Χαλάστρας κ.λ.π. (Boυτσά, 1993). 2.9 Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης των βαρέων µετάλλων από υγρά απόβλητα Γενικά Ο κυρίαρχος στόχος των τεχνολογικών µεθόδων, οι οποίες εφαρµόζονται για την κατεργασία των υγρών αποβλήτων που περιέχουν βαρέα µέταλλα, είναι η αποµάκρυνση των µετάλλων σε τέτοιο βαθµό, ώστε η τελική τους συγκέντρωση να ανταποκρίνεται στα νοµοθετικά όρια για απόρριψη σε φυσικούς αποδέκτες. Επιπλέον, τέτοιες τεχνολογικές µέθοδοι θα πρέπει να είναι ασφαλείς κατά τη λειτουργία, αξιόπιστες, οικονοµικές και ικανές να λειτουργούν σε ποικίλες συνθήκες (ροή, θερµοκρασία, ph) (Butter, 1998). Σε βιοµηχανικό επίπεδο, τα περισσότερα συστήµατα επεξεργασίας αποβλήτων θεωρούνται ως αναγκαία, παρόλη τη µείωση των κερδών της επιχείρησης. Ωστόσο, η εισαγωγή αυστηρότερης νοµοθεσίας, οι συστηµατικές µετρήσεις/αναλύσεις των διαφόρων παραµέτρων σε συνδυασµό µε τη ραγδαία αύξηση του ενδιαφέροντος της κοινής γνώµης για τα περιβαλλοντικά θέµατα, πιέζουν συνεχώς τη βιοµηχανία για την Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 20

40 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ορθολογικότερη αντιµετώπιση του προβλήµατος της ρύπανσης και κατά συνέπεια, για τη βελτίωση των µεθόδων καθαρισµού των αποβλήτων. Οι µέθοδοι επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων που περιέχουν βαρέα µέταλλα περιλαµβάνουν κυρίως τη χηµική καταβύθιση των µετάλλων ως υδροξείδια ή θειούχες ενώσεις, την ιοντοανταλλαγή, την αντίστροφη ώσµωση. Η ηλεκτρόλυση είναι τεχνολογικά εφαρµόσιµη αλλά, µόνο στην περίπτωση των υγρών αποβλήτων που περιέχουν σχετικά µεγάλες συγκεντρώσεις µετάλλων ή µετά από προσυγκέντρωση του µετάλλου µε την εφαρµογή άλλης διεργασίας, όπως είναι π.χ. η ιοντοανταλλαγή (Patterson, 1985). Η χηµική καταβύθιση των µετάλλων χρησιµοποιείται συχνά για την αποµάκρυνση των βαρέων µετάλλων από υγρά απόβλητα και περιλαµβάνει την προσθήκη χηµικών αντιδραστηρίων στο υδατικό διάλυµα, που µετατρέπουν το διαλυµένο µεταλλικό ιόν σε αδιάλυτη µορφή, η οποία τελικά καταβυθίζεται µε τη µορφή λάσπης. Τα δύο κύρια στάδια της τεχνολογίας αυτής είναι η καταβύθιση του ανεπιθύµητου µετάλλου και η αποµάκρυνση της λάσπης. Ο εξοπλισµός που απαιτείται είναι σχετικά απλός µε αρκετά λογικό κόστος. Οι τυπικοί χρόνοι καταβύθισης κυµαίνονται από min. Το περιεχόµενο της λάσπης σε στερεά είναι περίπου 1-2%, προσεγγίζοντας το 15-50% µετά τη διήθηση. Με τη συγκεκριµένη διεργασία επιτυγχάνεται ικανοποιητική αποµάκρυνση των µετάλλων, παρόλο που η ανάκτησή τους από τη λάσπη δεν είναι οικονοµικά εφικτή (καθώς αυξάνεται πολύ το συνολικό κόστος) (Butter, 1998). Στις ηλεκτρολυτικές διεργασίες, ηλεκτρικό ρεύµα περνά από το απόβλητο, που αποτελεί τον ηλεκτρολύτη, το διαλυµένο µέταλλο ανάγεται και αποτίθεται στην κάθοδο, ανάλογα µε το δυναµικό του διερχόµενου ρεύµατος. Στη συνέχεια, κάθε µέταλλο είναι δυνατό να επαναχρησιµοποιηθεί, γι αυτό και η µέθοδος χρησιµοποιείται και ως µέθοδος ανάκτησης µετάλλων. Επιπλέον, δεν προστίθενται χηµικά αντιδραστήρια και δεν σχηµατίζεται λάσπη. Ωστόσο, η ηλεκτρόλυση είναι οικονοµικά ασύµφορη δεν εφαρµόζεται, όταν τα απόβλητα περιέχουν χαµηλές συγκεντρώσεις σε µέταλλα. Επίσης, το νερό δεν είναι αποτελεσµατικός ηλεκτρολύτης, ενώ υπάρχει µικρή µεταφορά µάζας µεταξύ του µετάλλου στο διάλυµα και της επιφάνειας της καθόδου. Η ηλεκτροδιαπίδυση και οι εκλεκτικές µεµβράνες διαχωρίζουν τα περιεχόµενο της καθόδου και της ανόδου. Το ηλεκτρικό ρεύµα χρησιµοποιείται για να µεταφέρει ιόντα από το διάλυµα τροφοδοσίας προς το συµπυκνωµένο διάλυµα. Παρόλο που η συγκεκριµένη διεργασία είναι περισσότερο Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 21

41 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ αποτελεσµατική από την συµβατική ηλεκτρόλυση απαιτεί επίσης διαλύµατα µε υψηλές συγκεντρώσεις µετάλλου, αρκετά σηµαντική κατανάλωση ενέργειας και αντικατάσταση των µεµβρανών κάθε 10 µήνες, περίπου. Στις διεργασίες που χρησιµοποιούν µεµβράνες για την αποµάκρυνση µετάλλων, εκτός από την ηλεκτροδιαπίδυση ανήκει και η αντίστροφη ώσµωση (reverse osmosis, RO), που µπορεί να εφαρµοστεί για την ανάκτηση µετάλλων από υγρά απόβλητα επιµεταλλωτηρίων. Η λειτουργία της στηρίζεται στο γεγονός ότι το υδατικό διάλυµα (απόβλητο) έρχεται σε επαφή διαµέσου ηµιπερατής µεµβράνης µε καθαρό νερό και εφαρµόζεται σε αυτό πίεση µεγαλύτερη από την αντίστοιχη οσµωτική πίεση. Έτσι, καθαρό νερό από το διάλυµα θα διαπεράσει τη µεµβράνη, αφήνοντας πίσω τα µέταλλα, των οποίων η συγκέντρωση θα αυξάνεται σταδιακά. Συχνά απαιτείται προκατεργασία των αποβλήτων για την ελάττωση των προβληµάτων που σχετίζονται µε την απενεργοποίηση της µεµβράνης. Επίσης, είναι ευαίσθητες σε έντονες µεταβολές της τιµής του ph. Η ιονανταλλαγή αποτελεί διεργασία που εφαρµόζεται είτε ως διεργασία ανάκτησης του µετάλλου, είτε ως επιπλέον στάδιο (τελικής) µετα-επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων. Η αρχή της µεθόδου είναι η αντιστρεπτή χηµική αντίδραση, όπου, ένα ιόν από διάλυµα υποκαθιστά άλλο ιόν που είναι ακινητοποιηµένο σε κάποιο φορέα (π.χ. οργανικό πολυµερές). Οι ιονανταλλακτικές θέσεις αρχικά «φορτίζονται» µε ιόντα που αντικαθίστανται εύκολα (όπως H + ή Na + ), τα οποία στη συνέχεια ιονανταλλάζονται. Παρουσιάζει το πλεονέκτηµα της δηµιουργίας διαλυµάτων µεγάλης σχετικά συγκέντρωσης σε µέταλλο, µετά την έκλουση της στήλης. Το σηµαντικότερο µειονέκτηµα είναι ότι οι ιονανταλλακτικές ρητίνες µπορούν να υποστούν µη-αντιστρεπτή «απενεργοποίηση», µε αποτέλεσµα την καταστροφή τους. Κάτι τέτοιο επιβαρύνει αρκετά το κόστος της µεθόδου Προσρόφηση Η ικανότητα των στερεών υλικών να συγκρατούν µόρια (αέρια, µεταλλικά ιόντα, οργανικές ενώσεις) στην επιφάνεια τους ονοµάζεται προσρόφηση. Η ικανότητα αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι τα άτοµα του στερεού πλέγµατος, που βρίσκονται στην επιφάνεια ή στη διεπιφάνεια των στερεών, έχουν ελεύθερες µονάδες συγγένειας, οι οποίες µπορούν να συγκρατήσουν ισχυρά άτοµα ή µόρια άλλων ουσιών µε τα οποία βρίσκονται σε επαφή. ιακρίνονται δύο είδη προσρόφησης (Γιαννακουδάκης, 1993): Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 22

42 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η φυσική προσρόφηση, που περιλαµβάνει ασθενείς διαµοριακές ελκτικές δυνάµεις (ηλεκτροστατικές δυνάµεις διασποράς ή γενικότερα δυνάµεις van der Waals) µεταξύ του προσροφητικού µέσου και της προσροφούµενης ένωσης και Η χηµική προσρόφηση ή χηµειορρόφηση, κατά την οποία συντελείται χηµική αντίδραση στην επιφάνεια και σχηµατίζονται χηµικοί δεσµοί ανάµεσα στο προσροφητικό µέσο και την προσροφούµενη ένωση. Η τεχνολογική, περιβαλλοντική και βιολογική σηµασία της προσρόφησης είναι αδιαµφισβήτητη (Dąbrowski, 2001). Η πρακτική εφαρµογή της σε βιοµηχανικό και περιβαλλοντικό επίπεδο είναι ιδιαίτερα σηµαντική. Κατά την επεξεργασία νερού η φυσική προσρόφηση περιλαµβάνει την προσρόφηση οργανικών µορίων ή µεταλλικών ιόντων στην επιφάνεια µη-πολικών στερεών. Ο ενεργός άνθρακας (AC), ο µαγνησίτης (MgCO 3 ), το διοξείδιο του τιτανίου (TiO 2 ), ο γκαιτίτης (α-feooh) είναι µερικά παραδείγµατα προσροφητικών υλικών σε µορφή σκόνης ή κόκκων, που έχουν εξεταστεί για την αποµάκρυνση µετάλλων από αραιά υδατικά διαλύµατα (Lehmann et al., 1999, Zouboulis and Matis, 1997). Η προσρόφηση από υδατικά διαλύµατα συνεπάγεται τη συσσώρευση της διαλυµένης ουσίας στην επιφάνεια του στερεού. Καθώς η διαδικασία προχωρά, η προσροφηµένη ουσία τείνει να εκροφηθεί και να επαναδιαλυθεί στο διάλυµα. Μετά από ορισµένο χρονικό διάστηµα ίσες ποσότητες της διαλυµένης ουσίας προσροφώνται και εκροφώνται ταυτόχρονα, µε αποτέλεσµα οι ταχύτητες προσρόφησης και εκρόφησης να έρθουν σε κατάσταση ισορροπίας, η οποία καλείται ισορροπία προσρόφησης. Η θέση της ισορροπίας είναι χαρακτηριστική του συστήµατος. Οι προσροφηµένες ποσότητες κατά την ισορροπία, συνήθως αυξάνονται µε την αύξηση της συγκέντρωσης της ουσίας. Η ισόθερµη προσρόφησης αποτελεί τη σχηµατική παράσταση της προσροφηµένης ουσίας ανά µονάδα µάζας του προσροφητικού µέσου, ως συνάρτηση της συγκέντρωσης ισορροπίας της ουσίας στο διάλυµα σε σταθερές συνθήκες (θερµοκρασία). Οι ισόθερµες καµπύλες προσρόφησης παρέχουν ποιοτικές πληροφορίες σχετικά µε τη διαδικασία της προσρόφησης και µε το ποσοστό επικάλυψης της επιφάνειας του προσροφητικού µέσου από την προσροφούµενη ουσία. Για την περιγραφή των δεδοµένων προσρόφησης έχουν αναπτυχθεί διάφορα µοντέλα, από τα οποία τα περισσότερο χρησιµοποιούµενα είναι οι εξισώσεις των ισόθερµων προσρόφησης του Langmuir και Freundlich. Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 23

43 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Κατά την ανάπτυξη του µοντέλου της ισόθερµης του Langmuir, η οποία καλείται και µοντέλο ιδανικού εντοπισµένου µονοµοριακού επιπέδου, ισχύουν οι παρακάτω υποθέσεις: Τα µόρια προσροφούνται σε συγκεκριµένες θέσεις της επιφάνειας του προσροφητικού µέσου. Κάθε θέση προσρόφησης µπορεί να χωρέσει µόνο ένα µόριο (µονοµοριακό επίπεδο). Το εµβαδόν κάθε θέσης προσρόφησης είναι καθορισµένο και προσδιορίζεται µόνο από τη γεωµετρία της προσροφηµένης επιφάνειας. Η ενέργεια προσρόφησης είναι η ίδια για όλες τις θέσεις προσρόφησης. Ακόµη, τα µόρια που προσροφούνται δεν µπορούν να µετακινηθούν κατά µήκος της επιφάνειας προσρόφησης ή να αλληλεπιδράσουν µε γειτονικά µόρια. Η µαθηµατική έκφραση που περιγράφει το µοντέλο είναι: όπου: q e q e qmaxbc = 1 + bc η ποσότητα της ουσίας που προσροφάται προς τη ποσότητα του προσροφητικού µέσου (mg g -1 ή mol g -1 ), C e η συγκέντρωση ισορροπίας της διαλυµένης ουσίας (mg L -1 ή mol L -1 ) q max η µέγιστη χωρητικότητα του προσροφητικού µέσου ως προς το b e e προσροφούµενο συστατικό, δηλαδή, η ποσότητα του προσροφούµενου συστατικού προς τη µονάδα βάρους του προσροφητικού µέσου, η οποία απαιτείται για τη µονοµοριακή επικάλυψη της προσροφητικής επιφάνειας (mg g -1 ή mol g -1 ) σταθερά που σχετίζεται µε την ενέργεια προσρόφησης ή η συγγένεια µεταξύ του προσροφητικού µέσου και του συστατικού που προσραφάται (L mg -1 ή L mol-1). Η εξίσωση προσρόφησης Freundlich µπορεί επίσης να περιγράψει την προσρόφηση σε υδατικά διαλύµατα και εφαρµόζεται αρκετά συχνά στη µελέτη της ρόφησης µετάλλων σε βιοµάζα. Η µαθηµατική έκφραση προήλθε από την εµπειρική συσχέτιση πειραµατικών δεδοµένων και περιγράφει την ισορροπία σε ετερογενείς (1) Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 24

44 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ επιφάνειες προσροφητικών µέσων, ενώ δεν προϋποθέτει τη δηµιουργία µονοµοριακού στρώµατος κατά την προσρόφηση, σε αντίθεση µε το (θεωρητικό) µοντέλο του Langmuir. Η µαθηµατική έκφραση της ισόθερµης του Freundlich δίνεται από τη σχέση 2 (McKay, 1995): όπου: q e C e 1 n qe = K F Ce (2) η ποσότητα της ουσίας που προσραφάται προς την ποσότητα του προσροφητικού µέσου (επιφανειακή συγκέντρωση ή επιφανειακή πυκνότητα, mg g -1 ή mol g -1 ), η συγκέντρωση ισορροπίας του προσροφούµενου συστατικού (mg L -1 ή mol L -1 ) K f, n χαρακτηριστικές σταθερές του συστήµατος από τις οποίες η πρώτη αποτελεί την ισχύ του δεσµού προσρόφησης και τη χωρητικότητα του προσροφηµένου µέσου (g L -1 ), ενώ η δεύτερη σχετίζεται µε την κατανοµή των δεσµών και την ετερογένεια της επιφάνειας του προσροφητικού (αδιάστατη, µε τιµές µεταξύ 0 και 1). Η προσρόφηση ως µέθοδος αποµάκρυνσης τοξικών ενώσεων από υγρά απόβλητα εφαρµόζεται ευρέως. Τα προσροφητικά υλικά, π.χ. ενεργός άνθρακας, χρησιµοποιούνται µε τη µορφή στερεών σωµατιδίων. Η διεργασία µπορεί να πραγµατοποιηθεί σε αναδευόµενους αντιδραστήρες, αλλά κυρίως σε στήλες ρευσταιωρούµενης ή σταθερής κλίνης (Κουϊµτζής και Μάτης, 1993). Στα συστήµατα διασποράς, όπου τα προσροφητικά υλικά χρησιµοποιούνται σε κατάσταση αιώρησης, η µεταφορά µάζας του προσροφούµενου συστατικού προς το προσροφητικό υλικό είναι ταχύτατη. Ωστόσο, είναι απαραίτητη η εφαρµογή (σε επόµενο στάδιο) µιας διεργασίας υγρού/στερεού διαχωρισµού. Ο διαχωρισµός περιλαµβάνει συνήθως κροκίδωση, καθίζηση και/ή διήθηση. Η καθίζηση είναι διεργασία αρκετά χρονοβόρα, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις διαχωρισµού υλικών µικρής πυκνότητας (όπως είναι τα βιολογικά υλικά), ενώ στη διήθηση εµφανίζονται συχνά προβλήµατα απόφραξης του φίλτρου από την παρουσία των λεπτόκοκκων υλικών (διαµέτρου < 10 µm). Η µέθοδος υγρού/στερεού διαχωρισµού µε επίπλευση διακρίνεται από αρκετά πλεονεκτήµατα και µπορεί να εφαρµοστεί σε συνδυασµό µε τη προσρόφηση Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 25

45 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ (ροφητική επίπλευση) για την αποµάκρυνση ιόντων από υδατικά διαλύµατα. Μπορεί να εφαρµοστεί σε διαλύµατα µε χαµηλή αρχική συγκέντρωση µετάλλων, απαιτεί µικρές σχετικά δεξαµενές, λόγω της µεγάλης ταχύτητας της διεργασίας, παράγει µικρή ποσότητα λάσπης µε µεγάλη συγκέντρωση του προς αποµάκρυνση µετάλλου και χαρακτηρίζεται από µικρό σχετικά κόστος (Zouboulis et al., 1997b; Zouboulis and Matis, 1997; Zouboulis and Matis, 1995; McKay, 1995). Αντιθέτως, η χρήση ακινητοποιηµένου προσροφητικού υλικού σε στήλες δεν απαιτεί την εφαρµογή σταδίου διαχωρισµού υγρού/στερεού, αλλά απαιτεί την αναγέννηση της στήλης µετά από κάποιο χρόνο διεργασίας. Κατά τη λειτουργία της προσρόφησης σε στήλη προκαλείται σταδιακή αύξηση της διαφοράς πίεσης, ιδιαίτερα όταν το προσροφητικό υλικό έχει αποµακρυνθεί (µε διήθηση):λεπτόκοκκα στερεά, οπότε η λειτουργία της θα πρέπει να σταµατήσει για να καθαριστεί. Το πρόβληµα µπορεί να αντιµετωπιστεί µε τη χρήση προσροφητικών υλικών µεγαλύτερης διαµέτρου (κοκκώδη) ή µε την ακινητοποίηση τους σε κατάλληλο υπόστρωµα Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης του καδµίου Η αποµάκρυνση του καδµίου από υγρά απόβλητα µπορεί να επιτευχθεί µε την καταβύθιση του ως αδιάλυτο υδροξείδιο σε αυξηµένες τιµές ph (σε τιµή του ph >9 παράγεται υγρό απόβλητο µε τελική συγκέντρωση διαλυµένου καδµίου µικρότερη από 1 mg L -1 ). Αποτελεσµατική καταβύθιση του καδµίου µπορεί να γίνει µόνο σε τιµές ph µεγαλύτερες από 10 και εφόσον το κάδµιο είναι το µόνο µέταλλο που υπάρχει στο απόβλητο. Γενικά, η καταβύθιση του καδµίου µπορεί να βελτιωθεί σε µικρό βαθµό µε την αύξηση της τιµής του ph από το 8 στο 10 (Patterson, 1985, Zouboulis and Matis 1995). Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι σε εγκαταστάσεις καταβύθισης του καδµίου δηµιουργείται υδροξείδιο, αλλά ταυτόχρονα σχηµατίζεται και το (περισσότερο δυσδιάλυτο) ανθρακικό άλας. Αυτό οφείλεται στη συνύπαρξη των ανθρακικών ιόντων µε το προς καθαρισµό υγρό απόβλητο, αλλά και στην επιπλέον προσθήκη αθρακικών ανιόντων. Η χρήση των ανθρακικών αλάτων είναι περισσότερο αποτελεσµατική σε τιµές ph κοντά στην ουδέτερη περιοχή. Επιπλέον, τα ανθρακικά παρουσιάζουν το πλεονέκτηµα της καλύτερης καθηζισιµότητας της παραγόµενης Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 26

46 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ λάσπης, εξαιτίας της µεγαλοκρυσταλλικότητας του ανθρακικού καδµίου (Patterson, 1985). Η συγκαταβύθιση (ή προσρόφηση) µε κροκίδες υδροξειδίου του σιδήρου ή αργιλίου µπορεί να βελτιώσει σηµαντικά την αποµάκρυνση του καδµίου. Η διεργασία περιλαµβάνει την προσθήκη κροκιδωτικών αντιδραστηρίων, π.χ. άλατα σιδήρου ή αργιλίου σε συνδυασµό µε υδράσβεστο. Μετά τα στάδια της κροκίδωσης και της καθίζησης ακολουθεί συνήθως διήθηση, οπότε αποµακρύνονται και τα µικρότερης διαµέτρου λεπτοµερώς διαµερισµένα στερεά των υδροξειδίων των µετάλλων, που καθιζάνουν ιδιαίτερα δύσκολα. Ο καθαρισµός του αποβλήτου είναι πλήρης (Patterson, 1985). H καταβύθιση µε τη µορφή CdS σε ουδέτερο (ή όξινο) ph είναι εφαρµόσιµη µέθοδος, αλλά το υψηλό αρχικό κόστος των σχετικών εγκαταστάσεων σε συνδυασµό µε το λειτουργικό κόστος, αξιοποιούν τη συγκεκριµένη µέθοδο στην περίπτωση κατεργασίας αποβλήτων που περιέχουν σχετικά µεγάλες αρχικές συγκεντρώσεις καδµίου. Η µέθοδος εµφανίζει προβλήµατα σε σχέση µε την διαχείριση της παραγόµενης τοξικής λάσπης και την εξάλειψη των υπολειπόµενων θειούχων ιόντων πριν από την τελική διάθεση των κατεργασµένων αποβλήτων (Patterson, 1985). Γενικά, η προτεινόµενη µέθοδος κατεργασίας από την Αµερικάνικη Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος για απόβλητα που περιέχουν κάδµιο είναι: α) η χηµική καταβύθιση (ως υδροξείδιο ή θειούχο) για τα υγρά απόβλητα, έτσι ώστε η συγκέντρωση του καδµίου να περιοριστεί στο mg L -1 και β) η σταθεροποίηση ή η ανάκτηση του καδµίου για τα στερεά απόβλητα (Smith et al., 1995) Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης του χρωµίου Στις προτεινόµενες καλύτερες µεθόδους κατεργασίας (Βest Αvailable Τechnologies), που χρησιµοποιούνται για την αποµάκρυνση του εξασθενούς χρωµίου από υγρά απόβλητα διακρίνονται κυρίως: η ιονανταλλαγή, µε απόδοση αποµάκρυνσης 80 ως 96%, η κροκίδωση/διήθηση, µε απόδοση αποµάκρυνσης 90 ως 99%, η αποσκλήρυνση µε άσβεστο (lime softening), µόνο για Cr(III) όµως, µε απόδοση 72 ως 99%, Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 27

47 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ και η αντίστροφη ώσµωση, µε απόδοση 82 ως 97%. Βέβαια, πρέπει να σηµειωθεί ότι για την επιλογή της κατάλληλης µεθόδου για την αποµάκρυνση του Cr(VI) θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ο ανιοντικός χαρακτήρας του µετάλλου. Η πιο συχνά χρησιµοποιούµενη µέθοδος αποµάκρυνσης του εξασθενούς χρωµίου είναι η αναγωγή του προς τρισθενές, ακολουθούµενη από χηµική καταβύθιση µε προσθήκη άσβεστου, όταν η ανάκτηση του µετάλλου δεν είναι το ζητούµενο (Sharma and Forster, 1994). Η αποτελεσµατική µείωση της συγκέντρωσης του χρωµίου απαιτεί αρκετά µεγάλη προσθήκη ποσότητας χηµικών αντιδραστηρίων, ενώ παράγεται αντίστοιχα σηµαντική ποσότητα λάσπης, αυξάνοντας κατά πολύ το συνολικό κόστος της διεργασίας. Η προσεκτική απόθεση της λάσπης που περιέχει χρώµιο θέτει ένα ακόµη σοβαρό πρόβληµα. Ωστόσο, για την αποτελεσµατική µείωση της συγκέντρωσης του χρωµίου σε αποδεκτά όρια, απαιτείται (σε τελικό στάδιο) η συµπληρωµατική εφαρµογή της προσρόφησης σε ενεργό άνθρακα, που αυξάνει το κόστος λειτουργίας. Ο ενεργός άνθρακας όµως, έχει αρκετά υψηλό κόστος και δε διατίθεται εύκολα σε όλες τις χώρες (Gupta et al., 2001). Άλλες µέθοδοι είναι η αντίστροφη ώσµωση, η ηλεκτρόλυση και η ιονανταλλαγή, που απαιτούν όµως υψηλό κόστος επένδυσης και λειτουργίας Συνηθισµένες µέθοδοι αποµάκρυνσης του αρσενικού Οι τεχνολογικές µέθοδοι που εφαρµόζονται για την αποµάκρυνση του αρσενικού είναι αποτελεσµατικές κυρίως για την αποµάκρυνση του πεντασθενούς αρσενικού. Σε αυτές περιλαµβάνονται: η ιονανταλλαγή, η προσρόφηση (π.χ. µε χρήση ενεργοποιηµένης αλούµινας ή µε ενεργό άνθρακα) και η καταβύθιση ή κροκίδωση (π.χ. µε προσθήκη FeCl 3, Leist et al., 2000). Γενικά, οι περισσότερες εργασίες αναφέρονται στην αποµάκρυνση αρσενικού από διαλύµατα µε αρχική συγκέντρωση της τάξης των µg L -1. Ωστόσο, η καταβύθιση, µε τη χρήση κυρίως Fe (III), είναι αποτελεσµατική για µεγαλύτερες συγκεντρώσεις, της τάξης των mg L -1. Η εφαρµογή της καταβύθισης είναι περισσότερο αποτελεσµατική για µικρές ποσότητες αποβλήτων ρυπασµένων µε υψηλές συγκεντρώσεις αρσενικού. Το κόστος αυξάνεται υπερβολικά όταν επεξεργάζονται Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 28

48 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ µεγάλες ποσότητες αποβλήτων, που περιέχουν σε µικρή συγκέντρωση αρσενικό (Leist et al., 2000). Ο τριχλωριούχος σίδηρος και το θειικό αργίλιο χρησιµοποιούνται ως κροκιδωτικά αντιδραστήρια σε συνδυασµό µε την προσθήκη πολυηλεκτρολυτών για την αύξηση της απόδοσης. Η κροκίδωση µε τριχλωριούχο σίδηρο είναι ανεξάρτητη από την τιµή του ph (5.5-7), αλλά η αύξηση της ποσότητας του κροκιδωτικού αυξάνει την αποµάκρυνση του As (V) (Cheng et al., 1994). Ο τύπος και η ποσότητα του κροκιδωτικού επηρεάζουν σηµαντικά την αποτελεσµατικότητα της µεθόδου. Η διάθεση/ απόθεση της παραγόµενης λάσπης αποτελεί ιδιαίτερο µειονέκτηµα (Kartinen and Martin, 1995). Η προσροφητική διήθηση χαρακτηρίζεται από την ταυτόχρονη προσρόφηση και διήθηση. Χρησιµοποιείται άµµος επικαλυµµένη µε οξείδια του σιδήρου και διοξείδιο του µαγγανίου (Κατσογιάννης, 2003). Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά λειτουργίας για τις διάφορες συνηθισµένες µεθόδους κατεργασίας υγρών αποβλήτων που περιέχουν τοξικά µέταλλα φαίνονται στον πίνακα 3 (Eccles, 1999). Είναι σηµαντικό να σηµειωθεί, ότι καθώς η νοµοθεσία γίνεται ολοένα και αυστηρότερη οι µέθοδοι αυτές καθίστανται ανεπαρκείς, ενώ η εφαρµογή προχωρηµένων (καλύτερων) τεχνικών αποµάκρυνσης είναι δαπανηρή και αρκετές φορές ανέφικτη. Η έρευνα λοιπόν επικεντρώνεται στην εύρεση περισσότερο αποτελεσµατικών και λιγότερο δαπανηρών «µέσων». Σε αυτή τη λογική, η βιορρόφηση υπόσχεται να εκπληρώσει τις σχετικές απαιτήσεις. Η νέα αυτή εναλλακτική προοπτική θεωρείται ανταγωνιστική, αποτελεσµατική και φθηνή (Volesky, 2001). Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 29

49 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πίνακας 3. Σύγκριση διαφόρων µεθόδων κατεργασίας υγρών αποβλήτων που περιέχουν τοξικά µέταλλα (Eccles, 1999). Χαρακτηριστικά Λειτουργίας Μέθοδος Μεταβολή του ph Εκλεκτικότητα µετάλλων Αρχική συγκέντρωση Κόστος µετάλλου (mg L -1 ) Προσρόφηση Απαιτεί ρύθµιση Μέτρια <10 Υψηλό κόστος του µέσου Ηλεκτροχηµική Ιονανταλλαγή Μεµβράνες εν επηρεάζεται ιδιαίτερα Περιορισµένη επίδραση Περιορισµένη επίδραση Μέτρια >10 Υψηλό κόστος λειτουργίας Μέτρια <100 Υψηλό αρχικό κόστος Μέτρια >10 Υψηλό κόστος επένδυσης και λειτουργίας Καταβύθιση: -Υδροξείδιο Απαιτεί ρύθµιση Μη-εκλεκτική >10 Σχετικά µικρό -Σουλφίδιο Απαιτεί ρύθµιση Περιορισµένη >10 κόστος Κεφάλαιο 2. ΡΥΠΑΝΣΗ ΤΩΝ ΝΕΡΩΝ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΗΣ 30

50 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΒΑΡΕΩΝ (ΤΟΞΙΚΩΝ) ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΝΕΡΑ ΚΑΙ ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ 3.1. Γενικά Η περιβαλλοντική βιοτεχνολογία αποτελεί στις µέρες µας µια από τις σύγχρονες εξελίξεις της βιοτεχνολογίας και οι τεχνικές της, σε σύ γκριση µε τις συνηθισµένες/συµβατικές, αποκτούν ολοένα και ευρύτερη εφαρµογή, ακόµη και στη µεταλλουργία (Κουσουρής, 2000). Τα κυριότερα πλεονεκτήµατα των σύγχρονων τεχνικών σε σχέση µε τις συµβατικές θεωρούνται: το χαµηλότερο κόστος, η µικρότερη κατανάλωση ενέργειας, ο ευκολότερος έλεγχος, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις τα παραπροϊόντα που σχηµατίζονται είναι βιοαποικοδοµήσιµα. Η βιοµεταλλουργία στηρίζεται στην ικανότητα ορισµένων (µικρο)οργανισµών, όπως π.χ. βακτήρια, µύκητες, φύκη, πρωτόζωα, να αλληλεπιδρούν µε διάφορα µεταλλεύµατα και βιοµηχανικά ορυκτά, από τα οποία προσλαµβάνουν χρήσιµα µέταλλα. Οι δράσεις, σε γεωλογική χρονική κλίµακα οδήγησαν στο σχηµατισµό των ορυκτών, των κοιτασµάτων και των πετρωµάτων. Πρωταρχικός θεωρείται ο ρόλος των µικροοργανισµών ιδιαίτερα στο σχηµατισµό των θειούχων µεταλλευµάτων, στην απόθεση των ασβεστολιθικών ορυκτών, στη διαµόρφωση και την εξέλιξη της βιόσφαιρας, στους βιογεωχηµικούς κύκλους των στοιχείων του άνθρακα, αζώτου, οξυγόνου (Κουσουρής, 2000). Η δράση των µικροοργανισµών σε διεργασίες ανάκτησης και αποµάκρυνσης µετάλλων παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Στη σηµερινή ερευνητική και βιοµηχανική πραγµατικότητα τα κυρίαρχα σχετικά θέµατα είναι η βιοέκπλυση µεταλλευµάτων (bioleaching), η βελτίωση της ποιότητας των βιοµηχανικών ορυκτών µε τη χρήση µικροοργανισµών και οι µηχανισµοί που αφορούν τις διάφορες εφαρµογές καθαρισµού αποβλήτων, τις υδροµεταλλουργικές και/ή άλλες διεργασίες µε τις οποίες ανακτώνται τα βαρέα ή άλλα µέταλλα µε τις τεχνικές της βιορρόφησης ή της βιοσυσσώρευσης. Η βιοέκπλυση αποτελεί βιολογική µέθοδο για την ανάκτηση των µετάλλων από τα ορυκτά τους ή για την κατεργασία λάσπης που έχει ρυπανθεί από τοξικά µέταλλα. Χρησιµοποιούνται συνήθως αυτότροφοι (πηγή ενέργειας/άνθρακα: διοξείδιο του Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 31

51 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ άνθρακα) και ετερότροφοι µικροοργανισµοί. Έτσι, οι θειοβάκιλλοι χρησιµοποιούνται στην εξόρυξη θειούχων ορυκτών, οξειδώνουν το θείο και το µετατρέπουν προς ευδιάλυτα θειικά άλατα. Η επίδραση των µικροοργανισµών πάνω στα µεταλλεύµατα οφείλεται στη δράση κάποιων από τα προϊόντα µεταβολισµού τους, αλλά και στην καταλυτική επίδραση διαφόρων ενζύµων που παράγονται κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής των µικροοργανισµών. Η βιοέκπλυση θεωρείται λιγότερο επιβλαβής τεχνολογία για το περιβάλλον, καθώς δεν καταναλώνεται µεγάλη ποσότητα ενέργειας, δεν εκπέµπονται επιβλαβή αέρια στην ατµόσφαιρα, ενώ µπορεί να εφαρµοστεί ακόµη και σε ορυκτά µε χαµηλές συγκεντρώσεις µετάλλων (Βaker and Herson,1994). Εξάλλου, η αποµάκρυνση και ανάκτηση των βαρέων µετάλλων είναι απαραίτητη, αφού χαρακτηρίζονται από τοξικότητα για τον άνθρωπο και το περιβάλλον, αλλά και λόγω της εµπορικής σηµασίας τους. Υποστηρίζεται από πολλούς, ότι λόγω της εξάντλησης των πλούσιων κοιτασµάτων, η παραγωγή µετάλλων και βιοµηχανικών ορυκτών θα στηρίζεται πλέον σε φτωχά κοιτάσµατα και σε τεχνολογίες που θα µπορούν να τα καταστήσουν αξιοποιήσιµα µε οικονοµικότερο τρόπο. Η συγκεκριµένη διαπίστωση σε συνδυασµό µε το υψηλό κόστος εξόρυξης και εµπλουτισµού και το αυξανόµενο περιβαλλοντικό ενδιαφέρον, δίνει ώθηση στις βιολογικές µεθόδους κατεργασίας (Βaker and Herson,1994). Συγκεκριµένα, η βιοσυσσώρευση και η βιορρόφηση των µετάλλων χρησιµοποιούνται για τον καθαρισµό τοξικών υγρών αποβλήτων και αναφέρονται στη χρήση ζωντανής (µεταβολικά ενεργής) ή νεκρής µικροβιακής βιοµάζα, αντίστοιχα (Gadd, 1990). Η βιοµάζα µπορεί να παράγεται ειδικά για το σκοπό αυτό ή να αποτελεί η ίδια απόβλητο άλλων βιολογικών διεργασιών (π.χ. από τις βιοµηχανίες βιοτεχνολογικής παραγωγής αντιβιοτικών ή ζυµώσεων). Η βιολογική αποµάκρυνση µετάλλων από υγρά απόβλητα πραγµατοποιείται µε τη χρήση συστηµάτων διασποράς, αλλά και ακινητοποιηµένων συστηµάτων. Πρόκειται για αποτελεσµατικές διεργασίες ακόµα και για τα απόβλητα που περιέχουν χαµηλές συγκεντρώσεις µετάλλων, όπου δηλαδή οι συνηθισµένες µέθοδοι κατεργασίας καθίστανται ιδιαίτερα δαπανηρές και µη-αποτελεσµατικές (Means and Hinchee, 1994). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 32

52 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3.2. Μικροοργανισµοί Γενικά, οι µικροοργανισµοί διακρίνονται σε ευκαριωτικούς, µε κυτταρική δοµή ανάλογη µε αυτή των ανώτερων οργανισµών, όπου το γενετικό τους υλικό περιβάλλεται από κυτταρική µεµβράνη και προκαρυωτικούς, µε αρκετά µικρό µέγεθος (<5 µm), όπου το γενετικό τους υλικό αποτελείται από ένα κυκλικό µόριο DNA. Οι µικροοργανισµοί επίσης διακρίνονται ανάλογα µε την επίδρασή τους στον άνθρωπο σε: α) αυτούς που συµβιώνουν µε τον άνθρωπο και έχουν θετική επίδραση στο µεταβολισµό του, β) τους παθογόνους, οι οποίοι αν βρουν διόδους εισόδου και µηχανισµούς εγκατάστασης στο ανθρώπινο σώµα, είναι δυνατό να προκαλέσουν ασθένειες και γ) τους δυνητικά παθογόνους, που ενώ αποτελούν φυσική χλωρίδα για ορισµένους ανθρώπους, είναι παθογόνοι για ορισµένες κατηγορίες του πληθυσµού. Οι βασικές ανάγκες του κυττάρου για πολλαπλασιασµό είναι πηγή άνθρακα και αζώτου, πηγή ενέργειας, ανόργανα ιόντα (κυρίως µέταλλα) και διάφοροι αυξητικοί παράγοντες (π.χ. βιταµίνες). Καθώς πληρούνται οι βασικές ανάγκες των µικροοργανισµών, λειτουργούν οι µηχανισµοί πληθυσµιακής ανάπτυξής τους και πολλαπλασιάζονται. Ο πολλαπλασιασµός πραγµατοποιείται µε σταθερή διχοτόµηση των βακτηρίων και ακολουθεί εκθετική πορεία τεσσάρων κύριων φάσεων. Κατά την πρώτη φάση, φάση αδράνειας ή προσαρµογής, τα κύτταρα προσαρµόζονται σε ένα νέο περιβάλλον, οπότε πραγµατοποιείται παραγωγή των απαραίτητων ενζύµων για να αρχίσει ο µεταβολισµός των οργανικών ουσιών στο νέο υπόστρωµα. Ακολουθεί η δεύτερη φάση της εκθετικής ανάπτυξης, ενώ στην τρίτη (στατική) κάποιο από τα θρεπτικά υποστρώµατα εξαντλείται. Ο αριθµός των βακτηρίων παραµένει σταθερός µε την πάροδο του χρόνου και τα κύτταρα διατηρούν τη ζωτικότητά τους. Όταν η παραπάνω φάση παραταθεί χρονικά, τότε τα κύτταρα πεθαίνουν στη φάση της θανάτωσης. Η συγκέντρωση των διαφόρων συστατικών του θρεπτικού υποστρώµατος, η θερµοκρασία επώασης, το ph και η παρουσία άλλων µικροοργανισµών, αποτελούν χαρακτηριστικούς παράγοντες που επηρεάζουν τη χρονική διάρκεια των φάσεων. Ο µεγαλύτερος αριθµός των βακτηρίων παρατηρείται στο τέλος της στατικής φάσης. Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 33

53 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Τα βακτήρια έχουν µέγεθος µm και χωρίζονται ανάλογα µε το σχήµα του κυττάρου τους σε κόκκους, βακίλους και σπειρίλια. Το κύτταρό τους περιβάλλεται από το κυτταρικό τοίχωµα στο οποίο υπάρχουν τα ινίδια, όργανα προσκόλλησης και τα µαστίγια, όργανα κίνησης. Η αναπαραγωγή τους γίνεται µε διχοτόµηση η οποία µπορεί να γίνει σχετικά γρήγορα, σε ευνοϊκές συνθήκες (περίπου 20 min). Ζουν κυρίως σε περιβάλλον µε ουδέτερες τιµές ph. Κατατάσσονται σε γένη και είδη, ανάλογα µε το σχήµα τους (κόκκοι, βάκιλοι, σπειρίλια, δονάκια), τη διάταξη των κυττάρων στο µικροσκόπιο (κόκκοι, διπλόκοκκοι, µικρόκοκκοι, σταφυλόκοκκοι, σαρκινίες, ζεύγη βακίλων, αλυσίδες βακίλων), την κινητικότητά τους, τις ανάγκες τους σε οργανικές ουσίες, σε οξυγόνο ή διοξείδιο του άνθρακα, τη θερµοκρασία στην οποία αναπτύσσονται, την παραγωγή σπόρων, την χρώση κατά Gram (θετικοί ή αρνητικοί κατά Gram) (Κολιάης, 1983). Οι µύκητες (Σχήµα 5) χαρακτηρίζονται από κυτταρικό τοίχωµα που αποτελείται κυρίως από πολυσακχαρίτες (σε ποσοστό µεγαλύτερο από 90%), συχνά ενωµένα µε πρωτεϊνες, λιπίδια και άλλα συστατικά, όπως χρωστικές. Το κυτταρικό τοίχωµα διακρίνεται σε δοµή µε πολλές στιβάδες και σε µικροινώδη. ιακρίνονται δύο φάσεις: (1) µια εξωτερική µεµβράνη, που αποτελείται από γλυκάνες, µαννάνες ή γαλακτάνες και (2) µία εσωτερική µικροϊνώδη στοιβάδα, πολλές φορές µε αλυσίδες κυτταρίνης και χητίνης, οι οποίες προσδίδουν κρυσταλλικές ιδιότητες στο τοίχωµα. Υπάρχει διαρκής µεταφορά ανάµεσα στις δύο στοιβάδες. Η χητίνη αποτελεί πολυµερές της Ν-ακετυλ- D-γλουκοζαµίνης, ή της κυτταρίνης της D-γλυκοπυρανόζης, που ενώνεται µε β-1,4- γλυκοζιδικούς δεσµούς, ενώ οι γλυκάνες είναι πολυµερή της εξόζης, πεντόζης και µερικές φορές του ουρονικού οξέος. Αυτές οι αλυσίδες σταθεροποιούνται από τις πρωτεΐνες, τα λιπίδια και τα πολυσακχαρίδια. Επίσης, ανιχνεύονται χρωστικές, πολυφωσφατάσες και ανόργανα ιόντα. Το ηλεκτρικό δυναµικό της επιφάνειας οφείλεται στους φωσφοδιεστέρες και τις καρβοξυλικές οµάδες. Ωστόσο, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι σηµαντικές διαφοροποιήσεις παρατηρούνται ανάλογα µε τις συνθήκες ανάπτυξης και το στάδιο ζωής του µικροοργανισµού (Volesky, 1990). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 34

54 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Σχήµα 5. Οι υφές του Aspergillus και Penicillium: δύο από τους σηµαντικότερους µύκητες (Κυριακίδης, 2000) Η δοµή του κυτταρικού τοιχώµατος των µικροοργανισµών Η ειδοποιός διαφορά των κυττάρων των βακτηρίων, των µυκήτων και των αλγών από τα ζωικά κύτταρα είναι η ύπαρξη του κυτταρικού τοιχώµατος στην εξωτερική επιφάνεια της κυτταροπλασµατικής µεµβράνης του κυττάρου. Το τοίχωµα αυτό προστατεύει τον µικροοργανισµό από τραυµατισµούς από το περιβάλλον, ρυθµίζει την είσοδο και έξοδο ουσιών προς το κυτταρόπλασµα και αντίστροφα και προσδιορίζει το µέγεθος και το σχήµα του κυττάρου. Το τοίχωµα, αφού αποτελεί τον εξωτερικό σκελετό του κυττάρου, βρίσκεται σε άµεση επαφή µε το περιβάλλον και αλληλεπιδρά µε τις ουσίες του υγρού µέσου (Volesky, 1990). Το κυτταρικό τοίχωµα των θετικών κατά Gram µικροοργανισµών έχει πάχος nm και αποτελείται κυρίως από την πεπτιδογλυκάνη µουρεϊνη (40-90%) (Σχήµα 6). Η πεπτιδογλυκάνη είναι ένα στερεό, πορώδες και άµορφο υλικό, της οποίας οι βασικές δοµικές µονάδες είναι παρόµοιες σε όλα τα βακτήρια. Το µόριο της πεπτιδογλυκάνης αποτελείται κυρίως από ευθείες αλυσίδες του δισακχαρίτη Ν- ακετυλογλυκοζαµίνη-β-1,4-ν-ακετυλοµουραµιδικό οξύ. Πεπτίδια που αποτελούνται από 4-5 αµινοξέα συνδέονται µε την καρβοξυλική οµάδα του µουραµιδικού οξέος. Τα Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 35

55 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ πεπτίδια αποτελούνται από L-αλανίνη, D-ισογλουταµίνη, L-λυσίνη και D αλανίνη. Στη θέση της L λυσίνης µπορεί να υπάρχει ανάλογα µε το είδος του βακτηρίου και άλλο διαµινο-αµινοξύ, όπως D- ή L-ορνιθίνη, L-υδροξυλυσίνη. Αυτά τα πεπτίδια συνδέονται µε το µουραδικό οξύ άλλης αλυσίδας δισακχαριτών, είτε µε το αµινοξύ που βρίσκεται στην άκρη τους, είτε µε κάποιο άλλο ενδιάµεσο. Έτσι, συνεισφέρουν στη δηµιουργία της ελικοειδούς σωληνόµορφης δοµής της πεπτιδογλυκάνης, ενώ ταυτόχρονα συνεισφέρουν ορισµένες ανιονικές οµάδες στην επιφάνειά της. Το είδος των αµινοξέων και οι διάφορες θέσεις σύνδεσης τους µε τις αλυσίδες των δισακχαριτών δηµιουργούν τους διαφορετικούς τύπους πεπτιδογλυκάνης, οι οποίοι παίζουν σηµαντικό ρόλο στην ταξινόµηση των µικροοργανισµών. Η πεπτιδoγλυκάνη αποτελείται από πολλά στρώµατα και είναι διαπερατή από µόρια µοριακού βάρους daltons (Γεωργάτσος, 1993; Volesky, 1990). α Πεπτιδογλυκάνη Τειχοϊκά οξέα Κυτταρικό τοίχωµα Κυτταροπλασµατική µεµβράνη Λιποτειχοϊκά οξέα β Πορίνη Λιποπολυσακχαρίδια Εξωτερική µεµβράνη Λιποπρωτείνη Πεπτιδογλυκάνη Περιπλασµατική περιοχή Κυτταροπλασµατική µεµβράνη Σχήµα 6. Κυτταρικό τοίχωµα των (α) Gram+ και (β) Gram- µικροοργανισµών. Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 36

56 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Τα πιο σηµαντικά συστατικά του κυτταρικού τοιχώµατος των θετικών κατά Gram µικροοργανισµών είναι τα τειχοϊκά και τειχουρονικά οξέα. Αυτά είναι οµοιοπολικά συνδεδεµένα µε την πεπτιδογλυκάνη και συνεισφέρουν στο ανιοντικό φορτίο του τοιχώµατος. Τα τειχοϊκά οξέα αποτελούνται από µόρια φωσφορικής γλυκερόλης ή ριβιτόλης και συνδέονται στο Ν-ακετυλο-µουραµικό οξύ της πεπτιδογλυκάνης µέσω των φωσφορικών οµάδων τους. Τα τειχουρονικά οξέα αποτελούνται από εξονικά οξέα και δεν περιέχουν φωσφορικές οµάδες. Η αναλογία τειχοϊκών και τειχουρονικών οξέων εξαρτάται από τις συνθήκες καλλιέργειας των µικροοργανισµών και από τη συγκέντρωση των φωσφορικών στο θρεπτικό υπόστρωµα. Ένα συστατικό της περιπλασµατικής µεµβράνης, το λιποτειχοϊκό οξύ συνδέεται µε τη µεµβράνη, έτσι ώστε η καρβοξυλική του οµάδα να παραµένει ελεύθερη εκτεινόµενη προς το δίκτυο της πεπτιδογλυκάνης. Τα τειχοϊκά και τειχουρονικά οξέα παίρνουν µέρος στη δέσµευση των µετάλλων, µε σηµαντικό ρόλο την παροχή µαγνησίου στην περιπλασµατική µεµβράνη (Hancock, 1986; Volesky, 1990). To κυτταρικό τοίχωµα των αρνητικών κατά Gram µικροοργανισµών είναι λίγο µικρότερου πάχους (30-80 nm) (Πίνακας 4). Η πεπτιδογλυκάνη βρίσκεται στην περιπλασµατική και την εξωτερική µεµβράνη, ενώ διαφέρει από την πεπτιδογλυκάνη των θετικών κατά Gram µικροοργανισµών, γιατί έχει πάχος µόλις nm, αποτελεί το 10% του κυτταρικού τοιχώµατος, χωρίς να είναι δικτυωµένη. Η εξωτερική µεµβράνη αποτελείται από εξωτερική επιφάνεια, που συνίσταται από λιποπολυσακχαρίτες, φωσφολιπίδια και πρωτεΐνες. Το αρνητικό φορτίο της επιφάνειας της εξωτερικής µεµβράνης οφείλεται στο αρνητικό φορτίο των λιποπολυσακχαριτών. Το µαγνήσιο συνεισφέρει στη σταθερότητά της. Η εξωτερική µεµβράνη κάνει ισχυρό το κυτταρικό τοίχωµα, αφού µέσω των λιποπρωτεϊνών της ή µέσω των ιοντικών δεσµών µε δισθενή µέταλλα (Mg 2+, Ca 2+ ) ενώνεται µε την πεπτιδογλυκάνη. Τα διαλυµένα συστατικά δεν µπορούν να διαπεράσουν εύκολα την µεµβράνη (Volesky, 1990). To κυτταρικό τοίχωµα καλύπτεται εξωτερικά από ένα πρόσθετο επιφανειακό στρώµα, το οποίο είναι πολύ σηµαντικό για την επιβίωση του µικροοργανισµού στο φυσικό περιβάλλον. Αποτελείται από οµογενή πολυπεπτίδια και περιέχει και υδατάνθρακες. Τα πολυπεπτίδια σχηµατίζονται κυρίως από όξινα αµινοξέα, συνεισφέροντας ανιονικές οµάδες στην επιφάνεια του κυττάρου. Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 37

57 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Το κυτταρόπλασµα έχει τιµή ph περίπου 7 και περιέχει ριβοσωµάτια, ένζυµα, RNA, DNA, ATP γλυκογόνο, λιπίδια και πολλές φορές πλασµίδια, που περιέχουν γονίδια µε κωδικοποιηµένους τους µηχανισµούς ανθεκτικότητας (απέναντι στα βαρέα µέταλλα). Πίνακας 4. ιαφορές των θετικών και αρνητικών κατά Gram µικροοργανισµών. Ιδιότητες Θετικοί κατά Gram Αρνητικοί κατά Gram Πάχος του τοιχώµατος nm 10 nm Στοιβάδες στο τοίχωµα 1 2 Περιεχόµενο σε >50% 10-20% πεπτιδογλυκάνη Περιεκτικότητα σε 0 9% πρωτεϊνη Λιποπολυσακχαρίδια 0 13% Tειχοϊκά οξέα Μηχανισµοί βιοσυσσώρευσης-βιορρόφησης Η πολυπλοκότητα της δοµής των µικροοργανισµών οδηγεί στο συµπέρασµα ότι η δέσµευση των βαρέων µετάλλων στο κύτταρο γίνεται µε ποικίλους τρόπους. Έτσι, οι µηχανισµοί στους οποίους στηρίζεται η βιορρόφηση είναι αρκετοί και πολλές φορές περίπλοκοι. Ωστόσο, είναι δυνατό να διακρίνουµε δύο βασικές κατηγορίες, ανάλογα µε το αν εξαρτώνται από το µεταβολισµό του κυττάρου σε: µεταβολικά εξαρτόµενους και µεταβολικά ανεξάρτητους. Ανάλογα µε τη θέση, στην οποία το µέταλλο αποµακρύνεται από το διάλυµα, η βιορρόφηση διακρίνεται σε: εξωκυτταρική συσσώρευση/καταβύθιση, προσρόφηση στη κυτταρική επιφάνεια/ καταβύθιση, ενδοκυτταρική συσσώρευση. Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 38

58 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Οι κυριότεροι µηχανισµοί µε τους οποίους τα βιολογικά υλικά προσροφούν τα µέταλλα φαίνεται στο σχήµα 7. Κυτταρική µεµβράνη/περιπλασµατική περιοχή Προσρόφηση, Ιονανταλλαγή Καταβύθιση, Μετακίνηση ιάχυση και µεταφορά Κυτταρικό τοίχωµα Προσρόφηση/Ιονανταλλαγή Αντιδράσεις Οξειδοαναγωγής Καταβύθιση Ενδοκυτταρική συσσώρευση πεπτίδια οξειδοαναγωγή δέσµευση στα οργανίδια Εξωκυτταρικά Κυτταρικά Υλικά (Πολυσακχαρίτες) Ιονανταλλαγή Καταβύθιση Παγίδευση σωµατιδίων Εξωκυτταρικές αντιδράσεις ηµιουργία συµπλόκων και χηλικών ενώσεων Καταβύθιση µε ενώσεις Σχήµα 7. Σχηµατική αναπαράσταση των µηχανισµών βιοσυσσώρευσης/ βιορρόφησης (Gadd and White, 1995) Συσσώρευση στο εσωτερικό του κυττάρου Η συσσώρευση στο εσωτερικό του κυττάρου σχετίζεται µε τον κυτταρικό µεταβολισµό, εποµένως αναφέρεται σε µεταβολικά ενεργούς (ζωντανούς) µικροοργανισµούς και χαρακτηρίζεται ως κύριος µηχανισµός της βιοσυσσώρευσης. Στην πραγµατικότητα, γι αυτό τον µηχανισµό είναι διαθέσιµες λίγες πληροφορίες, επειδή η τοξικότητα των µετάλλων εµποδίζει την επέκταση της έρευνας και σε διαλύµατα µε υψηλές συγκεντρώσεις µετάλλων. Η µεταφορά των βαρέων µετάλλων στην κυτταρική µεµβράνη µπορεί να ακολουθεί τον ίδιο µηχανισµό µε αυτόν που αφορά απαραίτητα ιχνοστοιχεία για τη µεταβολική λειτουργία του κυττάρου (π.χ. Νa +, K +, Mg 2+ ). Το συγκεκριµένο σύστηµα είναι δυνατό να γίνει ιδιαίτερα περίπλοκο όταν Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 39

59 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ τα βαρέα µέταλλα έχουν το ίδιο φορτίο και την ίδια ιοντική ακτίνα (Veglio and Beolcini, 1997). Καθώς τα βαρέα µέταλλα εισχωρούν στο κυτταρόπλασµα δεσµεύονται στις βάσεις του DNA, χωρίς να παρουσιάζουν κάποια ιδιαίτερη συγγένεια µε το νουκλεοτίδιο. Τότε προκαλείται σπάσιµο των κλώνων του DNA, µεταβολή που οδηγεί σε µεταλλάξεις και καρκινογενέσεις (Hughes and Poole, 1989). Παρόλα αυτά οι µικροοργανισµοί έχουν αναπτύξει µηχανισµούς ανθεκτικότητας που στηρίζονται σε µεταφορά των µετάλλων µέσα και έξω από το κύτταρο. Οι περισσότεροι από αυτούς είναι εξειδικευµένοι και ιδιαίτερα περίπλοκοι. Μερικοί από τους µηχανισµούς ανθεκτικότητας λειτουργούν διαρκώς στο κύτταρο. Οι πρωτεΐνες συνθέτονται συνέχεια ανεξάρτητα από τη συγκέντρωση των τοξικών µετάλλων στο περιβάλλον. Υπάρχουν όµως και πρωτεΐνες που προκαλούν χηµικές µετατροπές στα µέταλλα, οι οποίες δε βρίσκονται σε ανιχνεύσιµα επίπεδα, παρά µόνο όταν το κύτταρο βρεθεί σε ρυπασµένο περιβάλλον. Τότε ξεκινά η βιοσύνθεση πρωτεϊνών ανθεκτικότητας µε αποτέλεσµα τη καταστολή της τοξικότητας (Cooksey, 1993) Φυσική Προσρόφηση Ο µηχανισµός αυτός αποµάκρυνσης µετάλλων (όπως και οι υπόλοιποι που ακολουθούν αναφέρεται τόσο στη χρήση βιοµάζας νεκρών µικροοργανισµών (βιορρόφηση), όσο και στην εφαρµογή ζωντανών µικροοργανισµών. Σε αυτή την κατηγορία οι δεσµοί των µικροοργανισµών και των µετάλλων είναι δεσµοί van der Waals (Veglio and Beolchini, 1997). Ο Polikarpov (1966) διαπίστωσε ότι ραδιενεργά στοιχεία στο θαλασσινό νερό συσσωρεύονται σε θαλάσσιους µικροοργανισµούς µε απευθείας προσρόφηση από το νερό (Veglio and Beolchini, 1997). Οι Tsezos και Volesky (1982 α) απέδειξαν ότι το θόριο και το ουράνιο δεσµεύονται από το µύκητα Rhizopus arrhizus που οφείλεται στη προσρόφηση τους από τη χητίνη που υπάρχει στο κυτταρικό τοίχωµα. Οι Kuyucak και Volesky (1988) υπέθεσαν ότι η βιορρόφηση του ουράνιου, καδµίου, ψευδαργύρου, χαλκού και κοβαλτίου από νεκρή βιοµάζα που αποτελείται από άλγη, µύκητες και ζύµες οφείλεται σε ηλεκτροστατικές δράσεις Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 40

60 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ανάµεσα στα µεταλλικά ιόντα στο διάλυµα και του κυτταρικού τοιχώµατος(veglio and Beolchini, 1997) Ιονανταλλαγή Το κυτταρικό τοίχωµα αποτελείται από πολυσακχαρίτες, οι οποίοι αποτελούν βασικές οµάδες δέσµευσης. Οι ιονανταλλακτικές ιδιότητες των οµάδων αυτών έχουν µελετηθεί εκτενώς και θεωρείται ικανοποιητικά τεκµηριωµένος ο µηχανισµός που περιλαµβάνει την ανταλλαγή των ιόντων των φυσικών πολυσακχαριτών µε τα δισθενή µεταλλικά ιόντα (Hughes and Poole, 1989). Επίσης, οι αλγινικές οµάδες συχνά θεωρούνται φυσικά άλατα του Na +, K +, Ca 2+ και/ή Mg 2+, οπότε τα παραπάνω ιόντα αντικαθίστανται από άλλα µεταλλικά ιόντα, όπως π.χ. Co 2+, Cu 2+, Zn 2+ και Cd 2+, µε αποτέλεσµα την αποµάκρυνση/βιορρόφησή τους (Kuyucak and Volesky, 1988). Οι Friis και Myers-Keith (1986) υπέθεσαν ότι η βιορρόφηση του καδµίου και του ουρανίου από το µικροοργανισµό Streptomyces longwoodensis οφείλεται σε ιονανταλλαγή ανάµεσα στα µεταλλικά ιόντα και στους φωσφοδιεστέρες που υπάρχουν στο κυτταρικό τοίχωµα και στο κυτταρόπλασµα. Η βιορρόφηση του καδµίου και του µολύβδου από το µύκητα Aspergillus niger είναι παρόµοια µε την αποµάκρυνση µετάλλων από ιονονταλλακτικές ρητίνες, παρόλο που η ανταλλαγή δεν είναι πλήρως στοιχειοµετρική (Kapoor and Viraraghavan, 1997). Κατά την αποµάκρυνση «σκληρών» και «µαλακών» µετάλλων (δηλ. ισχυρών και ασθενών οξέων κατά Lewis) από τη βιοµάζα Rhizopus arrhizus παρατηρήθηκε ότι το στρόντιο («σκληρό» µέταλλο) αντικαθιστά στοιχειοµετρικά άλλα ιόντα σχηµατίζοντας ετεροπολικούς δεσµούς, ενώ τα µέταλλα µαγγάνιο, ψευδάργυρος, χαλκός και κάδµιο αντικαθιστούν H +, Ca 2+ και Mg 2+, σχηµατίζοντας οµοιοπολικούς δεσµούς (Brady and Tobin, 1995). Η βιορρόφηση των ιόντων καδµίου, χαλκού, ψευδαργύρου εξετάστηκε χρησιµοποιώντας µεταβολικά ανενεργή βιοµάζα Saccharomyces cerevesiae. Παρατηρήθηκε ότι όταν χρησιµοποιήθηκαν µικρές συγκεντρώσεις των µετάλλων αυξανόταν ο αριθµός των οµοιοπολικών δεσµών (εκτόπιση H + ), ενώ όταν χρησιµοποιήθηκαν µεγάλες συγκεντρώσεις µετάλλων, αυξάνονταν ο σχηµατισµός των ετεροπολικών δεσµών (εκτόπιση Ca 2+ και Mg 2+ ) (Avery and Tobin, 1993). Οι Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 41

61 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Treen-Sears et al., 1984, προτείνουν ότι η δέσµευση των µετάλλων εξαρτάται από την αναλογία των φωσφορικών και καρβοξυλικών υπολειµµάτων Συµπλοκοποίηση Η αποµάκρυνση των µετάλλων µπορεί να οφείλεται και στον σχηµατισµό συµπλόκων των µετάλλων µε ενεργές οµάδες (υποκαταστάτες) της κυτταρικής επιφάνειας. Τα δικαρβονικά οξέα, το γλουκονικό και σαλικυλικό οξύ, που παράγονται από τους µικροοργανισµούς, αποτελούν χηλικούς παράγοντες των µετάλλων και µπορούν να επιταχύνουν την κινητικότητα των µετάλλων στο έδαφος. Έτσι, οι διαλύτες (χαµηλού µοριακού βάρους οργανικές συµπλοκοποιητικές ενώσεις, 2+ σχηµατίζουν σύµπλοκα µε τα ιόντα UO 2 µέσω καρβοξυλικών και φαινολικών οµάδων. Ο µικροοργανισµός Aspergillus niger διαλυτοποιεί µέταλλα που βρίσκονται σε στερεή κατάσταση, παράγοντας κιτρικό οξύ (Gadd, 1996). Η βιορρόφηση του θορίου και ουρανίου από τον Rhizopus arrhizus οφείλεται όχι µόνο σε φυσική προσρόφηση, αλλά και στο σχηµατισµό πολύπλοκων συµπλόκων των µεταλλικών ιόντων και του αζώτου, που περιέχεται στη χητίνη του κυτταρικού τοιχώµατος (Tsezos and Volesky, 1997). Ορισµένοι ερευνητές υποστηρίζουν, ότι οι κύριες οµάδες για το σχηµατισµό των συµπλόκων του ουρανίου µε τη χητίνη είναι οι αµινοοµάδες, ενώ άλλοι θεωρούν ότι σηµαντικό ρόλο παίζουν οι καρβοξυλικές και οι φωσφορικές οµάδες (Tobin et al., 1994). Οι Aksu et al., 2002 προτείνουν ότι η βιορρόφηση του χαλκού από τους µικροοργανισµούς C. vulgaris και Z. ramigera οφείλεται σε συνδυασµό προσρόφησης και δέσµευσης των µετάλλων από καρβοξυλ-, αµινο-, σουλφυδρυλ-, υδροξυ-, αµιδο-, φωσφορικές και θειϊκές οµάδες, που υπάρχουν στα λιπίδια, τους πολυσακχαρίτες και τις πρωτείνες. Η συµπλοκοποίηση φαίνεται να είναι ο µηχανισµός στον οποίο στηρίζεται κυρίως η αποµάκρυνση του ασβεστίου, καδµίου, µαγνησίου, ψευδαργύρου, χαλκού και υδραργύρου από τον µικροοργανισµό Pseudomonas syringae (Veglio and Beolchini, 1997). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 42

62 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Καταβύθιση Η καταβύθιση µπορεί να εξαρτάται από το µεταβολισµό των κυττάρων ή να είναι µεταβολικά ανεξάρτητη. Στη πρώτη περίπτωση, ο συγκεκριµένος µηχανισµός αποτελεί άµυνα του µικροοργανισµού για την προστασία του από τα τοξικά µέταλλα. Η καταβύθιση των µετάλλων από τους µικροοργανισµούς γίνεται µε τη µορφή θειούχων, φωσφορικών και οξαλικών ενώσεων ή οξειδίων (Veglio and Beolcηini, 1997; Hughes and Poole, 1989). Η καταβύθιση µε τη µορφή θειούχων γίνεται κυρίως από βακτήρια τα οποία ανάγουν τις ενώσεις του θείου, µε αποτέλεσµα τα παραγόµενα S 2- να είναι προϊόντα του µεταβολισµού τους. Τα ανιόντα S 2- αντιδρούν µε τα διαλυµένα κατιόντα των βαρέων µετάλλων σχηµατίζοντας τελικά αδιάλυτα θειούχα ιζήµατα (Gadd, 1996; White and Gadd, 1997). Η δηµιουργία ιζηµάτων οφείλεται ακόµη και σε οργανικά µόρια που περιέχουν θείο και βρίσκονται στο κυτταρόπλασµα και στο κυτταρικό τοίχωµα, όπως ορισµένες πρωτεΐνες. Η δέσµευση του µετάλλου και η δηµιουργία των ιζηµάτων οφείλεται στην ύπαρξη σουλφυδρυλικών οµάδων του αµινοξέος L- κυστεϊνη (Simmons and Singleton, 1996). Η παρουσία του ενζύµου φωσφατάση στην επιφάνεια των µικροοργανισµών 2- Citrobacter sp. απελευθερώνει HPO 4 από τα συστατικά του θρεπτικού υποστρώµατος, φωσφορική γλυκερόλη, το οποίο αφού συνδεθεί µε τα δισθενή µεταλλικά ιόντα, σχηµατίζει ιζήµατα στην επιφάνεια των κυττάρων (White and Gadd, 1997; Yong and Macaskie, 1997). H παραγωγή οξαλικού οξέος από µύκητες οδηγεί στη καταβύθιση αδιάλυτων κρυσταλλικών οξαλικών ενώσεων των µετάλλων στην επιφάνεια των κυττάρων, αλλά και στο περιβάλλον υγρό (Hughes and Poole, 1989; Gadd, 1996). Άλλοι µικροοργανισµοί εκκρίνουν Η 2 Ο 2, το οποίο µπορεί να δηµιουργήσει στερεά οξείδια µε τα µέταλλα που επικάθονται στην επιφάνεια των κυττάρων (Hughes and Poole, 1989). Στην περίπτωση της µεταβολικά ανεξάρτητης καταβύθισης, η καταβύθιση µπορεί να είναι αποτέλεσµα χηµικής αντίδρασης µεταξύ του µετάλλου και της κυτταρικής επιφάνειας. Αυτό το φαινόµενο είναι το τελευταίο στάδιο της βιορρόφησης ουρανίου από νεκρά κύτταρα του Rhizopus arrhizus. Ο σχηµατισµός του συµπλόκου ουρανίουχητίνης ακολουθείται από υδρόλυση και καταβύθιση του προϊόντος (υδροξείδιο του Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 43

63 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ουρανίου) στο κυτταρικό τοίχωµα (Tsezos and Volesky 1982). Οι Holan et al. (1993) πρότειναν έναν επιπρόσθετο µηχανισµό που περιλαµβάνει εγκλωβισµό (entrapment) των µετάλλων µε τη µορφή αδιάλυτων µικροαποθέσεων (microdeposits) για τη βιορρόφηση του καδµίου από θαλασσινά άλγη (Veglio and Beolchini, 1997). 3.5 Παράγοντες που επηρεάζουν τη βιοσυσσώρευση και τη βιορρόφηση των µετάλλων Η βιοσυσσώρευση/βιορρόφηση εξαρτάται κυρίως από τρεις σηµαντικούς παράγοντες: α) το είδος της βιοµάζας και τη χηµική σύσταση των συστατικών της (κυρίως το κυτταρικό τοίχωµα), β) το είδος, τη συγκέντρωση και τον αριθµό των µετάλλων, που πρόκειται να δεσµευτούν και γ) τους εξωτερικούς φυσικοχηµικούς παράγοντες (τιµή του ph, ιονική ισχύς, υδατική χηµεία (speciation) του µετάλλου στο διάλυµα). Οι παράγοντες αυτοί επηρεάζουν την αποτελεσµατικότητα των µηχανισµών δέσµευσης του µετάλλου µέσα και/ή έξω από το κύτταρο Είδος βιοµάζας Το είδος της βιοµάζας που χρησιµοποιείται κάθε φορά, παίζει σηµαντικό ρόλο στη βιορρόφηση. Έχουν εξεταστεί πολλά είδη βακτηρίων, µυκήτων, αλγών και ζυµών. Η συγκριτική µελέτη διαφόρων ειδών βιοµάζας, όπως π.χ. βακτήρια (S. rimosus), ζύµες (S. cerevisiae), µύκητες (P. chrysogenum), ενεργός ιλύ και θαλάσσια άλγη (F. vesiculosus, A. nodosum) για τη βιορρόφηση ιόντων Zn, Cu και Ni, έδειξε ότι η αποτελεσµατικότητα της κάθε βιοµάζας διαφέρει ανάλογα µε το προς εξέταση µέταλλο. Έτσι, π.χ. οι βιοµάζες A. nodosum, S. rimosus και F. vesiculosus, αποδείχθηκαν καλύτερα προσροφητικά για τα ιόντα Zn(II), Cu(II) και Ni(II), αντίστοιχα. Η βιορρόφηση του Cu(II), Ni(II) και Cr(VI) από υδατικά διαλύµατα µε την εφαρµογή των αλγών (Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus και Synechocystis Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 44

64 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ sp.) εξετάστηκε σε εργαστηριακό επίπεδο ως συνάρτηση της τιµής του ph, της αρχικής συγκέντρωσης του µετάλλου και της συγκέντρωσης της βιοµάζας. Η βέλτιστη τιµή του ph για την προσρόφηση του Cu(II), Ni(II) και Cr(VI) βρέθηκε να είναι 5, 4,5 και 2, αντίστοιχα. Στις βέλτιστες συνθήκες, η αποµάκρυνση του µετάλλου αυξάνεται µε την αρχική συγκέντρωση του µετάλλου (Dönmez et al., 1999). Gram- και Gram+ βακτήρια που αποµονώθηκαν από την ενεργοποιηµένη ιλύ, µελετήθηκαν για την αποµάκρυνση του Cd. Παρατηρήθηκε µεγαλύτερη βιορροφητική ικανότητα από τους Gram+ µικροοργανισµούς. Αυτό το αποτέλεσµα συνδέθηκε µε τη διαφορά στη σύσταση του κυτταρικού τοιχώµατος των Gram- και Gram+ και κυρίως µε την ύπαρξη των τειχοϊκών οξέων στους Gram+ µικροοργανισµούς. (Gourdon et al., 1990). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η επίδραση των υποστρωµάτων και των συνθηκών ανάπτυξης των µικροοργανισµών. Η προσθήκη κυστεϊνης, γλυκόζης, αµµωνίας ή φωσφορικών στο θρεπτικό υπόστρωµα ανάπτυξης της ζύµης Saccharomyces cerevisiae οδηγεί στην ανάπτυξη βιοµάζας µε διαφορετική συµπεριφορά κατά τη βιορρόφηση των ιόντων Pb 2+,Cd 2+, Zn 2+ και Cu 2+ από ισοµοριακό τους µίγµα. Γενικά, η βιορροφητική ικανότητα ήταν µεγαλύτερη, εξαιτίας των κυτταρικών τοιχωµάτων, που ήταν πλουσιότερα σε S, C, N ή P (Engl and Kunz,1995). H ικανότητα της ζύµης Candida utilis να βιοσυσσωρεύει Cd 2+ από το θρεπτικό υπόστρωµα της καλλιέργειας εξαρτάται από την πηγή άνθρακα (Kujan et al., 1995). Έτσι, όταν η γλυκόζη αποτελεί την πηγή άνθρακα, η βιοσυσσώρευση είναι δέκα φορές µεγαλύτερη σε σύγκριση µε την περίπτωση όπου χρησιµοποιείται ξυλόζη. Η µελέτη της βιορρόφησης Ag + από τη ζύµη Saccharomyces cerevisiae απέδειξε ότι τα κύτταρα της ζύµης από καλλιέργεια µε χρόνο επώασης 96 ώρες βιορροφούσαν σχεδόν τη µισή ποσότητα Ag + σε σχέση µε τα κύτταρα από καλλιέργεια 24 ωρών. Κατά την εξέταση των κυτταρικών τοιχωµάτων από τις καλλιέργειες δεν παρατηρήθηκε σηµαντική διαφορά στη χηµική τους σύσταση. Όταν προστέθηκε L- κυστεϊνη στο θρεπτικό υπόστρωµα της καλλιέργειας, τα κύτταρα απέκτησαν µεγαλύτερη χωρητικότητα ως προς τη βιορρόφηση Ag +, ενώ δεν παρατηρήθηκαν ιζήµατα µε Ag + στο κυτταρικό τοίχωµα και το κυτταρόπλασµα. Προφανώς, η προσθήκη της πρωτεΐνης αλλάζει τόσο τη βιορροφητική ικανότητα της βιοµάζας, όσο και το µηχανισµό δέσµευσης του µετάλλου (Simmons and Singleton, 1996). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 45

65 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η ακινητοποίηση της βιοµάζας σε κατάλληλο στερεό υπόστρωµα δηµιουργεί υλικό µε το απαραίτητο µέγεθος, τη µηχανική αντοχή και το πορώδες, που απαιτείται για τη χρήση σε σταθερές κλίνες (packed-beds). Γενικά, η εφαρµογή της ακινητοποιηµένης βιοµάζας έχει το πλεονέκτηµα του ευκολότερου διαχωρισµού της βιοµάζας από το υγρό απόβλητο, καθώς και της ευκολότερης αναγέννησης και ανακύκλωσης του βιορροφητικού υλικού. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται πολλές τεχνικές για την ακινητοποίηση της βιοµάζας. Οι τεχνικές αυτές στηρίζονται στη προσρόφηση σε αδρανή υλικά, εγκλωβισµό σε πολυµερή µήτρα, σχηµατισµό οµοιοπολικών δεσµών µε ενώσεις-φορείς και διακλάδωση σε κύτταρα (Veglio and Beolcini, 1997, Ζouboulis et al., 2002). Η προσρόφηση σε αδρανή υλικά στηρίζεται στην ανάπτυξη των µικροοργανισµών στο υλικό και το σχηµατισµό µιας βιολογικής λεπτής στοιβάδας (biofilm). Ο εγκλωβισµός της βιοµάζας σε πολυµερή υλικά (π.χ. πολυσουλφόνη, αλγινικό ασβέστιο,πολυακρυλαµίδιο) οδηγεί στη δηµιουργία µικρών σωµατιδίων που χρησιµοποιούνται σε ρευσταιωρούµενες κλίνες, όπως ακριβώς και τα εµπορικά προσροφητικά. Ο σχηµατισµός οµοιοπολικών δεσµών µε κατάλληλες ενώσεις-φορείς χρησιµοποιείται ιδιαίτερα για την ακινητοποίηση αλγών, ενώ στους φορείς αναφέρονται τόσο φυσικές, όσο και συνθετικές οργανικές ενώσεις (π.χ. δεξτράνη, κελουλόζη, πολυακριλονιτρίλιο) καθώς και ανόργανες (π.χ. silica gel, φυσικοί και συνθετικοί ζεόλιθοι). Η δηµιουργία σταυροδεσµών (cross linking) µεταξύ των κυττάρων της βιοµάζας και κατάλληλων αντιδραστηρίων, όπως π.χ. φορµαλδεΰδη ή µίγµα ουρίαςφορµαλδεΰδης σχηµατίζει σταθερά συσσωµατώµατα της βιοµάζας. H γενετικά τροποποιηµένη βιοµάζα προκύπτει µετά από κατάλληλη τροποποίηση, αντικατάσταση ή αποµάκρυνση των βάσεων του DNA µετά από την επίδραση κάποιου χηµικού αντιδραστηρίου. Η χηµική µετάλλαξη εξαρτάται από τη συγκέντρωση της χηµικής ουσίας, τη φάση της ανάπτυξης στην οποία βρίσκεται ο µικροοργανισµός και την τιµή του ph. Πρέπει να σηµειωθεί όµως, ότι αν και η εκτίµηση της περιβαλλοντικής επικινδυνότητας πιστεύεται ότι είναι ανάλογη των εκτιµήσεων επικινδυνότητας για την ανθρώπινη υγεία, όπως προκύπτουν από τη θεσµοθετηµένη Επιτροπή Βιοασφάλειας, τίποτε δε θα µπορούσε να απέχει από την Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 46

66 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ απλή αλήθεια ότι «ο άνθρωπος είναι ουσιαστικά ένας απλός κάτοικος, ενώ το περιβάλλον όχι». Η απαίτηση για µελέτη του περιβαλλοντικού κινδύνου (αντίκτυπου) πριν από τη διάθεση (χρήση) ενός τροποποιηµένου µικροοργανισµού, οδηγεί σε αρκετά πολύπλοκη κατάσταση (Κυριακίδης, 2000) Είδος µετάλλου Σε διάφορες µελέτες έχουν εξετασθεί κάποια µέταλλα που είναι τοξικά και άλλα που ενώ ανήκουν στα απαραίτητα ιχνοστοιχεία, έχουν εντοπιστεί σε ρυπασµένα νερά σε αυξηµένες συγκεντρώσεις. Ιδιαίτερη έµφαση έχει δοθεί επίσης στις χηµικές ιδιότητες και την υδατική χηµεία του προς εξέταση µετάλλου. Όταν πρόκειται για νεκρή ή ζωντανή βιοµάζα, οι διαφορετικές µορφές του µετάλλου στο διάλυµα µπορούν να δράσουν διαφορετικά, ανάλογα µε τις θέσεις δέσµευσης πάνω στη βιοµάζα. Ωστόσο, η ζωντανή βιοµάζα παίζει σηµαντικό ρόλο για την εµφάνιση συµπτωµάτων τοξικότητας από αυτά. Οι συγκεκριµένες διεργασίες γίνονται ακόµη περισσότερο πολύπλοκες, όταν στο υδατικό διάλυµα υπάρχουν περισσότερα από ένα µέταλλα. Οι περισσότερες έρευνες/εργασίες αναφέρονται στην αποµάκρυνση µεταλλικών κατιόντων και υποστηρίζουν τη δέσµευση των µετάλλων στα βιοπολυµερή των κυττάρων, όπως π.χ. είναι τα ουρονικά οξέα, οι φωσφορυλικές οµάδες και οι καρβοξυλικές οµάδες των αµινοξέων (Gutnick and Bach, 2000). Η αποµάκρυνση όµως των µεταλλικών ανιόντων αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη βιορρόφηση. Η αποµάκρυνση µολυβδαινικών (MoO - 4 ) από σφαιρίδια χητίνης (chitosan beads) προσέγγισε τα 700 mg g -1, ενώ για την αποφυγή διαλυτοποίησης των σφαιριδίων η χητίνη επεξεργάστηκε µε γλουταραλδεϋδη. Η αποµάκρυνση των Cr(VI) από φύκη, τύρφη και καλαµπόκι είναι αξιοσηµείωτη. H βέλτιστη τιµή του ph κυµαίνεται µεταξύ Επιπλέον, σηµαντική ποσότητα του Cr(VI) ανάγεται σε Cr(ΙΙI). Εξάλλου, οι Sharma and Forster (1994) προτείνουν ότι οι πρωτονιωµένες και ασθενείς βασικές οµάδες της βιοµάζας δεσµεύουν τα HCrO - 4 ιόντα από το διάλυµα και ανταλλάσσουν OH -. Επειδή τα τοξικότερα µέταλλα εµφανίζονται µε ανιονική µορφή (π.χ. ΑsO 3-4, SeO = 3, CrO = 4, MoO - 4 ) η µελέτη της βιορρόφησης των ανιόντων εµφανίζεται ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα (Kratochvil and Volesky, 1998). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 47

67 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Εξωτερικοί παράγοντες Οι εξωτερικοί (φυσικοχηµικοί) παράγοντες, όπως είναι η τιµή του ph, η ιονική ισχύς και η θερµοκρασία, θεωρούνται ουσιώδεις για την πορεία της βιορρόφησης και βιοσυσσώρευσης. Η τιµή του ph και οι µεταβολές της ευθύνονται για την ενεργοποίηση λειτουργικών οµάδων στην επιφάνεια του κυτταρικού τοιχώµατος, τη σωστή λειτουργία των ενζύµων του κυττάρου και την παρουσία διαφόρων µορφών του µετάλλου στο διάλυµα. Η ιονική ισχύς, δηλαδή η παρουσία άλλων ιόντων στο διάλυµα, είναι πιθανό να επιδράσει αρνητικά στη βιορρόφηση (Ledin, 2000). Τα ιόντα που συνυπάρχουν µε τα µέταλλα, που πρόκειται να αποµακρυνθούν, συναγωνίζονται για τις ίδιες θέσεις δέσµευσης στην επιφάνεια της βιοµάζας µε αποτέλεσµα τη µείωση της βιορροφητικής ικανότητας και την ελάττωση της αποτελεσµατικότητας της διεργασίας για την αποµάκρυνση και ανάκτηση του µετάλλου. Η θερµοκρασία, εξάλλου, δεν βρέθηκε ότι επηρεάζει σηµαντικά τη βιορρόφηση, αλλά στην περίπτωση της βιοσυσσώρευσης επηρεάζει τη λειτουργία των κυττάρων, οπότε και τους µηχανισµούς αντίδρασης αυτών σε τοξικούς παράγοντες και στη δέσµευση των µετάλλων Βιβλιογραφική ανασκόπηση για την αποµάκρυνση του Cd(ΙΙ), As(V) και Cr(VI) Βακτήρια, µύκητες και ζύµες έχουν εφαρµοστεί µε ιδιαίτερη επιτυχία ως βιορροφητικά υλικά για την αποµάκρυνση των βαρέων µετάλλων. Η δέσµευση των µετάλλων είναι περίπλοκη και εξαρτάται από την χηµεία των µεταλλικών ιόντων, τις επιφανειακές ιδιότητες των µικροοργανισµών, τη φυσιολογία του κυττάρου και τις φυσικοχηµικές ιδιότητες του περιβάλλοντος, όπως η τιµή του ph, η θερµοκρασία και η συγκέντρωση του µετάλλου. Το ίδιο µεταλλικό ιόν είναι πιθανό να δεσµεύεται σε διαφορετικές ποσότητες από διαφορετικούς µικροοργανισµούς. H σύγκριση των βιορροφητικών υλικών για την ικανότητα τους να δεσµεύουν τα βαρέα µέταλλα µπορεί να γίνει µε τη σύγκριση των αντίστοιχων σταθερών που προκύπτουν από την Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 48

68 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ εφαρµογή των µοντέλων προσρόφησης. Από τους περισσότερους µελετητές προτείνεται η εφαρµογή του µοντέλου του Langmuir για την περιγραφή του προσροφητικού συστήµατος βιοµάζας-µετάλλου (Volesky, 2001). Βέβαια, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στον προσδιορισµό της σταθεράς της µέγιστης αποµάκρυνσης του προσροφούµενου µετάλλου, αφού οι πειραµατικές συνθήκες θα πρέπει να είναι οι ίδιες. Στους πίνακες 5 α και 5β παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της αποµάκρυνσης των µετάλλων Cd(II) και Cr(VI) από διάφορα είδη βιοµάζας. Πίνακας 5α. Σύγκριση διαφόρων βιορροφητικών υλικών µε βάση τη µέγιστη αποµάκρυνση (q max ) που παρουσιάζουν για τα ιόντα Cd(II) για διαφορετικές πειραµατικές συνθήκες. Μέταλλο Βιοµάζα q max ph T (mg g -1 ) ( o C) C o X βιοµάζα Bιβλιογραφική (mgl -1 ) (g L -1 ) Αναφορά Cd(II) Αrthrobacter viscosus Veglio and Beolcini, 1997» Saccharomyces cerevisiae Volesky, 1987» Alcaligenes sp Veglio and Beolcini, 1997» Streptomyces noursei Mattuschka et al., 1993» Penicillium digitatum Galun et al., 1987» Rhizopus arrhizus Fourest et al., 1992» Sargassum natans Volesky, 1987» Ascophylum nodosum Veglio and Beolcini, 1997» C. vulgaris Aksu, 2001 Actinomyces Kefala et al., 1999 Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 49

69 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πίνακας 5β. Σύγκριση διαφόρων βιορροφητικών υλικών µε βάση τη µέγιστη αποµάκρυνση (q max ) που παρουσιάζουν για τα ιόντα Cr(VI) για διαφορετικές πειραµατικές συνθήκες. Μέταλλο Βιοµάζα q max ph T C o X βιοµάζα Bιβλιογραφική (mg g -1 ) ( o C) (mgl - (g L -1 ) Αναφορά 1 ) Cr(VI) Zoogloera ramigera Nourbakhsh et al., 1994» Saccharomyces cerevisiae Nourbakhsh et al., 1994» S. equisimilis Goyal et al., 2002» Streptomyces noursei Mattuschka et al., 1993» Saccharomyces cerevisiae Goyal et al., 2002» Rhizopus arrhizus Nourbakhsh et al., 1994» A. niger Goyal et al., 2002» Pinus sylvestris Ucun et al., 2002» C. vulgaris Aksu, 2001» Rhizopus nigricans Bai and Abraham, 2001 Η ικανότητα διαφόρων βιοροφητικών υλικών να αποµακρύνουν τοξικά µέταλλα από υδατικά διαλύµατα διαφέρει σηµαντικά, ανάλογα µε το είδος του µικροοργανισµού που χρησιµοποιείται και τις περιβαλλοντικές συνθήκες που εφαρµόζονται. Ειδικότερα, από τους πίνακες 5α και 5β προκύπτει ότι οι τιµές της µέγιστης αποµάκρυνσης του Cd(II) που προσδιορίστηκαν για διαφορετικά είδη µικροοργανισµών κυµαίνονται από mg g -1, ενώ οι τιµές της µέγιστης αποµάκρυνσης για το Cr(VI) κυµαίνονται από mg g -1. Θα πρέπει ωστόσο να σηµειωθεί ότι οι περισσότερες έρευνες/εργασίες αναφέρονται στην αποµάκρυνση µεταλλικών κατιόντων και υποστηρίζουν τη δέσµευση των µετάλλων στα βιοπολυµερή των κυττάρων, όπως τα ουρονικά οξέα, τις φωσφορυλικές οµάδες και τις καρβοξυλικές οµάδες των αµινοξέων (Gutnick and Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 50

70 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Bach, 2000). Τα τελευταία χρόνια όµως το ενδιαφέρον των ερευνητών εστιάζεται στην αποµάκρυνση των µετάλλων που εµφανίζονται µε ανιονική µορφή µε εφαρµογή της βιορρόφησης. Αρκετά τοξικά µέταλλα εµφανίζονται µε ανιονική µορφή (ΑsO 3-4, SeO = 3, CrO = 4, MoO - 4 ), οπότε η µελέτη της βιορρόφησης των ανιόντων είναι άκρως ενδιαφέρουσα (Kratochvil and Volesky, 1998). Η αποµάκρυνση µολυβδαινικών (MoO - 4 ) από σφαιρίδια χητίνης (chitosan beads) προσέγγισε τα 700 mg g -1, τα οποία προκατεργάστηκαν µε γλουταραλδεϋδη για την αποφυγή φαινοµένων διαλυτοποίησης. Για το Cr(VI) υπάρχουν αρκετές αναφορές, όπως φαίνεται και από τον πίνακα 5β, οι οποίες όµως τις περισσότερες φορές αναφέρονται στην αποµάκρυνση του Cr(VI) µετά από αναγωγή του σε Cr(ΙΙΙ). Οι Sharma and Forster (1994) προτείνουν ότι οι πρωτονιωµένες και ασθενείς βασικές οµάδες της βιοµάζας δεσµεύουν τα HCrO - 4 ιόντα από το διάλυµα, ανταλλάσσοντας OH -. Η αποµάκρυνση του As(V) µε βιορρόφηση είναι ίσως από τις πιο περιβαλλοντικά ενδιαφέρουσες περιπτώσεις (Volesky, 2001). εν υπάρχουν στη βιβλιογραφία σαφείς αναφορές που να περιλαµβάνουν τη µελέτη της βιορρόφησης του µεταλλοειδούς αυτού, παρά µόνο παρουσιάζονται αρκετές προσπάθειες ανάπτυξης µικροοργανισµών σε περιβάλλοντα παρουσία αρσενικού (Miranda and Castillo, 1998; Ledin, 2000). Χαρακτηριστική όµως είναι η παρατήρηση ότι µικροάλγη συσσωρεύουν αρκετά µεγάλες ποσότητες αρσενικού από τα περιβάλλοντά τους (Yamaoka et al., 1996). Οι συγκεκριµένοι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα άλγη µπορούν να αποµακρύνουν As(V) και να ελαττωθεί η συγκέντρωσή του µέχρι και 1 mg L -1. Όταν η καλλιέργεια του Rhaphydophycae Chatorella γίνεται παρουσία Fe και Mn, η ποσότητα του As(V) που βιοσυσσωρεύεται είναι µεγαλύτερη Σύγκριση βιολογικών µεθόδων µε τις συνηθισµένες µεθόδους αποµάκρυνσης τοξικών µετάλλων από υγρά απόβλητα Η βιορρόφηση, η παθητική ρόφηση και συµπλοκοποίηση των τοξικών µετάλλων από µικροβιακή βιοµάζα και η βιοσυσσώρευση, η πρόσληψη τοξικών µετάλλων από ζωντανούς µικροοργανισµούς, αποτελούν µία εναλλακτική µέθοδο αποµάκρυνσης τοξικών µετάλλων από υγρά απόβλητα. Οι παραπάνω διεργασίες δεν αντικαθιστούν τις συνηθισµένες µεθόδους κατεργασίας, αλλά εκµεταλλεύονται την ικανότητα των Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 51

71 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ µικροοργανισµών ή των προϊόντων µεταβολικής δράσης για αποµάκρυνση των µετάλλων µε αρκετά οικονοµικό τρόπο (Eccles, 1995). Η εφαρµογή βιολογικής κατεργασίας, µε το εµπορικό όνοµα AMT-Bioclaim, σε συγκεκριµένες πειραµατικές συνθήκες έδειξε ότι το κόστος λειτουργίας ελαττώνεται κατά 36%, ενώ το ολικό κόστος ελαττώνεται κατά 28% από τις συνηθισµένες µεθόδους (ιονανταλλακτικές ρητίνες/χηµική καταβύθιση), µετά την ανάλυση των οικονοµικών δεδοµένων. Η εφαρµογή νεκρής βιοµάζας έχει αποδειχθεί ότι µπορεί να δεσµεύσει µεγαλύτερες συγκεντρώσεις µετάλλου, είναι περισσότερο εκλεκτική, τεχνολογικά εφαρµόσιµη και είναι δυνατό µετά από την προσρόφηση του µετάλλου, εφαρµόζοντας στάδιο έκλουσης, να επαναχρησιµοποιηθεί σε επόµενους κύκλους βιορρόφησης (Τοbin et al., 1994). Επίσης, µε τη χρήση νεκρής βιοµάζας ή προϊόντων παραγόµενων από ζωντανούς µικροοργανισµούς, ελαχιστοποιούνται τα προβλήµατα λόγω τοξικότητας των µετάλλων, όπως επίσης και το πρόβληµα της συντήρησης των ζωντανών µικροοργανισµών µε την παροχή θρεπτικών συστατικών. Στον πίνακα 6 δίνονται συνοπτικά τα κυριότερα χαρακτηριστικά των δύο διεργασιών. Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 52

72 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πίνακας 6. Χαρακτηριστικά της βιοσυσσώρευσης και της βιορρόφησης των µετάλλων από αραιά υδατικά διαλύµατα. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΒΙΟΣΥΣΣΩΡΕΥΣΗ Συγγένεια µε το µέταλλο Μεγάλη κάτω από ευνοϊκές συνθήκες Προβλήµατα τοξικότητας και συσσώρευση µετάλλου Ταχύτητα δέσµευσης Η δέσµευση στο κυτταρικό Πιο αργή από τη βιορρόφηση τοίχωµα είναι πολύ γρήγορη Εκλεκτικότητα Μεγάλη Μικρή Επίδραση της θερµοκρασίας Ασήµαντη Αναστολή σε χαµηλές και σε υψηλές θερµοκρασίες Επίδραση άλλων α) Παρουσία ανιόντων και α) Απαίτηση πηγών ενέργειας παραγόντων άλλων µορίων β) Εξάρτηση από ένζυµα β) Εξάρτηση από την τιµή γ) Απέκκριση άλλου µετάλλου του ph Η καταβύθιση µε χηµικά αντιδραστήρια απαιτεί µεγάλες ποσότητες χηµικών, ενώ η τελική συγκέντρωση των µετάλλων δεν είναι αρκετά χαµηλή, ώστε το επεξεργασµένο απόβλητο να διατεθεί σε υδάτινο αποδέκτη. Το κύριο όµως µειονέκτηµα της µεθόδου είναι η παραγωγή λάσπης. Η ποιότητα και η ποσότητα της οποίας εξαρτάται από τα χηµικά που θα χρησιµοποιηθούν. Έτσι, η προσθήκη NaOH παράγει λάσπη που δεν καθιζάνει εύκολα, ενώ µε Ca(OH) 2 προκύπτει πυκνή λάσπη µε καλές ιδιότητες καθίζησης. Η συγκεκριµένη µέθοδος µεταθέτει το περιβαλλοντικό πρόβληµα, από πρόβληµα διαχείρισης υγρών αποβλήτων σε πρόβληµα απόθεσης στερεών αποβλήτων. Η εφαρµογή των µεµβρανών απαιτεί ιδιαίτερα υψηλή κατανάλωση ενέργειας, ενώ η ανάκτηση των µετάλλων δεν είναι αποτελεσµατική. Σε ακραίες τιµές του ph και παρουσία µικροβιακής δράσης µπορούν να υποστούν µη-αντιστρεπτή «απενεργοποίηση», µε αποτέλεσµα την καταστροφή τους, γεγονός που επιβαρύνει αρκετά το κόστος της µεθόδου. Οι ιονανταλλακτικές ρητίνες διακρίνονται από µικρή αντοχή σε ωσµωτικά και θερµικά σοκ. Η βιοµάζα αντίθετα περιέχει περισσότερες από µία θέσεις ανταλλαγής, Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 53

73 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ σε σύγκριση µε τις ιονανταλλακτικές ρητίνες, που εντοπίζονται στα βιοπολυµερή του κυττάρου και διακρίνονται σε καρβοξυλικές, ιµιδαζολικές, σουλφυδρυλικές, αµινο, φωσφορικές, θειικές, αµιδικές, φαινολικές και υδροξυλικές οµάδες. Είναι προφανές, ότι η ανάπτυξη της βιορρόφησης από το επιστηµονικό/ερευνητικό πεδίο µέχρι τις χρήσιµες εφαρµογές, µπορεί να συνεισφέρει αρκετά στην αποµάκρυνση µετάλλων από επιφανειακά και υπόγεια νερά. Η εξέταση εγκατάστασης σε µεγάλη κλίµακα στην οποία θα εφαρµόζεται η βιορρόφηση πρέπει να λαµβάνει υπόψη της επιµέρους πεδία: τη χηµεία (και βιοχηµεία), καθώς και τη µηχανική. Στη χηµεία το ενδιαφέρον εστιάζεται κυρίως στο βιορροφητικό µηχανισµό, την αναλυτική µεθοδολογία και τον εξοπλισµό, τη χηµεία του διαλύµατος και τη σύσταση του κυτταρικού τοιχώµατος. Η ισορροπία της προσρόφησης, η δυναµική της ροής, η βελτιστοποίηση και η σκοπιµότητα της διεργασίας αποτελούν τους χώρους ενδιαφέροντος της µηχανικής (Volesky, 2001) Εφαρµογές της βιοσυσσώρευσης-βιορρόφησης στην κατεργασία των υγρών αποβλήτων Τα διαγράµµατα ροής των διεργασιών που χρησιµοποιούν τη βιορρόφηση για την αποµάκρυνση µετάλλων από διαλύµατα περιλαµβάνουν διάφορες µονάδες κατεργασίας, όπως: α) αντιδραστήρες σταθερής κλίνης, β) αντιδραστήρες ρευσταιωρούµενης κλίνης, γ) αντιδραστήρες περιστρεφόµενου δίσκου, δ) βιοαντιδραστήρες ιλύος (sludge blanket bioreactors) και ε) τεχνητούς υγροβιότοπους (artificial wetlands) (Σχήµα 8). Οι τεχνολογίες που εφαρµόζονται σήµερα είναι κυρίως (Veglio and Beolcini, 1997; Eccles, 1995): 1. BIOCLAIM TM : Η διεργασία περιλαµβάνει βακτήρια από το γένος των Bacillus που έχουν κατεργαστεί: (i) µε ισχυρό καυστικό διάλυµα για τη βελτίωση της συσσώρευσης των µετάλλων, (ii) πλύση µε νερό για την αποµάκρυνση της περίσσειας του καυστικού διαλύµατος και (iii) ακινητοποίηση σε σφαιρίδια χρησιµοποιώντας πολυαιθυλενοεϊµίνη (polyethyleneimine, PEI) και γλουταραλδεϋδη. 2. AlgaSORB TM : Η διεργασία στηρίζεται στη χρήση διάφορων προϊόντων που αποτελούνται από νεκρά άλγη ακινητοποιηµένα µε διάφορα αντιδραστήρια (silica Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 54

74 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ gel). Το υλικό που προκύπτει παρουσιάζει υψηλή βιορροφητική χωρητικότητα και χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερη αντοχή σε οργανική απόφραξη. Η αποµάκρυνση του ουρανίου και του υδραργύρου προσέγγισε το 95%, µετά από κατεργασία υπόγειων υδάτων. 3. BIO-FIX: Χρησιµοποιείται βιοµάζα από τύρφη, άλγη, ζύµες, βακτήρια ακινητοποιηµένη σε πολυσουλφόνη. Το σύστηµα αυτό περιλαµβάνει τρεις σταθεροποιηµένες στήλες, οι δύο από τις οποίες λειτουργούν για βιορρόφηση και η µία για εκρόφηση. Η διεργασία επιτυγχάνει αποµακρύνσεις για τον Zn και το Mn της τάξεως των 50 και 10 µg L -1, αντίστοιχα. Εξάλλου, η χρήση συστηµάτων διασποράς εµφανίστηκε αρκετά προβληµατική, αφού µετά από την επαφή της βιοµάζας µε το διάλυµα του µετάλλου, ήταν αναγκαία η εφαρµογή ενός επιπλέον σταδίου για τον αποτελεσµατικό και γρήγορο διαχωρισµό της βιοµάζας από το αιώρηµα (Tzezos, 1990). Η επίπλευση αποτελεί ελκυστική λύση στο παραπάνω πρόβληµα. Η ροφητική επίπλευση µε τη χρήση ανόργανων αλλά και βιολογικών υλικών έχει µελετηθεί αρκετά, καθώς και η εφαρµογή δύο διαφορετικών τεχνικών επίπλευσης: επίπλευση διαλυµένου και διασκορπισµένου αέρα (Zouboulis and Matis, 1997). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 55

75 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Έξοδος Α Εκλουστικό υγρό Β Έξοδος/ απόβλητο χωρίς µέταλλο ιάλυµα µετάλλου µεγάλης συγκέντρωσης Τροφοδοσία Αέρας Τροφοδοσία Aέρας ιαχωρισµός Είσοδος Γ Έξοδος χωρίς µέταλλο Φυτά (Βιορρόφηση,δέσµευση θρεπτικών συστατικών) Λάσπη και µέταλλο Αέρας Άλγη (Βιορρόφηση,δέσµευση θρεπτικών συστατικών) Νερό Αναερόβιοι µικροοργανισµοί (Βιορρόφηση,βιοδιάχυση, καταβύθιση σουλφιδίων) Ίζηµα Υπέδαφος Σχήµα 8. ιαγράµµατα ροής διαφόρων µεθόδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων που περιέχουν τοξικά µέταλλα:(α) αντιδραστήρας ρευσταιωρούµενης κλίνης, εµπορικές εφαρµογές: AMT-Bioclain TM, (B) αντιδραστήρας σταθερής κλίνης, κλίµακα 20 kg βιοµάζας, εµπορικές εφαρµογές: AMT-Bioclain TM, Algasorb, BIO-FIX, (Γ) αντιδραστήρας περιστρεφόµενου δίσκου, εµπορικές εφαρµογές: βιολογικές διεργασίες σε ορυχείο, ( ) τεχνητός υγροβιότοπος:κλίµακα: µεγάλη, εµπορική εφαρµογή: Μeander system, ορυχείο µολύβδου στο Μισσούρι (White et al., 1995). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 56

76 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3.9. Έκλουση (αποµάκρυνση) του µετάλλου από τη βιοµάζα µε σκοπό την επαναχρησιµοποίησή της. Η ανάκτηση του βιορροφηµένου µετάλλου είναι απαραίτητη σε πολλές περιπτώσεις εξαιτίας της εµπορικής αξίας τους, ενώ η απόρριψη της παραγόµενης τοξικής λάσπης χωρίς επιπλέον κατεργασία, µπορεί να οδηγήσει σε νέα περιβαλλοντικά προβλήµατα, όπως π.χ. ρύπανση των υπόγειων νερών µε τοξικά µέταλλα (Volesky, 2001, Gadd, 1990). Η εκρόφηση αποσκοπεί στην παραλαβή του µετάλλου, σε µεγαλύτερη συγκέντρωση («συµπύκνωση») σχετικά µε την αρχική συγκέντρωση του αποβλήτου και στην αποθήκευση του βιορροφητικού σε κατάσταση που πλησιάζει τη φυσική, χωρίς αλλαγές ή καταστροφή του, µε στόχο την αποτελεσµατική επαναχρησιµοποίησή του και δέσµευση του µετάλλου. Η ανάκτηση του βιορροφηµένου µετάλλου µπορεί να γίνει µε την εφαρµογή: Α) καταστροφικών µεθόδων, π.χ. καύση της βιοµάζας ή διάλυση της µε πυκνά οξέα ή αλκάλια και Β) µη-καταστροφικών µεθόδων, όπως είναι π.χ. η έκλουση (αποµάκρυνση) του µετάλλου µε χρήση κατάλληλων εκλουστικών υγρών (αραιά οξέα ή διαλύµατα αλάτων). Η επιλογή του κατάλληλου εκλουστικού αντιδραστηρίου πρέπει να πληροί κάποιες προϋποθέσεις, όπως (Κεφάλα, 2000): Να αποµακρύνει ικανοποιητικά τα ιόντα του µετάλλου από τη βιοµάζα. Να είναι εύκολη η αποµάκρυνση του εκλουστικού από τη βιοµάζα µετά την έκλουση. Το µέταλλο που εκλούεται να είναι διαλυτό σε σχετικά µεγάλες ποσότητες στο εκλουστικό υγρό, ώστε να µη δηµιουργούνται ιζήµατα (δυσδιάλυτα άλατα), τα οποία είναι πιθανό να διαχωρίζονται µαζί µε τη βιοµάζα και να τη ρυπαίνουν. Να είναι αποτελεσµατικό, χωρίς την προσθήκη επιπλέον αντιδραστηρίων (π.χ. προσθήκη οξέων για ρύθµιση της τιµής του ph). Το φυσικό ph του αιωρήµατος της βιοµάζας στο εκλουστικό µέσο να είναι τέτοιο, ώστε να µη δηµιουργεί προβλήµατα καταβύθισης του µετάλλου. Να µην επηρεάζει σηµαντικά την αποτελεσµατικότητα της βιορρόφησης κατά την επαναχρησιµοποίηση της βιοµάζας. Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 57

77 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Να µην αποτελεί το ίδιο παράγοντα ρύπανσης. Το κόστος του να µην είναι απαγορευτικό. Η επιλογή του εκλουστικού εξαρτάται από το βιορροφηµένο µέταλλο αλλά και από το είδος της βιοµάζας. Η εκρόφηση του Cd µε τη χρήση αραιού διαλύµατος οξέος και ρύθµιση της τιµής του ph στο 2, προσέγγισε το 100%, σε 15 διαφορετικά είδη βιοµάζας µικροαλγών. Επίσης, η έκλουση του Cd από βιοµάζα Streptomyces pimprina χρησιµοποιώντας διάλυµα EDTA 0,1 Μ ήταν ιδιαίτερα αποτελεσµατική για δύο στάδια βιορρόφησης-έκλουσης-βιορρόφησης (82% και 78%, αντίστοιχα), σε σχέση µε τα διαλύµατα 0,1 και 1 Μ HCl (44% και 47% για το πρώτο στάδιο και 24 και 33% για το δεύτερο στάδιο, αντίστοιχα). Συγκρίνοντας την αποτελεσµατικότητά της έκλουσης των βιοροφηµένων Cd και Zn από τη βιοµάζα Chlorella vulgaris βρέθηκε ότι διάλυµα EDTA 0,1 Μ αποµακρύνει περίπου 40-60% του Cd και µόνο 3-16% του Zn, επιτυγχάνοντας δηλαδή κάποια εκλεκτικότητα (Maeda et al., 1990). ύο εκλουστικά, HCl και EDTA, βρέθηκαν ιδιαίτερα αποτελεσµατικά για την απόπροσρόφηση του Cd από θαλάσσια άλγη S. Baccularia κατά τη διάρκεια πέντε κύκλων βιορρόφησης-εκρόφησης. Ωστόσο, προκαλούνται καταστροφές στις οµάδες δέσµευσης της βιοµάζας σε τέτοιο βαθµό ώστε να µειώνεται η προσρόφηση του µετάλλου στους επόµενους κύκλους. Με την εφαρµογή του HCl βρέθηκε, ότι η αποµάκρυνση του µετάλλου µειώνεται κατά 56% στους πέντε κύκλους, ενώ µε το EDTA η αποµάκρυνση του µετάλλου κατά 40%. Είναι δυνατό να αυξηθεί η αποµάκρυνση του µετάλλου στους διαδοχικούς κύκλους µε τη βελτιστοποίηση του χρόνου εκρόφησης σε κάθε κύκλο (Chu et al., 1997). Σε αρκετές περιπτώσεις είναι απαραίτητη η επιπλέον ενεργοποίηση της βιοµάζας µετά από την έκλουση του µετάλλου. Η ενεργοποίηση αυτή µπορεί να γίνει µε τη βοήθεια διαδοχικών πλύσεων της βιοµάζας µε διάλυµα οξέος και αλκάλεως, επιτυγχάνοντας µε τον τρόπο αυτό την προσθήκη κατιόντων στην επιφάνεια της βιοµάζας, που αντικαθίστανται ευκολότερα από το µέταλλο κατά τον επόµενο κύκλο βιορρόφησης (Wilhelmi and Duncan, 1996). Κεφάλαιο 3. ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΞΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 58

78 4. TΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Ζωντανά κύτταρα µπορούν να κατεργαστούν µε φυσικά ή/και χηµικά µέσα (αντιδραστήρια) µε κύριο στόχο την αύξηση της βιορροφητικής τους ικανότητας. Η φυσική κατεργασία περιλαµβάνει θέρµανση, βρασµό, ψυχρή ξήρανση και αποστείρωση. Η χηµική κατεργασία αναφέρεται στην επαφή κυττάρων από µύκητες µε οξέα, αλκάλια ή οργανικά χηµικά αντιδραστήρια (Kapoor and Viraraghavan, 1998). HCl, HClO 4, H 2 SO 4, HNO 3 (Guibal et al., 1992; Huang et al., 1990; Fourest and Roux, 1992; Kuyucak and Volesky, 1988) και NaOH (Hu et al., 1996) χρησιµοποιήθηκαν από πολλούς ερευνητές για τη βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων της εκάστοτε εξεταζόµενης βιοµάζας. Επίσης, στη βιβλιογραφία αναφέρεται η χρήση άλλων ανόργανων αντιδραστηρίων, όπως CaCl 2 (Fourest et al., 1994), KSCN (Kuyucak and Volesky, 1989), καθώς και οργανικών, όπως π.χ. αιθανόλη, µεθανόλη, ακετόνη και χλωροφόρµιο (Hu et al., 1996, Kuyucak and Volesky, 1988). Ο σκοπός της κατεργασίας στις περισσότερες περιπτώσεις είναι η βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων της βιοµάζας που εµφανίζεται µε την αύξηση του αρνητικού φορτίου του κυτταρικού τοιχώµατος κατά την κατεργασία µε αλκάλια ή µε την αύξηση των διαθέσιµων θέσεων για προσρόφηση µε την κατεργασία µε οξύ ή µε τη βελτίωση της ιονανταλλαγής µε CaCl 2 (Fourest and Roux, 1992). Η όξινη και η αλκαλική κατεργασία της βιοµάζας Phanerochaete chrysosporium βελτίωσε ικανοποιητικά τη δέσµευση του Pb(II) (Yetis et al., 2000). Η χηµική κατεργασία της βιοµάζας Penicillium έδειξε βελτίωση της βιορρόφησης των µετάλλων (Paknikar et al., 1993). Προκατεργασία του µικροοργανισµού A. oryzae µε αποστείρωση, επαφή της βιοµάζας µε υδροξείδιο του καλίου, φορµαλδεϋδη ή αιθανόλη δεν παρουσιάζει ιδιαίτερες αλλαγές στη βιορρόφηση του καδµίου (Huang et al., 1990). Εξάλλου, προκατεργασία του A. niger µε υδροξείδιο του νατρίου, φορµαλδεϋδη, ή διµεθυλοσουλφοξείδιο, βρέθηκε ότι βελτιώνει σηµαντικά τη βιορρόφηση του µολύβδου, του καδµίου και του χαλκού. Η αύξηση στη βιορρόφηση του Pb, Cd και Cu οφείλεται στην καλύτερη «έκθεση» των ενεργών οµάδων δέσµευσης ή στη χηµική τροποποίηση των συστατικών του κυτταρικού τοιχώµατος (Kapoor and Viraraghavan, 1998). Οι Huang and Huang (1996) πρότειναν, ότι η αύξηση της Κεφάλαιο 4. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 59

79 I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ βιορρόφησης των µετάλλων µετά την κατεργασία της βιοµάζας οφείλεται στην αποµάκρυνση της περίσσειας των θρεπτικών και την έκθεση των ενεργών κέντρων για τη βιορρόφηση. Η βιοσυσσώρευση των µετάλλων (Cu(II), Cr(VI), Cd(II), Ni(II), Zn(II)) από ζωντανά κύτταρα Saccharomyces cerevisiae, αυξήθηκε µετά από την κατεργασία των κυττάρων µε γλυκόζη, καθώς η απευθείας προσθήκη γλυκόζης στο σύστηµα ζύµης-µετάλλου δεν επηρέασε το ποσό του µετάλλου που συσσωρεύτηκε (Stoll and Duncan, 1996). Χηµικά τροποποιηµένη βιοµάζα από θαλασσινά άλγη (Durvillaea potatorum, Ecklonia radiata) αποµακρύνουν αποτελεσµατικά Pb(II) και Cu(II) από υγρά απόβλητα (Matheickal and Yu, 1999). Η τροποποίηση περιλαµβάνει επεξεργασία µε διάλυµα 0,2 Μ CaCl 2. Παρατηρείται υψηλός ρυθµός δέσµευσης των µετάλλων ακόµη και σε χαµηλές συγκεντρώσεις. Σε αντίθεση µε τις ιονανταλλακτικές ρητίνες, τα ιόντα (Ca 2+, Mg 2+ ) ή τα κατιόντα (Na +, K + ) δεν παρεµποδίζουν ιδιαίτερα τη βιορρόφηση. Μεγάλη ποικιλία των χηµικών κατεργασιών έχουν ερευνηθεί για τη βελτιστοποίηση και µεγιστοποίηση της δεσµευτικής ικανότητας της βιοµάζας ή για την απόκτηση εξαιρετικών ιδιοτήτων. Στον πίνακα 7 φαίνονται κάποια χαρακτηριστικά παραδείγµατα χηµικής κατεργασίας Escherichia coli και Zoogloea ramigera (Xie et al., 1996). Οι τροποποιηµένες βιοµάζες προσροφούν καλύτερα κατιόντα, όπως Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II) και Zn(II), συγκρινόµενες µε µία εµπορική ιονανταλλακτική ρητίνη. Ωστόσο, οι χηµικά τροποποιηµένες βιοµάζες δεν είναι αρκετά σταθερές, ενώ η προσροφητική τους ικανότητα ελαττώνεται κατά τη συνεχή χρήση (επαναλαµβανόµενοι κύκλοι βιορρόφησης-έκλουσης). Η ενεργοποίηση της βιοµάζας (Penicillium chrysogenum) µε κατιόντα Νa + ή Ca 2+ εξετάστηκε σε στήλη σταθερής κλίνης. Η ενεργοποίηση της βιοµάζας και στις δύο περιπτώσεις αύξησε την ικανότητα δέσµευσης του Zn 2+. Ενεργοποίηση µε CaCl 2 οδήγησε σε 30% µεγαλύτερη αποµάκρυνση του µετάλλου από ότι η ενεργοποίηση µε NaHCO 3 (Fourest et al., 1994). Κεφάλαιο 4. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 60

80 I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πίνακας 7. Χαρακτηριστικές χηµικές µέθοδοι κατεργασίας για την τροποποίηση της βιορροφητικών υλικών. Κατεργασία Οξύ Αλκάλια CS 2 Na 2 S 2 O 3 NaCO 2 CH 2 Cl HOC 2 H 6 SO 3 Παρατηρήσεις Ισχυρά οξέα ( 1 Μ) καταστρέφουν τη βιορροφητική ικανότητα της βιοµάζας Βελτίωση περίπου κατά 74% στη δέσµευση µετάλλων,αλλά ελάττωση της απόδοσης σε επαναλαµβανόµενους κύκλους κατεργασίας Βελτίωση στη βιορροφητική ικανότητα της βιοµάζας κατά 133%, µικρή σταθερότητα της τροποποιηµένης βιοµάζας Προσθήκη επιπλέον σουλφυδρυλικών οµάδων και αύξηση κατά 155% της αποµάκρυνσης µετάλλων. Προσθήκη καρβοξυλικών οµάδων. Βελτίωση κατά 33% της βιορρόφησης µετάλλων. εν επηρεάζει την ικανότητα δέσµευσης µετάλλων. Εξάλλου, η εκλεκτική τροποποίηση συγκεκριµένων οµάδων της κυτταρικής επιφάνειας χρησιµοποιήθηκε από πολλούς ερευνητές για την συστηµατική µελέτη και εξακρίβωση του ακριβούς µηχανισµού της βιορρόφησης. Έτσι, η τροποποίηση των οµάδων του κυτταρικού τοιχώµατος του B. subtillus αποδεικνύει τη συµµετοχή των αµινοοµάδων στη δέσµευση κατιόντων (Doyle et al., 1980). Οι Tsezos και Volesky (1982) αναφέρουν το ρόλο της χητίνης του R. arrhizus στη συµπλοκοποίηση και ακόλουθη καταβύθιση του ουρανίου. Η τροποποίηση εφαρµόστηκε στο µικροοργανισµό Ascophyllum nodosum για να αποδειχθεί ο ρόλος των COOH του κυτταρικού τοιχώµατος του στην αποµάκρυνση του κοβαλτίου µε ιονανταλλαγή (Kuyucak and Volesky, 1988). Κεφάλαιο 4. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 61

81 I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Χηµική τροποποίηση πραγµατοποιήθηκε µε εστεροποίηση σε πέντε διαφορετικά είδη αλγών µε εστεροποίηση των καρβοξυλοµάδων σε όξινο περιβάλλον µε µεθανόλη. Για τον σκοπό αυτό εξετάστηκαν οι µικροοργανισµοί Cyanidium caladarium, Chlorella pyrenoidosa, Spirulina platensis, Laminaria japonica και Eisenia bicyclis. Οι οµάδες «υψηλής συγγένειας» (καρβοξυλικές οµάδες) θεωρήθηκε ότι παίρνουν µέρος σε τιµή ph 5, ενώ οι οµάδες «χαµηλής συγγένειας» (σουλφυδρyλοµάδες και οµάδες που περιέχουν άζωτο) σε τιµή ph 2. Η ελάττωση της δέσµευσης του Cu 2+ σε τιµή ph 5 ήταν ιδιαίτερα σηµαντική στην εστεροποιηµένη βιοµάζα (ελάττωση της τάξης του 20-60%). Εξάλλου, η δέσµευση του µετάλλου σε τιµή ph 2 ήταν χαµηλότερη για τα πέντε είδη της βιοµάζας, ενώ είναι ανεπηρέαστη από το ποσοστό των εστεροποιηµένων καρβοξυλοµάδων. Η δέσµευση του Cu 2+ πραγµατοποιείται από τις σουλφυδρyλοµάδες και τις οµάδες που περιέχουν άζωτο (Lin and Rayson, 1998). Η δέσµευση του χρυσού αυξήθηκε στις περισσότερες περιπτώσεις µετά από την εστεροποίηση της βιοµάζας. Οι καρβοξυλικές οµάδες του κυτταρικού τοιχώµατος των αλγών παίζουν ρόλο στη δέσµευση του AuCl - 4. H αύξηση της αποµάκρυνσης του AuCl - 4 οφείλεται στη µείωση του αρνητικού επιφανειακού φορτίου της βιοµάζας µετά από την εστεροποίηση. Η µείωση του ανιονικού φορτίου βοηθά την αντίδραση του ανιονικού συµπλόκου του χρυσού µε το κυτταρικό τοίχωµα των αλγών (Gardea- Torresdey et al., 1990). Η εστεροποίηση των ενεργών καρβοξυλοµάδων του κυτταρικού τοιχώµατος του Datura innoxia είχε σαν αποτέλεσµα τη µείωση της δέσµευσης των µετάλλων, γεγονός που οδήγησε στο συµπέρασµα ότι οι καρβοξυλοµάδες παίζουν σηµαντικό ρόλο στη βιορρόφηση. Κατά τη βασική υδρόλυση της βιοµάζας η δέσµευση του Cu 2+ αυξήθηκε σε µικρό ποσοστό, ενώ η δέσµευση του Cd 2+ ελαττώθηκε. Η υδρόλυση των εστέρων έχει ως επακόλουθο την αύξηση του αριθµού των καρβοξυλικών οµάδων, αλλά και τις αλλαγές στη διαµόρφωση των µακροµορίων που συνιστούν τα κυτταρικά συστατικά της βιοµάζας (Drake et al., 1996). Η σχετική έρευνα επεκτάθηκε στην εξέταση προϊόντων, που προέρχονται από την µεταβολική δράση των κυττάρων, από παραπροϊόντα της βιοτεχνολογικής παρασκευής τροφίµων και φαρµάκων, καθώς και σε άλλα βιολογικά υλικά (Holan and Volesky, 1995). Κεφάλαιο 4. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 62

82 I. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Παρόλο που η βιβλιογραφία αναφέρεται λεπτοµερώς στην ικανότητα διαφόρων βιορροφητικών υλικών για τη δέσµευση µεταλλικών κατιόντων, η δέσµευση των ανιόντων εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση για την έρευνα (Kratochvil and Volesky, 1998). H βιορρόφηση του Cr (VI) από χηµικά τροποποιηµένη βιοµάζα του Rhizopus nigricans µελετήθηκε από τους Bai and Abraham (2002). Η κατεργασία της βιοµάζας από ήπια αλκάλια (0.01 M NaOH και διάλυµα αµµωνίας) ή η φορµαλδεΰδη (10% w/v) µειώνει την απόδοση της βιορρόφησης. Η έκθεση όµως της βιοµάζας σε οξέα HCl (0,1 M), H 2 SO 4, αλκοόλες (50% v/v CH 3 OH και C 2 H 5 OH), ή ακετόνη (50% v/v) βελτίωσαν τη βιορροφητική ικανότητα. Η αντίδραση των αµινοοµάδων του κυτταρικού τοιχώµατος µε την ακετόνη µειώνει δραµατικά το δυναµικό της διεργασίας, όπως και η δέσµευση των COOH οµάδων µε κατεργασία µε καρβοϊµίδιο. Πειράµατα τροποποίησης µε 5% κετυλαµµώνιο βρωµίδιο (Cetyl Ammonium Bromide, CTAB), 1% πολυαιθυλενιµίνιο (Polyethylenimine, PEI) 3%, αµινοπροπυλτριµεθοξυ σιλάνιο, (Amino Propyl Trimethoxy Silane, APTS) βελτιώνουν την αποµάκρυνση των χρωµικών σε αξιοσηµείωτα υψηλά επίπεδα. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι από διάλυµα Cr (VI) αρχικής συγκέντρωσης 500 mg L -1, η κατεργασία µε APTS αποµάκρυνε περίπου 212 mg Cr g -1, ενώ η ακατέργαστη βιοµάζα δέσµευσε µόνο 119 mg Cr g -1. Η τροποποίηση της βιοµάζας στην παρούσα εργασία στηρίχθηκε σε ανάλογη επεξεργασία που εφαρµόστηκε σε ανόργανο ροφητικό υλικό, όπως π.χ. στους ζεολίθους (Haggerty and Bowman, 1994; Li and Bowman, 2001). Οι ζεόλιθοι, επεξεργάστηκαν µε τεταρτοταγή αµίνη, εξαδεκυλτριµεθυλοαµµώνιο (Hexadecytrimethyl-ammonium, HDTMA), αυξάνοντας την αποµάκρυνση ανόργανων οξυανιόντων από υγρά διαλύµατα. Το µόριο της αµίνης είναι αρκετά µεγάλο για να µπορέσει να εισχωρήσει στο εσωτερικό του ζεόλιθου, οπότε προσκολλάται µόνο στην εξωτερική του επιφάνεια, αντικαθιστώντας ταυτόχρονα τα κατιόντα της εξωτερικής επιφάνειας του προσροφητικού. Το τροποποιηµένο υλικό προσροφά ικανοποιητικά θειικά και χρωµικά ανιόντα. Η προσρόφηση ακολουθεί το µοντέλο της ισόθερµης Langmuir. Κεφάλαιο 4. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 63

83 5. ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΤΕΡΕΟΥ/ΥΓΡΟΥ ΜΕ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 5.1 Γενικά Ο διαχωρισµός στερεών από υγρά είναι ιδιαίτερης σηµασίας στη χηµική βιοµηχανία, αλλά και στη µεταλλευτική βιοµηχανία, όπου είναι απαραίτητος ο διαχωρισµός του µεταλλεύµατος στα διάφορα επιµέρους συστατικά του. Στη χηµική βιοµηχανία και τη βιοµηχανία τροφίµων αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση πολλών σταδίων της παραγωγικής διαδικασίας. Παράλληλα, οι διεργασίες διαχωρισµού βρίσκουν εκτεταµένη εφαρµογή στην κατεργασία υγρών αποβλήτων για την προστασία του περιβάλλοντος (Μάτης και Σπαθής,1996). Οι διεργασίες διαχωρισµού εφαρµόζονται για το διαχωρισµό: ενός µίγµατος στερεών στα συστατικά του, ενός στερεού από το αιώρηµα του, µε σκοπό την ανάκτηση του στερεού ή του υγρού ή και των δύο και ενός υλικού σε διάφορα κοκκοµετρικά µεγέθη. Η διεργασία του διαχωρισµού περιλαµβάνει την επιλογή της κατάλληλης φυσικής ή χηµικής ιδιότητας των σωµατιδίων, που επηρεάζει τη συµπεριφορά των συστατικών του µίγµατος και την ανάπτυξη της αντίστοιχης τεχνολογικής µεθόδου. Τέτοιες ιδιότητες είναι κυρίως το χρώµα, η λάµψη, η διαφάνεια, η µορφή και το ειδικό βάρος και οι επιφανειακές ιδιότητες, η µαγνητικότητα, η αγωγιµότητα και η χηµική αντίδραση, η διαλυτότητα και η εναλλαγή ιόντων. Στις κυριότερες µεθόδους διαχωρισµού περιλαµβάνονται η επίπλευση, η καθίζηση µε βαρύτητα, ο µαγνητικός-ηλεκτροστατικός διαχωρισµός, ο φυγοκεντρικός διαχωρισµός και η κοσκίνηση. Μεταξύ των µεθόδων αυτών επελέγη για περαιτέρω εξέταση και εφαρµογή η διεργασία της επίπλευσης. Η επίπλευση είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστική µέθοδος σε σχέση µε άλλες συµβατικές, όπως είναι η καθίζηση, για την καλή διαύγαση/καθαρισµό υγρών αποβλήτων. Με την εφαρµογή της επίπλευσης αποφεύγονται χρονοβόρες και επίπονες τεχνικές (καθίζηση, διήθηση και αφυδάτωση των ιζηµάτων), ενώ σύνθετες και µεγάλης διάρκειας προκατεργασίες (προσροφητικά) δεν είναι απαραίτητες. Η επίπλευση ακόµη διακρίνεται από: 64

84 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ την απλότητα, την ευκολία διαχωρισµού των φάσεων, το µικρό κόστος, τη µεγάλη αποτελεσµατικότητα στην κατεργασία µεγάλων όγκων διαλύµατος ή αιωρήµατος µε τη συγκέντρωση των συστατικών, που πρόκειται να αποµακρυνθούν σε µικρό όγκο αφρού. Μειονέκτηµα, ωστόσο αποτελεί η σχετικά µεγάλη ποσότητα συλλέκτη που απαιτείται και η αυξηµένη κατανάλωση των αντιδραστηρίων. Το κόστος αυξάνει, ενώ η εφαρµογή της τεχνικής γίνεται απαγορευτική σε µεγάλη κλίµακα, περιορίζοντας την µόνο σε περιπτώσεις, όπου το προς διαχωρισµό συστατικό έχει σχετικά µεγάλη αξία, οπότε το κόστος των αντιδραστηρίων θεωρείται µικρής σηµασίας. 5.2 Η Επίπλευση Η επίπλευση χρησιµοποιείται πολλά χρόνια για τον εµπλουτισµό των µεταλλευµάτων, τα τελευταία όµως 50 χρόνια το πεδίο εφαρµογών της επεκτάθηκε, περιλαµβάνοντας και την κατεργασία των υγρών αποβλήτων και του νερού, την ανακύκλωση παραπροϊόντων και την ανάκτηση ιοντικών και κολλοειδών υλικών από υδατικά διαλύµατα (Μάτης και Σπαθής,1996). Η συγκεκριµένη µέθοδος διαχωρισµού αξιοποιεί τις διαφορές στις επιφανειακές ιδιότητες των υλικών. Η εκλεκτική συγκέντρωση ενός υλικού στην επιφάνεια του νερού και ο διαχωρισµός του από τα υπόλοιπα συστατικά µε την εφαρµογή φυσαλίδων αέρα βασίζεται στις υδρόφοβες ή υδρόφιλες ιδιότητες των επιφανειών των σωµατιδίων. Τα υδρόφοβα σωµατίδια όταν έλθουν σε επαφή µε τις ανερχόµενες φυσαλίδες του αέρα, προσκολλούνται σε αυτές και µεταφέρονται στην επιφάνεια του νερού, από όπου και αποµακρύνονται µε µηχανικά µέσα. Τα υδρόφιλα σωµατίδια παραµένουν βυθισµένα στο νερό και αποµακρύνονται µε την υπορροή. Η υδροφοβία των επιφανειών των σωµατιδίων µπορεί να είναι φυσική ιδιότητα, αλλά συνήθως δηµιουργείται µε τη χρήση (προσθήκη) των κατάλληλων αντιδραστηρίων. Η επίπλευση είναι αρκετά πολύπλοκη φυσικοχηµική διεργασία, αφού η αποτελεσµατικότητα της εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Μεταξύ αυτών αναφέρονται η κρυσταλλική δοµή, το µέγεθος του ιόντος, η ενυδάτωση των πολικών Κεφάλαιο 5. ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΤΕΡΕΟΥ/ΥΓΡΟΥΜΕ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 65

85 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ οµάδων και των επιφανειών των στερεών, η διαλυτότητα των τασενεργών ουσιών και των συµπλόκων τους, το επιφανειακό φορτίο, η θερµοκρασία. Οι υδροµηχανικές συνθήκες, η ανάδευση και ο αερισµός, επηρεάζουν υδροµηχανικά την επίπλευση. Η εκλεκτικότητα της διεργασίας αποτελεί ενδιαφέρον παράδειγµα της ισορροπίας που πρέπει να υπάρχει µεταξύ των επιµέρους παραγόντων που διαµορφώνουν το αποτέλεσµά της, ενώ ο κάθε παράγοντας έχει µεγάλη σηµασία σε συγκεκριµένο σύνολο συνθηκών, µεµονωµένα µπορεί να µην παίζει σηµαντικό ρόλο. Οι βέλτιστες συνθήκες επίπλευσης είναι δύσκολο να προκαθοριστούν, γιατί οι παράγοντες που την επηρεάζουν δεν είναι ανεξάρτητοι µεταξύ τους, οπότε αλλάζοντας τον ένα από αυτούς απαιτείται ανάλογη διόρθωση και στους άλλους. Θεωρείται, ότι η επιτυχία της διεργασίας εξαρτάται από τη δηµιουργία πολλών µικρών φυσαλίδων και από την προσκόλληση των ειδών που θα αποµακρυνθούν πάνω σε αυτές. Οι διάφοροι τρόποι σχηµατισµού φυσαλίδων διακρίνουν και τους διαφορετικούς τύπους τεχνικών επίπλευσης, οι σηµαντικότεροι από τους οποίους είναι η επίπλευση διασκορπισµένου αέρα, η ηλεκτρολυτική επίπλευση και η επίπλευση διαλυµένου αέρα (Matis and Zouboulis, 2001). Στη συγκεκριµένη εργασία εφαρµόστηκε η τεχνική του διασκορπισµένου αέρα. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι συσκευές που χρησιµοποιούνται κυρίως για τον εµπλουτισµό ορυκτών, όπου ο αέρας εισάγεται µε τη βοήθεια κατάλληλου αναδευτήρα και ταυτόχρονα διασκορπίζεται (µηχανική διάτµηση), δηµιουργώντας τις φυσαλίδες. Οι φυσαλίδες βρίσκονται σε έντονη στροβιλώδη ροή, που βοηθάει στη δηµιουργία συνθηκών για την καλύτερη ανάδευση του πολφού. Το γεγονός όµως αυτό αποτελεί µειονέκτηµα για εφαρµογές, όπου συνυπάρχουν εύθραυστα κροκιδώµατα, όπως συµβαίνει π.χ. στον καθαρισµό των υγρών αποβλήτων. Ο αέρας µπορεί να οδηγείται µε σχετικά µικρή διαφορά πίεσης στο προς επίπλευση διάλυµα µέσα από ένα σύστηµα διασποράς, που είναι συνήθως πορώδες διάφραγµα κατασκευασµένο από γυαλί, κεραµικό ή άλλο κατάλληλο υλικό. Απαιτείται συνήθως η προσθήκη τασενεργών ουσιών, που ελαττώνουν το µέγεθος των παραγόµενων φυσαλίδων, οι οποίες είναι σχετικά µεγάλες ( µm) (Κεφάλα, 2000). Κεφάλαιο 5. ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΤΕΡΕΟΥ/ΥΓΡΟΥΜΕ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 66

86 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Τα αντιδραστήρια που χρησιµοποιούνται κατά την επίπλευση ταξινοµούνται ανάλογα µε τη δράση τους σε συλλέκτες, αφριστικά και τροποποιητές (Μάτης και Γιαννακουδάκης, 1991). Συλλέκτες Οι συλλέκτες (τασενεργές ενώσεις) είναι ετεροπολικές τασενεργές ενώσεις, που αποτελούνται από µία ιονική ή ουδέτερη οµάδα, η οποία µπορεί να προσκολληθεί ή να προσροφηθεί στο προς αποµάκρυνση σωµατίδιο ή ιόν ή να αντιδράσει µε αυτό και από µία αλυσίδα υδρογονάνθρακα που προσκολλάται στην αέρια φυσαλίδα. Η σηµαντικότερη οµάδα συλλεκτών είναι οι ανιονικοί (προσκολλώνται ισχυρά) και οι κατιονικοί (ασθενής προσκόλληση). Αφριστικά Τα αφριστικά χρησιµοποιούνται για τη δηµιουργία κατάλληλων ιδιοτήτων αφρού και κατάλληλου µεγέθους φυσαλίδων, µε τη προσρόφηση τους στη διεπιφάνεια υγρού-αερίου, καθώς και µε την αλλαγή της επιφανειακής τάσης. Παράλληλα, επιδρούν στην κινητική της συνένωσης των προς επίπλευση συστατικών µε τις φυσαλίδες, διατηρώντας σταθερό το σύµπλεγµα αυτό σε κατάλληλο βαθµό, ώστε τα ανεπιθύµητα σωµατίδια που έχουν παγιδευτεί µηχανικά στον αφρό, να µπορούν να παραληφθούν από το αποµακρυνόµενο νερό. Ανάλογα µε τη φύση της υδρόφιλης οµάδας, ταξινοµούνται σε ενώσεις που περιέχουν υδροξυλικές οµάδες (πτητικά έλαια, φαινόλες), τρισθενές άζωτο (πυριδίνη και τα παράγωγά της), ή καρβονυλικές οµάδες. Τροποποιητές Οι τροποποιητές εφαρµόζονται µε σκοπό την αύξηση της εκλεκτικότητας των διαφόρων συστατικών, που συνυπάρχουν στo σύστηµα επίπλευσης. Αποµακρύνουν το συλλέκτη από την επιφάνεια του ορυκτού, αλλά αλλάζουν επιφανειακά τη χηµική σύσταση του ορυκτού. Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την επίπλευση είναι: Κεφάλαιο 5. ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΤΕΡΕΟΥ/ΥΓΡΟΥΜΕ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 67

87 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η συγκέντρωση του προς επίπλευση είδους και του συλλέκτη. Η σχέση είδους και συλλέκτη δίνεται από την αναλογία Φ= [συλλέκτη/ιόν]. Η παροχή του αερίου (εξαρτάται από τη µέθοδο που χρησιµοποιείται). Η ιονική ισχύς του διαλύµατος. Η τιµή του ph του διαλύµατος, το οποίο επηρεάζει τη µορφή και το φορτίο του συλλέκτη και των άλλων ειδών. Η θερµοκρασία. Είναι χαρακτηριστικό, ότι αύξηση της θερµοκρασίας πάνω από τους 25 o C επηρεάζει συνήθως αρνητικά την επίπλευση, µε τον έλεγχο που εξασκεί στη δηµιουργία του προϊόντος συλλέκτη-είδους, καθώς και στις ιδιότητες του αφρού. Η παρουσία αφριστικού (αιθανόλη) είναι ευνοϊκή, αφού αποφεύγεται η δηµιουργία µικυλλίων του συλλέκτη και ταυτόχρονα, ελαττώνεται το µέγεθος των φυσαλίδων. Η επιφάνεια των φυσαλίδων πρέπει να είναι αρκετά µικρή, έτσι ώστε να είναι αποτελεσµατική η διεργασία, γεγονός που σηµαίνει ότι η διάµετρος των φυσαλίδων θα πρέπει να είναι µικρή. 5.3 Βιορροφητική Επίπλευση Τα συστήµατα διασποράς απαιτούν την εφαρµογή ενός επιπλέον σταδίου διαχωρισµού στερεού/υγρού, πριν από την αναγέννηση του βιορροφητικού υλικού και την ανάκτηση του µετάλλου, ή πριν από το στάδιο διάθεσης του κατεργασµένου αποβλήτου. Σε µεγάλη κλίµακα, χρησιµοποιείται η καθίζηση, αλλά σε µικρότερες µονάδες εφαρµόζεται η διήθηση ή η φυγοκέντρηση, παρόλο που είναι χρονοβόρες και ακριβές. Εναλλακτικά, µπορεί να εφαρµοστεί η επίπλευση. Στην περίπτωση αυτή, η βιορροφητική επίπλευση περιλαµβάνει τον συνδυασµό της βιορρόφησης και της επίπλευσης και εφαρµόζεται σε συστήµατα διασποράς, ενώ συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα τόσο της βιορρόφησης, όσο και της επίπλευσης. Βρέθηκε από διάφορους µελετητές ότι η χρήση αφριστικού κατά την επίπλευση διασκορπισµένου αέρα οδηγεί στη δηµιουργία µικρότερων φυσαλίδων, εξαιτίας της µείωσης της επιφανειακής τάσης του διαλύµατος. Το αφριστικό σταθεροποιεί τη στοιβάδα του Κεφάλαιο 5. ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΤΕΡΕΟΥ/ΥΓΡΟΥΜΕ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 68

88 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ αφρού. Η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης του µετάλλου είναι σηµαντική, ενώ οι τιµές του ph του διαλύµατος επηρεάζουν την αποµάκρυνση του µετάλλου, αλλά και την αποµάκρυνση της βιοµάζας. Η χρήση νεκρής βιοµάζας για τη βιορρόφηση τοξικών µετάλλων από αραιά διαλύµατα σε συνδυασµό µε την επίπλευση συνιστούν µια αποτελεσµατική διεργασία (Zouboulis et al., 2002). Αυτή η διεργασία περιλαµβάνει την ανάµειξη του διαλύµατος του µετάλλου µε τη βιοµάζα και τη συγκέντρωση (ανάκτηση, αποµάκρυνση, διαχωρισµός) της βιοµάζας µε επίπλευση. Στα δύο προηγούµενα στάδια είναι δυνατό να προστεθεί και ένα τρίτο, που περιλαµβάνει την έκλουση του µετάλλου από τη βιοµάζα, µε στόχο να καταστεί η διεργασία όχι µόνον περιβαλλοντικά αποδεκτή, αλλά και τεχνολογικά εφαρµόσιµη. Κύριες παράµετροι που µελετώνται συνήθως κατά την εφαρµογή της επίπλευσης είναι ο χρόνος, η παροχή του αερίου και η χρήση βοηθητικών χηµικών αντιδραστηρίων, µε σκοπό τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήµατος αποµάκρυνσης και διαχωρισµού των τοξικών µετάλλων και της βιοµάζας. Η τιµή του ph επηρεάζει σε σηµαντικό βαθµό τη βιορροφητική επίπλευση της βιοµάζας (Kefala et al., 1999; Matis et al., 1994c). Υπάρχει βέβαια µια βέλτιστη τιµή του ph του διαλύµατος στην οποία η διεργασία γίνεται αποτελεσµατική, τόσο ως προς την αποµάκρυνση του µετάλλου, όσο και ως προς την αποµάκρυνση της βιοµάζας (Matis et al., 1994b). Μελετήθηκαν διάφορες τασενεργές ενώσεις για την επίπλευση των µικροοργανισµών και βρέθηκε ότι η χρήση ενός κατιονικού τασενεργού, άλας του τεταρτοταγούς αµµωνίου (CTMA-Br, cetyl-trimethyl-ammonium bromide) είναι αποτελεσµατική. Συγκρίθηκε ακόµη η επίπλευση (χωρίς τη χρήση βιοµάζας) µε τη βιορροφητική επίπλευση του Cd, οπότε και παρατηρήθηκε πλήρης διαχωρισµός της βιοµάζας (~100%), ενώ η αποµάκρυνση του µετάλλου ήταν σηµαντική >95% (Kefala et al., 1999). Η επίπλευση της βιοµάζας µυκήτων (Penicillium, Rhizopus) ήταν αποτελεσµατική (πάνω από 80%) χωρίς την προσθήκη τασενεργής ένωσης, µειώνοντας έτσι το κόστος του διαχωρισµού (Zouboulis and Matis, 1998). H χρήση του αφριστικού στην επίπλευση του διασκορπισµένου αέρα δηµιουργεί µικρές φυσαλίδες, αφού µειώνεται η επιφανειακή τάση του διαλύµατος. Η προσθήκη του αφριστικού βοηθάει επιπλέον στη σταθεροποίηση της στιβάδας του αφρού (Matis and Zouboulis, 1995) Κεφάλαιο 5. ΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΣΤΕΡΕΟΥ/ΥΓΡΟΥΜΕ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 69

89 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ MΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ 6.1 Γενικά H εφαρµογή των συστηµάτων ρόφησης στον ελέγχο της ρύπανσης του νερού καθιστά απαραίτητη τη λεπτοµερή και εντατική µελέτη τους (Yiakoumi and Tien, 1998). Ο προσδιορισµός του µηχανισµού, δηλαδή της αλληλουχίας των χηµικών γεγονότων το αποτέλεσµα των οποίων οδηγεί στο φαινόµενο που λαµβάνει χώρα, είναι ιδιαίτερα σηµαντικός. Oι Basolo και Pearson περιγράφουν το µηχανισµό σαν όλες τις ατοµικές συγκρούσεις ή τις βασικές διαδικασίες που εµπεριέχουν µόρια (συµπεριλαµβάνονται άτοµα, ρίζες και ιόντα) και οι οποίες λαµβάνουν χώρα ταυτόχρονα ή συνεχώς, παράγοντας τον παρατηρούµενο ολικό ρυθµό (Smith, 1981). Ο µηχανισµός µιας αντίδρασης είναι δυνατό να δώσει µια λεπτοµερή εικόνα για κάθε βήµα που πραγµατοποιείται. Στην πράξη ο υποθετικός µηχανισµός αποτελεί θεωρία που εξηγεί όσο το δυνατό καλύτερα τα πειραµατικά αποτελέσµατα (Smith, 1981). Γενικά, για το σχεδιασµό της προσρόφησης σε µεγάλη κλίµακα (µονάδα λειτουργίας) είναι σηµαντικοί δύο παράγοντες: η ισορροπία και η κινητική της προσρόφησης. Η ισορροπία επιτυγχάνεται όταν η συγκέντρωση στο διάλυµα είναι σε δυναµική ισορροπία µε τη συγκέντρωση του προσροφηµένου συστατικού στη διεπιφάνεια και αποτελεί καθοριστική παράµετρο για τη συγγένεια ή τη χωρητικότητα του προσροφητικού µέσου, ενώ ο ρυθµός προσρόφησης (κινητική) επηρεάζει τη µεταβολή της συγκέντρωσης του προσροφούµενου συστατικού στο διάλυµα. Θα ήταν σκόπιµο λοιπόν, να προσδιοριστεί ο τρόπος µε τον οποίο ο ρυθµός προσρόφησης εξαρτάται από τη συγκέντρωση του προσροφηµένου συστατικού στο διάλυµα, την τιµή του ph, την ιονική ισχύ και τη θερµοκρασία. Από την κινητική ανάλυση είναι δυνατό να προσδιοριστεί ο ρυθµός αποµάκρυνσης/κατανάλωσης ενός συστατικού, που εξαρτάται από το χρόνο παραµονής για την ολοκλήρωση της αντίδρασης. Ωστόσο, η κινητική ανάλυση δεν επιτρέπει µόνο τον προσδιορισµό του ρυθµού της ρόφησης (Tien, 1994; Yiakoumi and Tien, 1998), αλλά από αυτήν είναι δυνατό να προκύψουν ορισµένες εκφράσεις του πιθανού µηχανισµού, που λαµβάνει χώρα. Οι κινητικές παράµετροι που υπολογίζονται είναι µεγάλης τεχνολογικής σηµασίας, αφού το κινητικό µοντέλο αντικαθιστά µε επιτυχία χρονοβόρα πειράµατα, που απαιτούνται για το σχεδιασµό του σχετικού αντιδραστήρα. 70

90 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 6.2. Κινητική ανάλυση των πειραµατικών δεδοµένων Ο προσδιορισµός του µηχανισµού της βιορρόφησης µετάλλων σε νεκρά κύτταρα της βιοµάζας A. caviae αποτέλεσε το σκοπό της συγκεκριµένης κινητικής µελέτης. Ειδικότερα, δίνεται περισσότερη έµφαση στη δειγµατοληψία σε µικρούς χρόνους λίγο πριν από την έναρξη του φαινοµένου, όπου το µεγαλύτερο µέρος της προσρόφησης λαµβάνει χώρα. Τα ετερογενή συστήµατα είναι από τα περισσότερο ενδιαφέροντα συστήµατα στερεών-ρευστών, γιατί οι περισσότερες χηµικές διεργασίες πραγµατοποιούνται παρουσία στερεού µέσου (Smith, 1981). Κατά καιρούς έχουν εκφραστεί πολλές εξισώσεις ρυθµού που περιγράφουν τις χηµικές αντιδράσεις µεταξύ ρευστών και οι οποίες λαµβάνουν χώρα σε επιφάνειες στερεών υλικών. Η εισαγωγή ενός αδιάστατου βαθµού µετατροπής, (α), είναι απαραίτητη για να συγκριθούν διάφορες πειραµατικές µετρήσεις, λαµβάνοντας υπόψη την παραµένουσα συγκέντρωση του ιόντος, C t. Ο βαθµός µετατροπής δίνεται από τη σχέση: Co C α = t (3) C C o e όπου, C o : η συγκέντρωση του ιόντος πριν την έναρξη της διεργασίας και C e : η συγκέντρωση του ιόντος κατά την ολοκλήρωση της διεργασίας. Στην κινητική µελέτη συχνά χρησιµοποιείται η παρακάτω εξίσωση του ρυθµού µετατροπής, η οποία εκφράζει την προσρόφηση ως µια χηµική διεργασία (αντίδραση) που περιγράφεται από δύο παραµέτρους. Η µία παράµετρος k(t) εκφράζει την εξάρτηση του ρυθµού από τη θερµοκρασία, ενώ η άλλη f ( α ) από το βαθµό µετατροπής (στιγµιαία µετατροπή): dα = k( T ) f ( α ) (4) dt όπου f ( α ) αποτελεί συνάρτηση της µετατροπής (µοντέλα προσρόφησης) και k(t) είναι η σταθερά του ρυθµού µετατροπής. Η ρόφηση των ετερογενών συστηµάτων υγρού-στερεού έχει αποδειχθεί ότι ακολουθεί την κινητική του Arrhenius (Ho et al., 2000). Κάτι τέτοιο σηµαίνει, ότι η Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 71

91 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ επίδραση της θερµοκρασίας από τη σταθερά του ρυθµούt k περιγράφεται από την εξίσωση του Arrhenius: k ( T ) Aexp( E / RT ) = (5) Ωστόσο, για την εφαρµογή του µοντέλου σε τέτοια συστήµατα, η µορφολογία της επιφάνειας του αντιδρώντος καθώς η ολική προσροφητική χωρητικότητα δεν θα πρέπει να µεταβάλλεται µε τη θερµοκρασία, συνθήκες που συχνά παραβλέπονται από πολλούς ερευνητές (Smith, 1981) Μοντέλα ιεργασιών Προσρόφησης Γενικά, το φαινόµενο της ρόφησης περιλαµβάνει τους επιµέρους µηχανισµούς της ιονανταλλαγής, σχηµατισµό χηλικών ενώσεων, φυσικής και χηµικής προσρόφησης (αντίδραση). Όταν η ρόφηση συµβαίνει µέσα σε ένα δοχείο αντίδρασης τότε η κινητική της προσρόφησης ελέγχεται από πολλές ανεξάρτητες διεργασίες, που δρουν σε σειρά ή παράλληλα, και ανήκουν σε µία από τις παρακάτω γενικές κατηγορίες: i. Μεταφορά µάζας µέσα στον αντιδραστήρα (κατανοµές συγκέντρωσης). ii. Εξωτερική µεταφορά µάζας γύρω από το κάθε σωµατίδιο του προσροφητικού µέσου. iii. Χηµική αντίδραση (χηµειορρόφηση). iv. Ενδοσωµατιδιακή/Eσωτερική διάχυση στους πόρους του προσροφητικού µέσου. Είναι δυνατό σε ένα σύστηµα να συνυπάρχουν ταυτόχρονα περισσότερες από µία διεργασίες. Στην περίπτωση αυτή, οι αλληλοεξαρτήσεις ανάµεσα στις εξισώσεις που τις περιγράφουν (µοντέλα) κάνουν τον προσδιορισµό του ολικού κινητικού µοντέλου αρκετά περίπλοκο. Μία αρκετά απλουστευµένη προσέγγιση για την αντιµετώπιση του παραπάνω προβλήµατος είναι να υποθέσουµε ότι µία από τις διεργασίες κυριαρχεί σε σχέση µε τις άλλες, η οποία αποτελεί το ρυθµορυθµιστικό βήµα (Πίνακας 8). Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 72

92 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Πίνακας 8. Προσρόφηση των µεταλλικών ιόντων σε διάφορα προσροφητικά υλικά (Ho et al., 2000). Προσροφητικό Μέταλλο Ισόθερµη Κινητική/ ιάχυση υλικό που (ρυθµορυθµιστικό προσροφάται βήµα) Ενεργός άνθρακας Hg(II) Langmuir ιάχυση Φύλλα οξιάς Al(III), Freundlich ιάχυση Cd(II),Cu(II) Tύρφη Cr(VI) Freundlich 2 ης Τάξης Tύρφη Pb(II) Freundlich Ψευδο-2 ης Τάξης Οξείδια του Cd(II) Langmuir 2 ης Τάξης σιδήρου (ΙΙΙ) & Freundlich Με στόχο τον προσδιορισµό του πιθανού µηχανισµού για τη διεργασία της ρόφησης διάφορα µοντέλα ελέγχονται τόσο για την καταλληλότητά τους, όσο και για την αξιοπιστία τους για ένα µεγάλο αριθµό σηµαντικών παραµέτρων. Ως κριτήριο για την επιλογή διαφόρων εξισώσεων χρησιµοποιείται η µεθοδολογία που αναφέρεται από τους Ho et al. (2000). Έτσι, διάφορα µοντέλα που στηρίζονται σε αντίδραση ή σε διάχυση, ελέγχονται για την προσοµοίωση των πειραµατικών τιµών. Τα κινητικά µοντέλα που τελικά επιλέγονται είναι αυτά που όχι µόνο προσαρµόζουν πειστικότερα τα πειραµατικά δεδοµένα, αλλά και αυτά που αντιπροσωπεύουν λογικούς προσροφητικούς µηχανισµούς Μεταφορά µάζας στον κύριο όγκο του διαλύµατος (bulk diffusion) Η µεταφορά µάζας στο διάλυµα σε διεργασίες σε µεγάλη κλίµακα αποτελεί τον κύριο παράγοντα προσδιορισµού του ρυθµού (κινητικής). Με την εφαρµογή υψηλής ταχύτητας ανάδευσης, το πεδίο ανάµιξης µέσα στο δοχείο αντίδρασης είναι ιδιαίτερα έντονο. Στην περίπτωση αυτή η συγκέντρωση των αντιδρώντων µέσα στον Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 73

93 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ αντιδραστήρα είναι οµοιόµορφη, οπότε το στάδιο της µεταφοράς µάζας µέσα στον κύριο όγκο του διαλύµατος µπορεί να αγνοηθεί, δηλαδή δεν θα αποτελεί ρυθµορυθµιστικό στάδιο Μεταφορά µάζας στο εσωτερικό του προσροφητικού µέσου (διάχυση οριακού στρώµατος, Film Diffusion) Η εξωτερική διάχυση µοντελοποιείται, υποθέτοντας ότι σε µικρούς χρόνους επαφής, η συγκέντρωση στην επιφάνεια τείνει στο µηδέν και η ενδοσωµατιδιακή διάχυση θεωρείται αµελητέα. Το µοντέλο για τη διάχυση οριακού στρώµατος δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: ln( qm qt) = ln( qm) kt (6) όπου, q m, q t : το ποσό που προσροφάται σε χρόνο t= και σε χρόνο t, αντίστοιχα. Η εξίσωση (6) είναι ίδια µε την εξίσωση ψευδο-πρώτης τάξης (εξίσωση 13). H διαφοροποίηση της διάχυσης και της αντίδρασης πρώτης τάξης είναι ιδιαίτερα δύσκολη. Με την πραγµατοποίηση πειραµάτων σε διαφορετικές ταχύτητες ανάδευσης προκύπτει, ότι η διάχυση οριακού στρώµατος εξαρτάται σηµαντικά από την ανάδευση του συστήµατος. Η ανάδευση ελαττώνει την εξωτερική οριακή στοιβάδα µειώνοντας την αντίσταση στη µεταφορά µάζας. Καθώς η ταχύτητα ανάδευσης αυξάνεται, το ρυθµορυθµιστικό στάδιο της διεργασίας είναι δυνατό να αλλάξει από εξωτερική διάχυση σε αντίδραση ή εσωτερική διάχυση. Άλλο «εξωτερικό» φαινόµενο είναι η αύξηση της επιφάνειας που συχνά σχετίζεται µε τις υψηλά ενεργειακές ετερογενείς επιφάνειες. Έτσι, η δέσµευση του προσροφηµένου συστατικού στο προσροφητικό είναι ταχύτατη πριν την σταθεροποίηση του συστήµατος (Ho et al., 2000) Χηµική Αντίδραση (Χηµειορρόφηση) Για τον υπολογισµό του ρυθµού της προσρόφησης αερίων από στερεά υλικά απαιτούνται πειραµατικά αποτελέσµατα του ρυθµού ως συνάρτηση της συγκέντρωσης στην κύρια µάζα (Smith, 1981). Όµως ο υπολογισµός του ρυθµού της προσρόφησης σε συστήµατα υγρού/στερεού στηρίζεται στη χωρητικότητα του στερεού, q, όπως αναφέρεται σε πολλές µελέτες (Ho et al., 2000). Τα µοντέλα που Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 74

94 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ χρησιµοποιούνται συνήθως για να περιγράψουν την προσρόφηση φαίνονται στον παρακάτω Πίνακα 9. Πίνακας 9. Χαρακτηριστικές εξισώσεις κινητικής (Ho et al., 2000). Τάξη της Εξίσωση Αριθµός της Αντίδρασης Εξίσωσης Μηδενικής Τάξης q = q k t (7) t o + 1 ης Τάξης ln( q ) = ln( q ) + k t (8) 2 ης Τάξης 1 q o t o 1 t 1 = q o + k 2 t (9) Παραβολική ιάχυση Εξίσωση Elovich q = a + k t (10) 1 1 q = ln( αβ ) + ln( t + β β t to d ) (11) όπου: q t, q o :το ποσό που προσροφάται σε χρόνο t και 0, αντίστοιχα (mg g -1 ), k o, k 1, k 2 : η σταθερά του ρυθµού της αντίδρασης µηδενικής, πρώτης και δεύτερης τάξης, k d : ο συντελεστής διάχυσης (mg/g min 0.5 ), α: ο ρυθµός της χηµειορρόφησης (mmole h -1 g -1 ), β η επιφανειακή κάλυψη (mmole -1 g) Αντίδραση Πρώτης Τάξης Ο ρυθµός της αντίδρασης πρώτης τάξης, που στηρίζεται στη µεταβολή της συγκέντρωσης του προσροφητικού υλικού και δίνεται από τη σχέση: dc dt = k ( C Co ln C = ln Co k t (12) Η εξίσωση Lagergen είναι η πρώτη σχέση που εφαρµόστηκε µε επιτυχία για να περιγράψει τη ρόφηση υγρού/στερεού συστήµατος και στηρίζεται στη χωρητικότητα του προσροφητικού υλικού (Ho et al., 2000). Η σχέση περιγράφει το ρυθµό ) 1 Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 75

95 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ προσρόφησης ενός µορίου του µετάλλου που προσροφάται σε µία επιφανειακή/διαθέσιµη θέση: dq dt t = k ( q q ) 1 m t Oλοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση για αρχικές και τελικές συνθήκες από t=0 ως t= t και από q t = 0 ως q t = q t, η εξίσωση µετατρέπεται σε: ln( q q ) = ln( q ) + k t (13) m t m 1 όπου, q m : είναι το ποσό που προσροφάται στην ισορροπία (mg g -1 ), q t :το ποσό που προσροφάται σε χρόνο t (mg g -1 ) και k 1 : η σταθερά του ρυθµού ισορροπίας της αντίδρασης πρώτης τάξης (min -1 ). Η παράµετρος q m υπολογίζεται από τα πειραµατικά δεδοµένα, αλλά διαφοροποιείται από µία εξίσωση πραγµατικά πρώτης τάξης, αφού η παράµετρος q m δεν αντιπροσωπεύει τον αριθµό των διαθέσιµων θέσεων (Ho and McKay, 1999) Η παράµετρος ln(q m ) αποτελεί προσεγγιστική παράµετρο, η οποία δίνεται από την κλίση του διαγράµµατος [ln(q m - q t ) t] Αντίδραση εύτερης Τάξης O ρυθµός της αντίδρασης δεύτερης τάξης δίνεται από τη σχέση: dc dt Μετά από ολοκλήρωση προκύπτει: = k 2 ( C ) 2 t Co 1 1 = k 2t (14) C Co Στην περίπτωση όµως που η κινούσα δύναµη είναι C t (C t -C e ) και ένα µόριο του µετάλλου προσροφάται σε µία επιφανειακή θέση, τότε ο ρυθµός της αντίδρασης δίνεται από την εξίσωση: dct dt = k 2Ct( Ct Ce) Στην προηγούµενη εξίσωση η διαφορά (C t -C e ) αντιπροσωπεύει την αποτελεσµατική συγκέντρωση του προσροφηµένου συστατικού σε χρόνο t, ενώ η C e αποτελεί τη Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 76

96 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ συγκέντρωση του προσροφηµένου συστατικού στην ισορροπία. Η λύση της εξίσωσης αυτής είναι (Hill, 1977): C t Co = (15) Co 1 exp( k C t) 2 e C e όπου, k 2 είναι η σταθερά ρυθµού της αντίδρασης [L (mg -1 του µετάλλου) min -1 ]. Αυτό το µοντέλο προσρόφησης περιέγραψε ικανοποιητικά την κινητική της προσρόφησης αερίων σε στερεά (Smith, 1981) Αντίδραση Ψευδο-δεύτερης τάξης Το συγκεκριµένο µαθηµατικό µοντέλο στηρίζεται στη ροφητική χωρητικότητα του προσροφητικού και προβλέπει τη συµπεριφορά σε όλη την έκταση της προσρόφησης, ενώ υποθέτει ότι η συγκέντρωση είναι ίση µε τη συγκέντρωση στην επιφάνεια της βιοµάζας. Χρησιµοποιείται για να περιγράψει το ρυθµό προσρόφησης ενός µορίου του µετάλλου που προσροφάται σε δύο επιφανειακές θέσεις (Αksu, 2002; Ηο and McKay, 1999): t q t dqt dt 2 = k ( qe qt) m 1 1 = + t (16) 2 k q q 2 e e Εξίσωση Langmuir-Hinshelwood H εξίσωση των Langmuir-Hinshelwood (Ho et al., 2000) χρησιµοποιήθηκε για την περιγραφή της ρόφησης µεταλλικών ιόντων σε χουµικά οξέα και δίνεται από τη σχέση: dct dt k 1Ct = 1+ koct που µετά την ολοκλήρωσή της µετατρέπεται: Co ln( ) C k t t 1 + ko = (17) Co Ct Co CAt Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 77

97 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ όπου C o, C t : η συγκέντρωση του προσροφηµένου συστατικού στην έναρξη της αντίδρασης, σε χρόνο t, αντίστοιχα (mg L -1 ), k: η σταθερά ρυθµού της αντίδρασης [L (mg -1 του µετάλλου) min -1 ] Εξίσωση Εlovich Η εξίσωση Elovich χρησιµοποιείται συχνά για την περιγραφή της χηµειορρόφησης αερίων σε στερεά και σπανιότερα σε συστήµατα υγρών (Cheung et al., 2001): dqt dt = α exp( βqt) Ολοκληρώνοντας την παραπάνω σχέση µε οριακές συνθήκες q= q t για t= t και q= 0 για t= 0 προκύπτει: 1 q t = ln(1 + αβt) β Η γραµµική µορφή της εξίσωσης έχει τη µορφή: 1 1 q = ln( αβ ) + ln( t + β β t to όπου, α και β είναι σταθερές της εξίσωσης. Οι Teng and Hsieh (Cheung et al., 2001) προτείνουν ότι η σταθερά α σχετίζεται µε το ρυθµό της χηµειορρόφησης και η σταθερά β µε την επιφανειακή κάλυψη. Αποδεικνύεται, ότι αυξάνοντας τη συγκέντρωση του διαλύµατος και την ποσότητα του προσροφητικού υλικού, αυξάνεται ο ρυθµός της χηµειορρόφησης. Αν η σταθερά β σχετίζεται µε την έκταση της επιφανειακής κάλυψης, τότε αύξηση της συγκέντρωσης του διαλύµατος θα µειώσει τη διαθέσιµη επιφάνεια για το προσροφούµενο. Η συγκεκριµένη µορφή της κινητικής οφείλεται σε διαφοροποίηση των ενεργοτήτων της χηµειορρόφησης µε τη δηµιουργία επιφανειακής κάλυψης. Άλλη πιθανή εξήγηση µπορεί να είναι, ότι οι ενεργές θέσεις είναι ετερογενείς και έτσι έχουν διαφορετικές ενέργειες ενεργοποίησης για χηµειορρόφηση (Ηο et al.,2000). Οι Taylor et al., 1995 (Cheung et al., 2001) εφάρµοσαν την εξίσωση αυτή µε επιτυχία στην προσρόφηση των ιόντων του ψευδαργύρου από εδάφη, ενώ οι Juang and Chen (Cheung et al., 2001) την εφάρµοσαν στην προσρόφηση των ιόντων του σιδήρου, κοβαλτίου, νικελίου, χαλκού και ψευδαργύρου σε ρητίνες. ) (18) Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 78

98 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Eξισώσεις Ritchie H συγκεκριµένη εξίσωση προτάθηκε από τον Ritchie τo 1997 ως παραλλαγή της εξίσωσης Elovich και περιγράφει την κάλυψη n αριθµού επιφανειακών θέσεων από αντίστοιχα µεταλλικά ιόντα (Cheung et al., 2001): Για n=1, dθ = dt kn ( 1 θ ) θ dθ = k θo n (1 θ ) n t n t o dt ln( 1 θ ) = ln(1 θo) k1( t to) ή qt = qe[ 1 β 1exp( k1( t to))] όπου, θ=q t / qe και β1=(1-θ ο ). Tο προσροφητικό προ-απορροφά το ρύπο (µέταλλο) στην επιφάνεια, οπότε η επιφανειακή κάλυψη έχει µια συγκεκριµένη τιµή θ ο (θ ο 0). Ωστόσο, αν θεωρηθεί η επιφανειακή κάλυψη του προσροφητικού υλικού µηδέν (θ ο = 0), τότε η εξίσωση πρώτης τάξης γίνεται: qt = qe[ 1 β 1exp( k1t)] ενώ για n= 2,3,4..k προκύπτει: q t = q 1 /( n 1) { 1 [ ] e β + kn( n 1)( t to) n Αν t o = 0, β n 0 και n= 2, η προηγούµενη σχέση απλοποιείται και προκύπτει η τροποποιηµένη εξίσωση δεύτερης τάξης: 1 qt = qe{ 1 [ t ]} β + k 2 2 Όταν το αρχικό στάδιο προ-απορρόφησης δεν πραγµατοποιείται, τότε β 2 = 1, οπότε η τροποποιηµένη δεύτερης τάξης εξίσωση µετασχηµατίζεται στη δεύτερης τάξης εξίσωση Ritchie: 1 qt = qe{ 1 [ ]} (19) 1+ k 2 t 1 } Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 79

99 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ όπου: k 2 είναι η σταθερά του ρυθµού της αντίδρασης [g βιοµάζας (mg -1 µετάλλου) min -1 ] ΜΟΝΤΕΛΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΙΑΧΥΣΗΣ Τα συγκεκριµένα µοντέλα περιγράφουν την προσρόφηση, όταν ο ρυθµός της υπαγορεύεται κυρίως από τη διάχυση του ρευστού, φορέα των ιόντων, που θα προσροφηθούν, µέσα στους πόρους του προσροφητικού υλικού. Τα µοντέλα διάχυσης χαρακτηρίζονται κυρίως από το µέγεθος δύο παραµέτρων που είναι ο συντελεστής εσωτερικής διάχυσης, D p, και ο συντελεστής επιφανειακής διάχυσης ή µια σειρά συνδυασµών αυτών. Οι εξισώσεις που εκφράζουν την εσωτερική διάχυση για πυκνότητα ροής Ν t δίνονται: ενώ η φαινόµενη διαχυτότητα, δίνεται από τη σχέση: N N D t t eff Deff ( 2 Cr = r ) (20) 2 r r r 2 Ct Ct 1 C = Deff [ ( + ) (20-1) 2 r 2 r r r D eff, που αποτελεί το µέτρο της συνολικής διάχυσης q = D p + es Ds (20-2) c όπου, D p : ο συντελεστής εσωτερικής διάχυσης (cm 2 /s) και D s : ο συντελεστής της επιφανειακής διάχυσης (cm 2 /s) και e s : το πορώδες (-). Η εφαρµογή της εξίσωσης αυτής σε συνδυασµένα µοντέλα εσωτερικήςεπιφανειακής διάχυσης µελετήθηκε από πολλούς ερευνητές (Ho et al., 2000). Οι διαχυτότητες µεταβάλλονται ως συνάρτηση της επιφανειακής κάλυψης και της θερµοκρασίας παρόλο που συχνά θεωρούνται σταθερές σε µεγάλο εύρος συγκεντρώσεων. Τα πειραµατικά δεδοµένα δοκιµάζονται στατιστικά και επιλέγονται τα µοντέλα εκείνα στα οποία η προσοµοίωση των δεδοµένων είναι η καλύτερη (Ηo et al., 2000). Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 80

100 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η πιο απλή περίπτωση µελέτης αποτελεί ένα απλό σωµατίδιο προσροφητικού υλικού που περιέχει πόρους (µικροπόρους) και εκτίθεται σε µεταβολή της συγκέντρωσης του προσροφηµένου συστατικού στην εξωτερική επιφάνεια στο χρόνο µηδέν. Η µεταφορά θερµότητας θεωρείται αρκετά γρήγορη συγκρινόµενη µε το ρυθµό προσρόφησης, εποµένως οι κλίσεις της θερµοκρασίας διαµέσου του σωµατιδίου και ανάµεσα στο σωµατίδιο και γύρω από το ρευστό καθίστανται αµελητέες. Για τα περισσότερα σωµατίδια, η σφαιρική µορφή θεωρείται αντιπροσωπευτική και περιγράφεται από την εξίσωση διάχυσης, που δίνεται εκφρασµένη ως προς q(r,t) και όχι C(r,t): q = t r q ) 1 2 ( r D 2 r c r Εάν ο συντελεστής (εσωτερικής) διάχυσης D c είναι σταθερός, η εξίσωση απλοποιείται στην επόµενη µορφή: όπου D c 2 q q 2 q = Dc ( + ) 2 t r r r (20-3) είναι η εσωτερική διαχυτότητα (cm 2 s -1 ) και q(r,t) είναι η συγκέντρωση που προσροφάται. Ακόµη και αν η διαχυτότητα είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης, η παραδοχή της σταθερής διαχυτότητας είναι αποδεκτή προσέγγιση, κυρίως όπου η εξίσωση της διάχυσης υπολογίζεται για µικρή διαφορική αλλαγή στη συγκέντρωση του προσροφηµένου. Αν η δέσµευση του προσροφηµένου ιόντος από το προσροφητικό µέσο είναι σχετικά µικρή σε σχέση µε την ολική ποσότητα του προσροφηµένου που εισάγεται στο σύστηµα, η συγκέντρωση του προσροφηµένου ιόντος θα παραµένει σταθερή µετά από την πρώτη µεταβολή και οι απαραίτητες αρχικές και οριακές καταστάσεις είναι: q q(r c,0)=q o, q(r c,t)=q o, ( ) r= 0 =0 r Τότε η λύση του παραπάνω µοντέλου δίνεται από την έκφραση: όπου, q q q' o mt = q q ' m o o = 1 6 n= n exp( 2 n 2 π Dct ) 2 r (t) είναι η µέση συγκέντρωση στο εσωτερικό του σωµατιδίου και ορίζεται ως: c Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 81

101 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ q = r 3 3 c rc 0 qr 2 dr και m t m είναι το κλάσµα που φθάνει σε ισορροπία. Ο Crank (1975) ωστόσο πρότεινε µία λύση στο µοντέλο διάχυσης που λαµβάνει υπόψη τη συνεχή µείωση της συγκέντρωσης στην κύρια φάση εξαιτίας της αποµάκρυνσης του προσροφηθέντος µετάλλου, όπως συµβαίνει και στα πειράµατα που πραγµατοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή. Κάτι τέτοιο δηµιουργεί οριακή συνθήκη συγκέντρωσης στη διεπιφάνεια του σωµατιδίου, η οποία µεταβάλλεται µε το χρόνο. Η λύση της εξίσωσης διάχυσης για µια τέτοια οριακή συνθήκη, µε την υπόθεση ότι ο συντελεστής διάχυσης είναι ανεξάρτητος από τη συγκέντρωση είναι (Ruthven, 1984): ( 2 ξp t) exp α = 1 6 n (21) = 1 ( ) + ( ) 2 n 9Λ 1 Λ 1 Λ pn όπου, p n δίνεται από τις µη-µηδενικές ρίζες της εξίσωσης: 3p tan ( p ) = n n (22) 3 + p 2 n ( 1 Λ) Λ ( Co C )/ Co : το κλάσµα του µετάλλου που τελικά προσροφάται στο προσροφητικό, και ξ: ο φαινόµενος χρόνος διάχυσης. Στην περίπτωση µικροπορώδους το ξ ισούται µε D c /R 2 c, όπου D c και R c είναι ο συντελεστής διάχυσης (m 2 s -1 ) και η µέση ακτίνα του σωµατιδίου (m), αντίστοιχα. Η παραπάνω εξίσωση µπορεί να λυθεί αριθµητικά για τον υπολογισµό του ξ. Η ίδια έκφραση (21) αποτελεί τη λύση της εξίσωσης για διάχυση στην περίπτωση µακροπορώδους, αλλά µόνο σε περιπτώσεις, όπου η ισόθερµη ισορροπίας είναι γραµµική (q e K C e ) για το εύρος των συγκεντρώσεων που µελετήθηκαν. Τότε ισχύει: 2 ξ = ( Dp / R p ) [ 1 ( 1 εp ) K / εp ] όπου, D [ 1+ ( 1 ε ) K] p p µακροπόρους, p +, ε είναι ο φαινόµενος συντελεστής διάχυσης σε Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 82

102 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ K: η σταθερά ισορροπίας, ε p : το πορώδες και R p :η ακτίνα του σωµατιδίου. Η επίδραση της µείωσης της συγκέντρωσης στην κύρια µάζα του διαλύµατος γίνεται σηµαντική για τιµές του Λ µεγαλύτερες από 0,1, οπότε η παραδοχή της σταθερής οριακής συνθήκης µπορεί να οδηγήσει σε λανθασµένα υψηλές τιµές για τους συντελεστές φαινόµενης διάχυσης. Η σταθερά Κ µπορεί να αντικατασταθεί από την κλίση της ισόθερµης, dq e /dc e, όταν το εύρος συγκεντρώσεων που µελετάται αντιστοιχεί σε γραµµικό τµήµα της ισόθερµης. Αυτή η προσέγγιση είναι εφικτή για τις συγκεντρώσεις που χρησιµοποιούνται στα παρόντα πειράµατα. H παραπάνω εξίσωση (21) αποτελεί απλοποίηση του µοντέλου που περιγράφεται στη βιβλιογραφία ως µοντέλο γραµµικής απορρόφησης (Linear absorption model, LAM). Το µοντέλο LAM έχει χρησιµοποιηθεί για προβλήµατα προσρόφησης και βασίζεται: 1. Η (χηµική) προσρόφηση είναι γρηγορότερη από τη διάχυση. 2. Η προσρόφηση είναι γραµµική, δηλαδή η συγκέντρωση του προσροφηµένου ιόντος σε κάθε σηµείο µέσα στο προσροφητικό υλικό είναι ανάλογη µε τη συγκέντρωση των ελεύθερων ιόντων µέσα στους πόρους 3. Οι µη κατειληµµένες από µέταλλα θέσεις στο προσροφητικό µέσο είναι πάντα διαθέσιµες για τη δέσµευση των µεταλλικών ιόντων (Chen et al., 1993). Η διαφορά της εξίσωσης (21) από το µοντέλο LAM είναι ότι δέχεται ότι η συγκέντρωση στο διάλυµα είναι η ίδια µε τη συγκέντρωση µέσα στους πόρους (ισχύει για επαρκώς µεγάλους πόρους και µικρά σωµατίδια προσροφητικού). Πολλοί ερευνητές µελέτησαν την προσρόφηση τοξικών µετάλλων σε βιοπολυµερή χρησιµοποιώντας το µοντέλο του συρρικνούµενου πυρήνα (Chen et al., 1993). Το µοντέλο του συρρικνούµενου πυρήνα (Shrinking Core Model, SCM) θεωρεί ότι τα ιόντα δεσµεύονται ταχύτατα στην επιφάνεια του πυρήνα που υποχωρεί προς το κέντρο του σωµατιδίου και αποτελεί αποτέλεσµα διάχυσης (Σχήµα 9). Ειδικότερα, το µοντέλο αυτό βασίζεται στην παρατήρηση ότι όταν εξετάζεται η διατοµή ενός αντιδρώντος σωµατιδίου, τα µεταλλικά ιόντα δεσµεύονται ταχύτατα στην επιφάνεια του πυρήνα, ενώ η ισορροπία αναπτύσσεται ανάµεσα στα δεσµευµένα και τα µηδεσµευµένα ιόντα σε κάθε σηµείο του στερεού. Αν το στερεό δεν είναι πορώδες, η Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 83

103 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ αντίδραση θα συµβεί στην εξωτερική του επιφάνεια και καθώς η αντίδραση θα προχωρά, η επιφάνεια αυτή θα υποχωρεί. Με την πρόοδο της αντίδρασης, ένα στρώµα προϊόντος σχηµατίζεται γύρω από έναν πυρήνα αντιδρώντος, το οποίο δεν θα έχει αντιδράσει. Για τη µαθηµατική ανάλυση του συγκεκριµένου µοντέλου, θα πρέπει να γίνει η παραδοχή ότι η αντίδραση σε ακτίνα r c είναι µικρή σε σχέση µε την ταχύτητα διάχυσης του αντιδρώντος συστατικού διαµέσου του στρώµατος του προϊόντος. Η αντίδραση σε κάθε χρονική στιγµή διεξάγεται στη διεπιφάνεια µεταξύ του πυρήνα του αντιδρώντος που δεν έχει ακόµη αντιδράσει και του στερεού προϊόντος που το περιβάλλει. Η λύση του µοντέλου του συρρικνούµενου πυρήνα δίνεται αναλυτικά από την παρακάτω σχέση (Rao and Gupta, 1982): / 3 D 1 3(1 a) + 2(1 a) = o Cdt (23) 2 R C 2 6 Co Ct o όπου, το a = αποτελεί την έκταση της βιορρόφησης και το C αποτελεί C C o eq το ολικό ποσό του προσροφηθέντος συστατικού κατά τη διάρκεια ενός πειράµατος στον ολικό όγκο του προσροφητικού που χρησιµοποιήθηκε. Εάν η διάχυση αποτελεί το ρυθµορυθµιστικό βήµα µιας διεργασίας, τότε από το διάγραµµα (α- t Cdt ) προκύπτει ευθεία γραµµή. t 0 0 Σχήµα 9. Σχηµατική παράσταση του προφίλ της συγκέντρωσης εσωτερικά του σφαιρικού σωµατιδίου, σύµφωνα µε τα µοντέλα SCM και LAM, θεωρώντας ως ρυθµορυθµιστικό στάδιο τη διάχυση (Smith, 1981). Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 84

104 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Στη βιβλιογραφία συχνά χρησιµοποιείται για να περιγράψει την κινητική της αποµάκρυνσης χρωµάτων µε βιορρόφηση η σχέση που πρότειναν οι Weber and Morris (Ηο et al., 2000), ενώ χρησιµοποιείται και για τον έλεγχο της παρουσίας ή όχι της ενδοσωµατιδιακής διάχυσης: q k t 0.5 t = (24) d όπου, q t :η ροφητική χωρητικότητα σε χρόνο t (mg g -1 ), k d : ο συντελεστής διάχυσης (mg g -1 min -0.5 ). Η σχέση αυτή χρησιµοποιείται ως ένα κριτήριο διάκρισης ανάµεσα στην κινητική που ελέγχεται από αντίδραση ή από διάχυση. Aν από το διάγραµµα (q-t 1/2 ) προκύψει ευθεία γραµµή που περνά από την αρχή των αξόνων, τότε υπάρχει ένδειξη, ότι η διεργασία ελέγχεται από εσωτερική διάχυση Συνδυασµένη εξωτερική µεταφορά µάζας και ισχυρή µονόδροµη ισορροπία. Η διατήρηση µάζας του προσροφηµένου συστατικού κατά µήκος της επιφάνειας του προσροφητικού υλικού δίνεται από τη σχέση: s C o C t W q C s t + t = C o q t = (25) W όπου, q είναι ο ειδικός ρυθµός κατανάλωσης µετάλλου (mg του µετάλλου ανά g της βιοµάζας), C: η συγκέντρωση του µετάλλου στην κύρια φάση (mg L -1 ) και W: η ποσότητα της βιοµάζας ανά µονάδα όγκου διαλύµατος (g L -1 ). Οι δείκτες (o) και (t) χαρακτηρίζουν τις συνθήκες στην αρχή και σε οποιαδήποτε χρονική στιγµή της διεργασίας αντίστοιχα, ενώ ο εκθέτης (s) χαρακτηρίζει τις συνθήκες στην επιφάνεια του προσροφητικού υλικού. Για εξαιρετικά µεγάλους χρόνους προσρόφησης ισχύει: q t q e και C s t C s e Ce όπου µε το δείκτη (e) περιγράφονται οι συνθήκες της ισορροπίας. Εάν κάποιος συνδυάσει τη µεταφορά µάζας στο εξωτερικό οριακό στρώµα, µε την ισόθερµη εξίσωση Langmuir (ισχυρά αναντιστρέψιµη προσρόφηση), τότε η Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 85

105 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ εξίσωση του ρυθµού της µεταβολής της συγκέντρωσης στην κύρια φάση περιγράφεται από το παρακάτω σύστηµα εξισώσεων (Puranic et al., 1999): ( C C s ) dct = K ms t t (26) dt s dct dt K ms = Wqmaxb s ( )( s 2 Ct C 1+ ) t bc t (27) όπου, K m : ο συντελεστής της εξωτερικής µεταφοράς µάζας (m s -1 ), ο οποίος αποτελεί το ρυθµό µεταφοράς µάζας ανά µονάδα εµβαδού ανά µονάδα συγκέντρωσης, ενώ 1/K m είναι το µέτρο της αντίστασης στην οριακή στοιβάδα επιφάνειας και S: η ειδική επιφάνεια των σωµατιδίων του βιορροφητικού ανά µονάδα όγκου του αντιδραστήρα (m 2 m -3 ). Χρησιµοποιώντας τις παρακάτω αδιάστατες µεταβλητές: C = Ct / C o, C * s και, όπου υπολογίστηκε από τις εξισώσεις (25) s = C / C t = t / τ C s o και (26) και τ αποτελεί το συνολικό χρόνο της προσρόφησης, οι εξισώσεις (26) και (27) µετατρέπονται στις: t s o dc dt ( C C ) = K msτ s (28) ( )( C Cs 1+ bcocs ) dcs K msτ 2 = dt Wqmaxb (29) όπου πρόκειται για ένα σύστηµα από δύο κανονικές διαφορικές εξισώσεις πρώτης τάξης που πρέπει να λυθούν ταυτόχρονα. Οι αρχικές συνθήκες είναι C = 1 και Cs = 0 σε t = 0. Πρέπει να σηµειωθεί, ότι κανονικοποιώντας το C s t ως προς το (και όχι το C o,όπως πράττουν οι Puranic et al., 1999) και επίσης t ως προς τ, βελτιώνονται σηµαντικά τα χαρακτηριστικά σύγκλισης και σταθερότητας της λύσης, λόγω της οµοιόµορφης κατανοµής όλων των µεταβλητών µέσα στο εύρος των υπολογισµών. s C o Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 86

106 Ι. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Οι εξισώσεις (28)-(29) λύνονται αριθµητικά για τον υπολογισµό του K m S, αντίστοιχα. Η µη-αριθµητική επίλυση για την προσαρµογή των πειραµατικών δεδοµένων στις εξισώσεις αυτές έγινε µε τη µέθοδο Levenberg-Marquardt, που σταδιακά µεταβάλλει την αναζήτηση για το ελάχιστο του αθροίσµατος των γραµµικών ελαχίστων τετραγώνων (Sum of the Errors Squared, SSE) (Gauss-Newton, Bates and Watts, 1988): SSE = i ( q q ) exp,i cal,i q 2 exp, i 2 (30) 6.4. Βιβλιογραφική ανασκόπηση για την κινητική ανάλυση της βιορρόφησης. Οι Young and Volesky (1999) εφάρµοσαν το µοντέλο µεταφοράς µάζας για τον υπολογισµό του συντελεστή της αποτελεσµατικής διάχυσης κατά τη βιορρόφηση του Cd σε πρωτονιωµένη βιοµάζα από Sargassum. Oι Ho and McKay (1998) χρησιµοποίησαν την εξίσωση ψευδο-πρώτης και ψευδο-δεύτερης τάξης καθώς και την εξίσωση Elovich για την περιγραφή του µηχανισµού της ρόφησης του Cd σε διάφορα προσροφητικά υλικά. Η προσρόφηση του Cd από θαλασσινά άλγη Sargassum fluitans µελετήθηκε σε ασυνεχή πειράµατα για θερµοκρασίες από 7 έως 60 ο C. Σε υψηλές συγκεντρώσεις του προσροφητικού υλικού και χαµηλές συγκεντρώσεις του µετάλλου, το µοντέλο µεταφοράς µάζας προσοµοίασε ικανοποιητικά τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Ωστόσο, σε χαµηλές συγκεντρώσεις του προσροφητικού υλικού το µοντέλο δεν περιγράφει τη συµπεριφορά του συστήµατος, πιθανόν λόγω επίδρασης της εσωτερικής διάχυσης (Leusch and Volesky, 1995). Η κινητική προσρόφησης του Cr(III) από σφαιρίδια αλγινικού ασβεστίου περιγράφεται ως συνάρτηση της αρχικής συγκέντρωσης του µετάλλου και της θερµοκρασίας. Η µεταφορά του Cr(III) στα σφαιρίδια χαρακτηρίζεται από τον προσδιορισµό των συντελεστών διάχυσης µε την εφαρµογή του µοντέλου του συρικνούµενου πυρήνα και της γραµµικής απορρόφησης (Areuijo and Teixeira, 1997). Κεφάλαιο 6. ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ 87

107 1. ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ-ΚΡΙΤΗΡΙΑ Οι βιοµάζες που χρησιµοποιήθηκαν ως βιορροφητικό υλικό στην παρούσα εργασία είναι οι Penicillium chrysogenum και Aeromonas caviae. Η βιοµάζα Penicillium chrysogenum (αποστειρωµένη) προήλθε από το τµήµα Μικροβιολογίας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Newcastle-upon-Τyne (UK), στο πλαίσιο προηγούµενου κοινού ερευνητικού προγράµµατος, ενώ ο µικροοργανισµός Aeromonas caviae αποµονώθηκε από λάσπη που προέρχεται από φρέαρ άντλησης υπόγειων υδάτων στην περιοχή της Σίνδου. Η βιοµάζα Penicillium chrysogenum, που χρησιµοποιήθηκε στα πειράµατα αποµάκρυνσης του πεντασθενούς αρσενικού και αφορούν το πρώτο στάδιο της ερευνητικής εργασίας, επιλέχθηκε γιατί σε προγενέστερη έρευνα αποδείχθηκε ότι το συγκεκριµένο υλικό αποµακρύνει αρκετά ικανοποιητικά κατιονικά µέταλλα από υδατικά διαλύµατα (Μatis et al., 1994 a,b,c; Matis and Zouboulis, 1998; Zouboulis et al., 2003). Η επιλογή του µικροοργανισµού A. caviae έγινε γιατί αναφέρεται στη βιβλιογραφία η ανθεκτικότητα του στα τοξικά µέταλλα και η ικανότητα του να επιβιώνει ακόµη και σε περιβάλλοντα µε υψηλούς δείκτες ρύπανσης (Miranda and Castillo, 1998). Τη µικρότερη αντοχή επέδειξαν αποµονώσεις που προέρχονταν από νερά υψηλής ρύπανσης, ενώ αποικίες από νερά µεσαίας ρύπανσης παρουσίασαν υψηλότερη ανθεκτικότητα. Οι αποικίες παρουσίασαν τη µεγαλύτερη ανθεκτικότητα για το Cd(II) και Cr(VI). 90

108 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ 2. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ PENICILLIUM CHRYSOGENUM Στο πρώτο µέρος της διατριβής χρησιµοποιήθηκε τροποποιηµένη βιοµάζα Penicillium chrysogenum για την αποµάκρυνση του πεντασθενούς αρσενικού. Η τροποποίηση της βιοµάζας πραγµατοποιήθηκε µε την προσθήκη διαλύµατος τεταρτοταγούς αµίνης (hexadecyltrimethytlammonium-bromide, HDTMA-Br), δωδεκυλαµίνης (dodecylamine, DA) και ενός κατιονικού πολυηλεκτρολύτη (Magnafloc, ex-allied Colloids, UK). Ποσότητα βιοµάζας (10 g) κατεργάζεται µε 30 ml διαλύµατος του εκάστοτε τροποποιητή συγκεκριµένης συγκέντρωσης (10, 5, 1% w/v) σε κωνική φιάλη των 250 ml. Η κωνική φιάλη τοποθετείται σε θερµοστατούµενο τάρακτρο (Julabo SW-21C) µε συνεχή ανάδευση στις 180 rpm, για 24 h και σε σταθερή θερµοκρασία 30 o C. Ακολουθεί πλύση µε απιονισµένο νερό, διήθηση υπό κενό και τελικά η τροποποιηµένη βιοµάζα είτε αφήνεται για ξήρανση στον αέρα και αποθήκευση στο ψυγείο, είτε αποθηκεύεται µε τη µορφή πολφού (slurry). 91

109 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ 3. ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤOΥ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ AEROMONAS CAVIAE Αρχικά, ~20 g λάσπης, που προήλθε από φρέαρ άντλησης υπόγειου νερού, αραιώθηκαν σε 100 ml αποστειρωµένου θρεπτικού υγρού Luria Bertani (LB, 1% τρυπτόνη, 1% NaCl, 0.5% εκχύλισµα ζύµης, τιµή ph 7). Η ανάπτυξη των µικροοργανισµών έγινε στο θρεπτικό υπόστρωµα παρουσία 0.2 g L -1 FeSO 4. 7H 2 O, σε θερµοκρασία 30 o C, υπό συνεχή ανάδευση (180 rpm). Η ποσότητα του σιδήρου που χρησιµοποιήθηκε ήταν η µέγιστη δυνατή συγκέντρωση του σιδήρου που δεν επηρεάζει (παρεµποδίζει) την ανάπτυξη των µικροοργανισµών. - Για την ανάπτυξη του µικροοργανισµού A. caviae ακολουθήθηκε συγκεκριµένο πρωτόκολλο που περιελάµβανε: - Μεταφορά µε κρίκο µικρής ποσότητας κυττάρων (ενοφθάλισµα) από στερεό υπόστρωµα (agar) σε αποστειρωµένο υγρό υπόστρωµα όγκου 10 ml, που βρισκόταν σε φυγοκεντρική κυψελίδα (όγκου 25 ml). - Ανάπτυξη της καλλιέργειας, όπως περιγράφηκε προηγουµένως, µέχρι το τέλος της λογαριθµικής φάσης ανάπτυξης, που προσδιορίζεται µε τη µέτρηση της οπτικής πυκνότητας του αιωρήµατος στα 600 nm. - Μεταφορά της καλλιέργειας (ενοφθάλµισµα) σε αποστειρωµένο υγρό (υπόστρωµα) όγκου 100 ml, που βρισκόταν σε κωνική φιάλη (όγκου 250 ml). - Μεταφορά κατάλληλης ποσότητας της αναπτυγµένης καλλιέργειας (10% ενοφθάλµισµα) σε αποστειρωµένο υγρό (υπόστρωµα) όγκου 500 ml σε κωνική φιάλη (όγκου 1 L). - Συλλογή των κυττάρων µε φυγοκέντρηση (3000 rpm για 30 min) και πλύση µε διάλυµα NaCl 0.9% w/v. Ακολουθούσε υγρή αποστείρωση της βιοµάζας για 20 min στους 120 o C και διατήρηση της στους 2 o C µε τη µορφή αιωρήµατος. Κάθε φορά πριν από την εφαρµογή της γινόταν σταθµικός προσδιορισµός της περιεχόµενης υγρασίας, ώστε να προσδιοριστεί η συγκέντρωση των στερεών συστατικών της βιοµάζας. H σχηµατική αναπαράσταση της καλλιέργειας του µικροοργανισµού δίνεται στο Σχήµα

110 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ ιαχωρισµός Κυττάρων φυγοκέντρηση ( 3000 rpm και 30 min) Θερµική κατεργασία (αποστείρωση) Σχήµα 10. Σχηµατική αναπαράσταση της καλλιέργειας των µικροοργανισµών (Κυριακίδης, 2000). Κεφάλαιο 3. ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΑΙ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤOY ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜOY 93

111 II. ΥΛΙΚΑ KAI ΜΕΘΟ ΟΙ 4. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 4.1. Προσδιορισµός ιονικού περιεχοµένου Σε ποσότητα βιοµάζας (1 g) προστέθηκε 50 ml HCl 0.1 Μ και το αιώρηµα διατηρείται για µία ώρα σε θερµοστατούµενο τάρακτρο σε 250 rpm και 30 o C, στη συνέχεια φυγοκεντρείται σε 3000 rpm για 30 min και διηθείται µε ηθµό µεµβράνης (Ø47 mm, ME 25 ST, 0.2 µm, Schleicher & Schuell). Η βιοµάζα αιωρείται µε HCl και επαναλαµβάνεται η παραπάνω διαδικασία τρεις φορές. Τα υγρά πλύσης συλλέγονται και προσδιορίζονται τα αλκαλικά και µέταλλα αλκαλικές γαίες (Νa, K, Mg, Ca) Καµπύλες τιτλοδότησης της βιοµάζας Ένα αιώρηµα της βιοµάζας υπό συνεχή ανάδευση (0.2 g βιοµάζας σε 200 ml απιονισµένου νερού) τιτλοδοτούνταν µε διάλυµα NaOH 0.1 Μ. Η τιτλοδότηση περιλαµβάνει συνεχή παρακολούθηση της µεταβολής της τιµής του ph (χρησιµοποιήθηκε πεχάµετρο: Crison Instruments S.A., Model Ph506, Spain) και της αγωγιµότητας (χρησιµοποιήθηκε αγωγιµόµετρο ΗΙ της εταιρείας HANNA). Η τιµή του ph ρυθµίζονταν στο 3, µε προσθήκη HNO 3 0,1-1 Μ πριν από την έναρξη της ογκοµέτρησης. Η τιτλοδότηση περιλαµβάνει την προσθήκη 0.1 ml NaOH 0.1 Μ µε αυτόµατο σιφώνιο (όγκου µl, Fortuna, Germany) και µετά από αναµονή κάθε φορά λίγων λεπτών (3-5 min) µέχρι να σταθεροποιηθούν οι ενδείξεις του πεχαµέτρου και του αγωγιµοµέτρου, ενώ καταγράφονται η τιµή του ph και η αγωγιµότητα του αιωρήµατος Ζ-δυναµικό Για την καλύτερη ερµηνεία των πειραµατικών αποτελεσµάτων της βιορόφησης γίνεται και ταυτόχρονη µελέτη του ζ-δυναµικού. Όταν ένα στερεό σωµατίδιο εισαχθεί µέσα σε κάποιο διάλυµα, τότε στη στερεή/υγρή διεπιφάνεια αναπτύσσεται ηλεκτρικό φορτίο. Το φορτίο αυτό οφείλεται σε ιόντα που βρίσκονται σε κατάσταση προσρόφησης στο στερεό και ονοµάζονται ιόντα που καθορίζουν το 94

112 II. ΥΛΙΚΑ KAI ΜΕΘΟ ΟΙ δυναµικό. Το δυναµικό αυτό δεν είναι δυνατό να µετρηθεί άµεσα. Έτσι, η ηλεκτρική συµπεριφορά των αιωρηµάτων των στερεών εκφράζεται συνήθως από µια ευκολότερα µετρούµενη παράµετρο, το ζ-δυναµικό. Οι µετρήσεις του ζ-δυναµικού έγιναν σε συσκευή τύπου Rank Brothers Mark II (UK), µε την εφαρµογή της µεθόδου της µικροηλεκτροφόρησης, χρησιµοποιώντας επίπεδη κυψέλη. Η κίνηση των σωµατιδίων παρακολουθείται µε κλειστό τηλεοπτικό κύκλωµα. Στο σχήµα 11 φαίνεται η πειραµατική διάταξη. Η προκατεργασία των αιωρηµάτων ακολουθεί το πρωτόκολλο της προετοιµασίας των δειγµάτων για βιορροφητική επίπλευση. Το αιώρηµα αφήνεται σε ηρεµία για 5 min και ακολουθεί µετάγγιση του υπερκείµενου υγρού στην επίπεδη κυψέλη. Σχήµα 11. Συσκευή µέτρησης ζ-δυναµικού α) Συσκευή µικροηλεκτροφόρησης: (1) ηλεκτρόδια, (2) µικροσκόπιο, (3) µικροµετρικός κοχλίας, (4) πηγή φωτισµού, (5) επίπεδη κυψέλη, (6) υδρόλουτρο και (7) κυκλοφορία νερού και β) στάσιµα επίπεδα της επίπεδης κυψέλης (Κεφάλα, 2000). Τοποθετείται η κυψέλη σε υδρόλουτρο, µε συνεχή επανακυκλοφορία του νερού και θερµοστατικό µηχανισµό, όπου παραµένει για 2 min, ώστε να αποκτήσει τη θερµοκρασία των µετρήσεων (25 o C) και στη συνέχεια τοποθετούνται τα ηλεκτρόδια στις υποδοχές της κυψέλης. Τα ηλεκτρόδια είναι επιλευκοχρυσωµένα, ώστε να αποφεύγονται φαινόµενα πόλωσης τους. Η τάση που εφαρµόζεται είναι το πολύ µέχρι 100 V και το ρεύµα που αναπτύσσεται κυµαίνεται από εκατοντάδες µa µέχρι µερικά mα, ανάλογα µε την ιονική ισχύ του διαλύµατος. Η µέτρηση γίνεται πάνω στα στάσιµα επίπεδα, όπως δίνονται από την εξίσωση Komagata: s d d = (4:1) 5 π l Κεφάλαιο 4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 95

113 II. ΥΛΙΚΑ KAI ΜΕΘΟ ΟΙ όπου, s: η απόσταση του στάσιµου επιπέδου από την επιφάνεια της κυψέλης, d: το βάθος και l: το πλάτος της. Για την εστίαση του µικροσκοπίου, ώστε να παρατηρείται το αιώρηµα των στερεών στα στάσιµα επίπεδα της κυψέλης, χρησιµοποιείται κατάλληλος µικροµετρικός κοχλίας. Παρακολουθείται η κίνηση επιλεγµένων µικροµερών στερεών και καταγράφεται ο χρόνος που απαιτείται για να διανύουν ορισµένη απόσταση, η οποία ελέγχεται από βαθµονοµηµένο πλέγµα που φέρει η οθόνη της συσκευής. Γίνονται συνολικά 20 περίπου µετρήσεις χρόνου για κάθε πείραµα, ενώ ενδιάµεσα των µετρήσεων γίνεται και αντιστροφή της πολικότητας των ηλεκτροδίων, µε σκοπό την ελαχιστοποίηση της πόλωσης τους. Το πρόσηµο του ζ-δυναµικού καθορίζεται από την κατεύθυνση της κίνησης του σωµατιδίου, ανάλογα µε την εκάστοτε πολικότητα του ηλεκτροδίου. Από τη µέση ταχύτητα του σωµατιδίου, την ένταση του πεδίου και το µήκος της κυψέλης, υπολογίζεται το ζ-δυναµικό από την εξίσωση Smoluchowski, η οποία εφαρµόζεται στα συστήµατα των υδατικών αιωρηµάτων: όπου: ζ: το ζ-δυναµικό (Volt), µ: το δυναµικό ιξώδες (poise), µu ζ = 36*10 4 π (4:2) εε ε: η διηλεκτρική σταθερά του µέσου διασποράς (Cb 2 dyn -1 cm -2 ), Ε: η τάση ηλεκτροφόρησης ανά cm (V/cm) και u: η ταχύτητα ηλεκτροφόρησης των σωµατιδίων (cm/s), που δίνεται από τη σχέση: x u = (4:3) t όπου, x: το διάστηµα (cm) που διανύει το σωµατίδιο σε χρόνο t (sec) Λήψη φασµάτων FTIR Η λήψη των φασµάτων FTIR έγινε σε στερεό δείγµα της νεκρής βιοµάζας µε τη συσκευή Perkin Elmer FTIR Series Η τεχνική που χρησιµοποιήθηκε αφορά την ανάµιξη 1 mg στερεού δείγµατος µε mg ξηρού και καθαρού KBr. Το µίγµα Κεφάλαιο 4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 96

114 II. ΥΛΙΚΑ KAI ΜΕΘΟ ΟΙ κονιοποιείται ώστε να σχηµατιστεί λεπτή σκόνη, η οποία µεταφέρεται σε ειδικό υποδοχέα και το σύστηµα τοποθετείται σε υδραυλικό πιεστήριο, πιέζεται ισχυρά ( Atm) για 5 min, οπότε προκύπτει διαφανές δισκίο. Το δισκίο τοποθετείται στο φασµατόµετρο και λαµβάνεται το FTIR φάσµα του Λήψη φωτογραφιών της βιοµάζας µε ηλεκτρονικό µικροσκόπιο Εφαρµόστηκε η Μικροσκοπία Σαρωτικής έσµης (SEM) µε το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο JEOL JSM-840 (Ιαπωνία) και εφαρµόστηκε τάση λειτουργίας 15 kv. Παράλληλα, έγινε και στοιχειακή ανάλυση µε τη µέθοδο της ανάλυσης της ενεργειακής διασποράς ακτίνων-χ και χρησιµοποιήθηκε ο φασµατογράφος ISIS 300 (Energy Dispersive X-ray Spectrometer, EDS, Oxford, England). Κεφάλαιο 4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 97

115 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ 5. ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΠΟΥ ΜΕΛΕΤΗΘΗΚΑΝ Η συγκεκριµένη µελέτη αναφέρεται στην αποµάκρυνση Cd(II), Cr(VI) και As(V) από υδατικά τους διαλύµατα. Τα µέταλλα αυτά επιλέχθηκαν αφού χαρακτηρίζονται ως µέταλλα υψηλής προτεραιότητας όσον αφορά τη διαχείρισή τους, ενώ περιλαµβάνονται στη λίστα των ρύπων µέγιστης προτεραιότητας της Αµερικάνικης Υπηρεσίας Προστασίας του Περιβάλλοντος. Ειδικότερα, το Cd(II) κατατάσσεται ανάµεσα στα τοξικότερα ιχνοστοιχεία και είναι κατανενηµένο σε ίχνη στο φλοιό της γης, ενώ όλα σχεδόν τα µεταλλεύµατα Ζn περιέχουν Cd. Οι χρήσεις του στοιχείου αυξάνονται συνεχώς στη µεταλλουργία, ως σταθεροποιητής του PVC τις τελευταίες δεκαετίες. Το As(V) κατατάσσεται στις καρκονογενείς ουσίες για τον άνθρωπο. Με τη µείωση της ανώτατης επιτρεπτής συγκέντρωσης του αρσενικού στο πόσιµο νερό θεωρείται βέβαιο ότι αρκετές περιοχές στον Ελλαδικό χώρο θα αντιµετωπίσουν προβλήµατα αποµάκρυνσης του αρσενικού από το νερό της ύδρευσης. Τέλος, το Cr(VI) αποτελεί µέταλλο που εµφανίζεται µε τη µορφή οξυανιόντος σε µεγάλη περιοχή τιµών του ph, οπότε η µελέτη της αποµάκρυνσης του έχει ιδιαίτερο περιβαλλοντικό ενδιαφέρον. Εξάλλου, το µέταλλο αυτό συνυπάρχει µαζί µε άλλα µέταλλα στα απόβλητα διαφόρων βιοµηχανιών Οι περισσότερες έρευνες, που αφορούν τη βιορρόφηση και την αποµάκρυνση ή/και ανάκτηση των µετάλλων µε την εφαρµογή βιολογικών υλικών, αναφέρονται στην αποµάκρυνση µεταλλικών κατιόντων (Gutnick and Bach, 2000). Η αποµάκρυνση όµως των µεταλλικών ανιόντων (π.χ. Αs, Se, Cr, Mo) που χαρακτηρίζονται και από µεγαλύτερη τοξική δράση, αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη βιορρόφηση. 98

116 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ Σε κωνικές φιάλες των 100 ml γίνεται αιώρηση µετά από οµογενοποίηση 0,1 g βιοµάζας σε 50 ml απιονισµένο νερό (δηλ. αρχική συγκέντρωση της βιοµάζας 2 g/l). Η οµογενοποίηση γίνεται µε τη χρήση κατάλληλης γυάλινης συσκευής οµογενοποιητή µε χειροκίνητο έµβολο. Ακολουθεί αραίωση του αιωρήµατος µε 50 ml διαλύµατος (οπότε η τελική συγκέντρωση της βιοµάζας είναι 1 g/l) που περιέχει το µέταλλο σε κατάλληλη συγκέντρωση, ώστε µετά την αραίωση να προκύψει η τελική ζητούµενη. Ακολουθεί ρύθµιση της τιµής του ph του αιωρήµατος µε προσθήκη σταγόνων διαλυµάτων ΗΝΟ 3 και NaOH διαφόρων συγκεντρώσεων (1, 0,1, 0,01 M), ενώ αναδεύεται συνεχώς σε µαγνητικό αναδευτήρα. Στη συνέχεια η κωνική τοποθετείται σε θερµοστατούµενο τάρακτρο (Julabo SW-21C) µε συγκεκριµένες επιθυµητές συνθήκες. Σε κάθε σειρά πειραµάτων γίνονται και δύο «τυφλά» δείγµατα, ένα µε απιονισµένο νερό και ένα µε αιώρηµα βιοµάζας, στα οποία ακολουθείται η ίδια διαδικασία. Πολλές µελέτες που εξετάζουν το φαινόµενο της προσρόφησης περιλαµβάνουν την ανάλυση ασυνεχών πειραµάτων, όπου δείγµατα λαµβάνονται καθόλη τη διάρκεια της διεργασίας σε ίσα χρονικά διαστήµατα. Έτσι, πιθανή ταχύτατη αλλαγή στα χαρακτηριστικά του συστήµατος αµέσως µετά την έναρξη της προσρόφησης, δεν είναι δυνατό να µετρηθεί µε ακρίβεια. Για τα πειράµατα κινητικής της βιορρόφησης διάλυµα καδµίου ή χρωµίου φέρονταν σε επαφή µε βιοµάζα A. caviae ρυθµιζόταν το ph του αιωρήµατος στην επιθυµητή τιµή, ενώ αναδεύονταν για τον απαραίτητο χρόνο σε µαγνητικό αναδευτήρα (Heidolph type, RZR 2102) µε ρυθµό 180 rpm σε συγκεκριµένη θερµοκρασία. µε συνεχή παρακολούθηση της τιµής του ph. Ακολούθησε φυγοκέντρηση του αιωρήµατος και παραλαβή του δείγµατος από το υπερκείµενο για τον προσδιορισµό του µετάλλου. Τα κινητικά πειράµατα, πραγµατοποιήθηκαν για δύο διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις µετάλλου (5 και 50 mg L -1 ), µε διαφορετικές ποσότητες βιοµάζας (0.5, 1 και 2 g L -1 ) σε διαφορετικές θερµοκρασίες (20, 40 και 60 o C). Ο τελικός όγκος του αιωρήµατος ήταν 400 ml. Σε επιλεγµένα χρονικά διαστήµατα (2 min), 2 ml δείγµατος αποµακρύνεται από το δοχείο αντίδρασης µε διήθηση (χρήση σύριγγας) και ηθµών µεµβράνης (Ø47 mm, ME 25 ST, 0.45 µm, Schleicher & Schuell). Ο ποσοτικός προσδιορισµός των Κεφάλαιο 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ 99

117 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ µετάλλων για τον προσδιορισµό της παραµένουσας συγκέντρωσης του πεντασθενούς αρσενικού και του εξασθενούς χρωµίου γινόταν στο διήθηµα φασµατοφωτοµετρικά, ενώ για τον προσδιορισµό της παραµένουσας συγκέντρωσής του καδµίου γινόταν στο διήθηµα µε τη µέθοδο της Ατοµικής Απορρόφησης (AAS). Κεφάλαιο 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ 100

118 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ 7. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ Τα πειράµατα της βιοροφητικής επίπλευσης γίνονται σε δύο διαδοχικά στάδια, όπως περιγράφονται παρακάτω. 1) Στάδιο Βιορρόφησης Σε ποτήρι ζέσεως των 400 ml γίνεται αιώρηση µετά από οµογενοποίηση, όπως περιγράφεται προηγουµένως, 0,4 g βιοµάζας σε 200 ml απιονισµένο νερό. Ακολουθεί αραίωση του αιωρήµατος µε 200 ml διαλύµατος που περιέχει το µέταλλο και τα απαραίτητα αντιδραστήρια για την επίπλευση και αιθανόλη (που χρησιµοποιήθηκε ως αφριστικό, σε διάφορες συγκεντρώσεις). Ακολουθεί ρύθµιση της τιµής του ph µε προσθήκη σταγόνων ΗΝΟ 3 και NaOH διαφόρων συγκεντρώσεων (1, 0,1, 0,01Μ), ενώ αναδεύεται συνεχώς σε µαγνητικό αναδευτήρα για 10 min. 2) Στάδιο Επίπλευσης Μετά τη βιορρόφηση το αιώρηµα αποχύνεται στην κυψέλη επίπλευσης, όπου διοχετεύεται αέρας γνωστής παροχής (200 cc/min) για σύντοµο χρονικό διάστηµα (t επιπ. = 10 min). Από το επάνω µέρος της κυψέλης επίπλευσης γίνεται η συλλογή του αφρού σε όλη τη διάρκεια του πειράµατος, µε εφαρµογή αναρρόφησης (υπό κενό), µέχρι να ολοκληρωθεί η επίπλευση της βιοµάζα από την κυψέλη επίπλευσης (συνήθως σε 10 min). Ο ποσοτικός προσδιορισµός της βιοµάζας γινόταν ωστόσο και θολεροµετρικά (για σύγκριση) σε δείγµα που λαµβανόταν από την έξοδο της κυψέλης επίπλευσης. Ο θολεροµετρικός προσδιορισµός βασίστηκε σε µέτρηση της θολερότητας (µονάδες NTU) αιωρηµάτων αναφοράς της βιοµάζας µε γνωστές συγκεντρώσεις σε κυψέλη θολερόµετρου (Model Ratio XR, HACH) και χάραξη της αντίστοιχης πρότυπης καµπύλης αναφοράς. Από τη µέτρηση της θολερότητας των δειγµάτων που λαµβάνονταν από την κυψέλη επίπλευσης µετά το τέλος του πειράµατος και από την αντίστοιχη καµπύλη αναφοράς, προσδιορίζονταν η συγκέντρωση της βιοµάζας που 101

119 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ δεν έχει επιπλεύσει. Το αποτέλεσµα εκφράζεται ως % αποµάκρυνση της βιοµάζας (Re%), όπως προκύπτει από την παρακάτω σχέση [βιοµάζα] ο -[βιοµάζα] Re % = 100 [βιοµάζα] όπου [βιοµάζα] ο και [βιοµάζα] τελ είναι η συγκέντρωση της βιοµάζας (g/l) στο αρχικό αιώρηµα και στο δείγµα µετά το τέλος του πειράµατος, αντίστοιχα. ο τελ 3) Συσκευή επίπλευσης Εφαρµόστηκε η επίπλευση διασκορπισµένου αέρα (Dispersed-air flotation: DiAF) ως ασυνεχής διεργασία. H διάταξη που χρησιµοποιήθηκε, απεικονίζεται στο Σχήµα 12 και αποτελείται από: πιεστικό σύστηµα και σωλήνες παροχής πεπιεσµένου αέρα, ροτάµετρο για τη µέτρηση της παροχής του αέρα, υοειδές υδραργυρικό µανόµετρο, που επιτρέπει τον έλεγχο της πίεσης στο σύστηµα, κυψέλη επίπλευσης από plexiglass, κυλινδρικού σχήµατος (εσωτ. διαµέτρου 4 cm, εξωτ. διαµέτρου 5 cm και ύψους 45 cm), συνολικής χωρητικότητας 500 cm 3, περίπου. Πορώδες διάφραγµα (D n µε πόρους µm) είναι τοποθετηµένο στη βάση της, µέσω του οποίου γίνεται η εµφύσηση του αέρα και η δηµιουργία (παραγωγή) µικρών φυσαλίδων. Σε πλευρικό τοίχωµα υπάρχει έξοδος για την παραλαβή του δείγµατος, η οποία φράσσεται µε ελαστικό πώµα. Στο πάνω µέρος της κυψέλης επίπλευσης είναι προσαρµοσµένο κατάλληλο χωνί, ώστε να αυξάνεται το ύψος και η διάµετρός της, για την αντιµετώπιση προβληµάτων έντονου αφρισµού. Η συλλογή του αφρού γίνεται µε συσκευή κενού. Κεφάλαιο 7. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 102

120 II. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟ ΟΙ Προς αντλία κενού Σχήµα 12. Πειραµατική διάταξη επίπλευσης διασκορπισµένου αέρα: (1) πιεστικό αέρα, (2) βαλβίδα, (3) ροτάµετρο, (4) µανόµετρο, (5) πορώδες διάφραγµα, (6) στήλη επίπλευσης, (7) χωνί για τη συλλογή αφρού, (8) συσκευή για συλλογή αφρού (9) έξοδος για δειγµατοληψία Κεφάλαιο 7. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 103

121 II. ΜΕΘΟ ΟΙ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ 8. EΚΛΟΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΠΟ ΤΗ ΒΙΟΜΑΖΑ Η βιοµάζα που χρησιµοποιήθηκε για τη µελέτη της έκλουσης του Cd (II) και Cr(VI), που είχε προηγουµένως χρησιµοποιηθεί σε πειράµατα βιορρόφησης, ήταν η Aeromonas caviae. Ως διάλυµα έκλουσης για το κάδµιο χρησιµοποιήθηκαν το HCl 0,1 Μ και EDTA 0,05 Μ, ενώ στην περίπτωση του Cr χρησιµοποιήθηκε διάλυµα Νa 2 SO 4 0,05 Μ. Σε ποτήρι ζέσεως των 100 ml γινόταν αιώρηση, µετά από οµογενοποίηση, 0.1 g βιοµάζας σε 50 ml απιονισµένου νερού (2 g L -1 ). Στη συνέχεια προστίθεται το διάλυµα έκλουσης κατάλληλης αρχικής συγκέντρωσης, ώστε µετά την ανάµειξη να προκύψει η επιθυµητή συγκέντρωση. Ο διαχωρισµός της βιοµάζας από το εκλουστικό υγρό γινόταν µε διήθηση µε σύριγγα και χρήση ηθµών µεµβράνης (Ø47 mm, ME 25 ST, 0.45 µm, Schleicher & Schuell). Ο ποσοτικός προσδιορισµός των µετάλλων γινόταν στο διήθηµα µε την τεχνική της Φασµατοσκοπίας Ατοµικής Απορρόφησης (AAS) µετά από τις κατάλληλες αραιώσεις. 104

122 II. ΜΕΘΟ ΟΙ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ 9. ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟ ΩΝ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 9.1. Προσδιορισµός του Αs(V) Ο ποσοτικός προσδιορισµός του As γινόταν µετά από φυγοκέντρηση (3000 rpm, διάρκειας 20 min) για την αποµάκρυνση τυχόν αιωρούµενων σωµατιδίων. Ο φασµατοφωτοµετρικός προσδιορισµός του πεντασθενούς αρσενικού στηρίζεται στην αντίδρασή του µε το µολυβδαινικό αµµώνιο σε όξινο περιβάλλον, οπότε πιθανόν να σχηµατίζεται η ένωση H 7 [As(Mo 2 O 7 ) 5 OMo 2 O 5 ]. Η ένωση αυτή ανάγεται µε υδραζίνη, οπότε σχηµατίζεται µια έντονα χρωµατισµένη ένωση, το κυανό του µολυβδαινίου. Η συγκέντρωσή της προσδιορίζεται φασµατοφωτοµετρικά στα 843 nm µε χρήση της αντίστοιχης πρότυπης καµπύλης αναφοράς. Συγκεκριµένα, µεταφέρονται σε ογκοµετρικές φιάλες των 50 ml κατάλληλοι όγκοι των δειγµάτων και αραιώνονται στα 20 ml µε διάλυµα HCl (1:19 v/v). Προστίθεται µία σταγόνα δείκτη methyl orange και εξουδετερώνεται µε σταγόνες NH 4 OH µέχρι να εµφανιστεί κίτρινο χρώµα. Επαναφέρεται το κόκκινο χρώµα µε σταγόνες διαλύµατος HCl (1:9 v/v) και προστίθενται ακόµα 10 ml διαλύµατος HCl (1:9) και 1 ml διαλύµατος KBrO 3. Ακολουθεί θέρµανση σε υδρόλουτρο στους 50 o C για την οξείδωση του δείκτη και προσθήκη στο θερµό διάλυµα 5 ml διαλύµατος µολυβδαινικού αµµωνίου (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24.4H 2 O και 2 ml διαλύµατος θειικής υδραζίνης (NH 2 ) 2.H 2 SO 4. Μετά από την ανάδευση των δειγµάτων τοποθετούνται σε υδρόλουτρο στους 100 o C για 10 λεπτά, αφήνονται να κρυώσουν, αραιώνονται στη χαραγή και µετράται το έντονο µπλε χρώµα στα 843 nm. Η καµπύλη αναφοράς προκύπτει µε τη χρήση πρότυπων διαλυµάτων As(V) µε συγκεντρώσεις 0-3 mg/l, µετά από κατάλληλες αραιώσεις πυκνού διαλύµατος As(V) συγκέντρωσης 1000 mg/l. Η ίδια διαδικασία ακολουθείται και για ένα διάλυµα αναφοράς, όπου σε ογκοµετρική φιάλη µεταφέρονται 20 ml διαλύµατος HCl (1:19). Οι φασµατοφωτοµετρικοί προσδιορισµοί έγιναν στο όργανο HITACHI U-200 Spectrophotometer. Κεφάλαιο 9. ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟ ΩΝ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ 105

123 II. ΜΕΘΟ ΟΙ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ 9.2. Προσδιορισµός του Cd(II) O ποσοτικός προσδιορισµός του Cd γίνεται µετά από φυγοκέντρηση (3000 rpm, διάρκειας 20 min) για την αποµάκρυνση τυχόν αιωρούµενων σωµατιδίων, µε φασµατοσκοπία ατοµικής απορρόφησης (ΑΑS, Perkin Elmer 2380) µε χρήση καµπύλης αναφοράς. Παρασκευάζονται πρότυπα διαλύµατα καδµίου, µετριέται η απορρόφησή τους και τέλος χαράσσεται η καµπύλη. Η γραµµικότητα της καµπύλης ήταν πολύ καλή µε συντελεστή συσχέτισης συνήθως r 2 = Προσδιορισµός του Cr(VI) O ποσοτικός προσδιορισµός του Cr(VI) έγινε µετά από φυγοκέντρηση (3000 rpm, διάρκειας 20 min) για την αποµάκρυνση τυχόν αιωρούµενων σωµατιδίων, και πραγµατοποιήθηκε φασµατοφωτοµετρικά µε την προσθήκη του αντιδραστηρίου 1,5- διφαινυλοκαρβαζιδίου και το σχηµατισµό ενός ευδιάλυτου και έντονα χρωµατισµένου ερυθροϊώδους συµπλόκου. Η αντίδραση χρωµίου-διφαινυλοκαρβαζιδίου γίνεται σε όξινο περιβάλλον µε την προσθήκη H 2 SO 4 µέχρι τελικής συγκέντρωσης Ν για την άρση της παρεµπόδισης από την ύπαρξη ιόντων σιδήρου, που δίνουν έναν ελαφρύ χρωµατισµό. Η συγκέντρωση καθορίζεται φασµατοφωτοµετρικά µε µέτρηση στα 540 nm και χρήση κατάλληλης ευθείας αναφοράς µε πρότυπα διαλύµατα γνωστών συγκεντρώσεων Προσδιορισµός των ιόντων Νa(Ι), K(Ι), Ca(ΙΙ), Mg(ΙΙ). Ο ποσοτικός προσιορισµός των παραπάνω ιόντων έγινε µε Φασµατοσκοπία Ατοµικής Εκποµπής [Atomic Emission Spectroscopy (AES), Bruno-Lage M6a] και χρήση καµπύλης αναφοράς. Παρασκευάζονται πρότυπα διαλύµατα ιόντων, µετριέται η απορρόφησή τους και τέλος χαράσσεται η καµπύλη. Η γραµµικότητα της καµπύλης ήταν πολύ καλή µε συντελεστή συσχέτισης συνήθως r 2 = Κεφάλαιο 9. ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟ ΩΝ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΥ 106

124 Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί διάφορες καινοτόµες µέθοδοι αποµάκρυνσης τοξικών µετάλλων από υγρά απόβλητα. Μεγαλύτερη όµως έµφαση έχει δοθεί στη χρησιµοποίηση βιολογικών προσροφητικών υλικών για την αποµάκρυνση ή/και την ανάκτηση των τοξικών µετάλλων. Η βιορροφητική αποµάκρυνση των µεταλλικών κατιόντων σχετίζεται µε την ύπαρξη στην επιφάνεια της βιοµάζας αρνητικά φορτισµένων οµάδων. Η τροποποίηση της επιφάνειας της βιοµάζας µε κατιονικές αµίνες οδήγησε στην αποµάκρυνση και των ανιόντων, όπως το As(V), εξαιτίας της εισαγωγής θετικών οµάδων στην επιφάνεια του προσροφητικού. Α. ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΑΡΣΕΝΙΚΟΥ(V) 1. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Η αποµάκρυνση των µεταλλικών κατιόντων εφαρµόζοντας διάφορα βιορροφητικά υλικά έχει µελετηθεί αρκετά, η αποµάκρυνση όµως των µεταλλικών ανιόντων αποτελεί σε σηµαντικό βαθµό ερευνητική πρόκληση. Όπως είναι γνωστό το φορτίο της επιφάνειας της βιοµάζας παρουσιάζει γενικά αρνητικές τιµές (Wase and Forster, 1997), οπότε είναι ιδιαίτερα δύσκολο να αποµακρυνθούν αρνητικά φορτισµένα µεταλλικά ιόντα, όπως είναι π.χ. το πεντασθενές αρσενικό. Η φυσική και χηµική προκατεργασία µε προσθήκη κατάλληλων αντιδραστηρίων έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνει την προσροφητική ικανότητα άλλων ροφητικών υλικών, π.χ. των ζεολίθων. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται η προσθήκη κατιονικών τασενεργών για τη διαφοροποίηση των επιφανειακών ιδιοτήτων των ζεολίθων, καθώς και άλλων φυσικών υλικών. Τα ιονανταλλάξιµα κατιόντα, όπως π.χ. νάτριο, κάλιο, ασβέστιο και µαγνήσιο, που βρίσκονται στη διεπιφάνεια των ζεολίθων, µπορούν να αντικατασταθούν από υψηλού µοριακού βάρους (κατιονικές) τεταρτοταγείς αµίνες. Οι συγκεκριµένες αµίνες βρέθηκε ότι ανταλλάσσονται ποσοτικά και µε (σχετικά) αντιστρεπτό τρόπο µε τα κατιόντα της επιφάνειας των ζεολίθων. Οι αµίνες είναι µεγάλα µόρια που µπορούν να εισέλθουν και στην εσωτερική πορώδη δοµή του στερεού, ενώ οι ιονανταλλακτικές θέσεις δυναµικά παραµένουν διαθέσιµες για προσρόφηση. 107

125 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Ένα γενικό µοντέλο της ρόφησης των ιονικών τασενεργών (όπως είναι οι τεταρτοταγείς αµίνες) σε στερεές επιφάνειες περιλαµβάνει το σχηµατισµό µονοστοιβάδας ή µικυλλίου στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού, διαµέσου ισχυρών δεσµών Coulomb (ιονικών) σε συγκεντρώσεις τασενεργούς ένωσης χαµηλότερες ή ίσες µε την κρίσιµη συγκέντρωση σχηµατισµού µικυλλίων. Εάν η συγκέντρωση του τασενεργούς είναι µεγαλύτερη από την κρίσιµη, τότε οι υδρόφοβες ουρές από τα µόρια του τασενεργούς συνδυάζονται µε το σχηµατισµό διπλοστοιβάδας (Haggerty and Bowman, 1994; Σχήµα 13). O σχηµατισµός της διπλοστοιβάδας διαφοροποιεί το φορτίο της διεπιφάνειας από αρνητικές σε θετικές τιµές. Η θετικά φορτισµένη επιφάνεια παρέχει θέσεις για αποµάκρυνση (προσρόφηση) των µεταλλικών ανιόντων. Σχήµα 13. Ηλεκτρική διπλοστοιβάδα στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού (Γιαννακουδάκης 1987). Γενικά, οι αµίνες θεωρούνται ως αλκυλοπαράγωγα της αµµωνίας και διακρίνονται σε πρωτοταγείς (RNH 2 ), δευτεροταγείς (R 1 R 2 NH), τριτοταγείς (R 1 R 2 R 3 N), τεταρτοταγείς (R 1 R 2 N + R 3 R 4 ), αλλά χρησιµοποιούνται συνήθως µε τη µορφή των αλάτων τους. Η δραστικότητα των αµινών επηρεάζεται από το µήκος της αλυσίδας τους, από τη θερµοκρασία και από τη φύση του προστιθέµενου αφριστικού. Οι αµίνες επηρεάζουν την επιφανειακή τάση µε τη µοριακή ή ιονική µορφή που βρίσκονται. Κεφάλαιο 1. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 108

126 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η δωδεκυλαµίνη (DA) αποτελεί τεταρτοταγή αµίνη µε αλκυλική αλυσίδα (C 12 H 25 NH 2 ) και χαρακτηρίζεται από µεγάλη υδροφοβία. Η επιλογή της δωδεκυλαµίνης έγινε στην περίπτωση αυτή γιατί πρόκειται για κατιονική ένωση που µπορεί εύκολα δεσµευτεί στην επιφάνεια της αρνητικά φορτισµένης βιοµάζας και στη συνέχεια, να βοηθήσει στην αποµάκρυνση της από το αιώρηµα µε επίπλευση, σε ένα επόµενο στάδιο εφαρµογής µεθόδου διαχωρισµού. Το εξαδεκυλ-τριµεθυλο-αµµώνιο (Hexadecyltrimethylammonium, HDTMA) είναι τεταρτοταγής αµίνη µε µεγάλη αλκυλική αλυσίαδα (C 16 ), που εξηγεί το µεγάλο βαθµό της υδροφοβίας της. Ο κατιονικός πολυηλεκτρολύτης Μagnafloc-463 (ex-allied Colloids, UK) χρησιµοποιείται συνήθως ως οργανικό κροκιδωτικό αντιδραστήριο των αιωρηµάτων κατά τη διάρκεια της επίπλευσης. Μετά από δοκιµές που έγιναν εφαρµόζοντας στη βιοµάζα Mycan διαφορετικής αρχικής συγκέντρωσης, το διάλυµα του τροποποιητή DA (10, 5, και 1 % w/v), παρατηρήθηκε µεγαλύτερη αποµάκρυνση µετάλλου για τη βιοµάζα που κατεργάστηκε µε διάλυµα 10 % DA. Χαρακτηριστικά αποτελέσµατα παρουσιάζονται στο Σχήµα 14, όπου παρατηρείται περίπου 70% αποµάκρυνση σε ph 4 µε βιοµάζα Mycan που τροποποιήθηκε µε διάλυµα DA 10 % w/v, ενώ η αποµάκρυνση του αρσενικού προσέγγισε το 50 και 30% µε διαλύµατα τροποποιητή συγκέντρωσης 5 και 1% w/v, αντίστοιχα. Οπότε, η συγκέντρωση 10% επιλέχθηκε για την κατεργασία της βιοµάζας µε την αµίνη αυτή. Στην περίπτωση της προσθήκης του κατιονικού πολυηλεκτρολύτη µόνον, επιλέχθηκε η συγκέντρωση του 1% w/v, µετά από κατάλληλες δοκιµές, αλλά και για τον καλύτερο χειρισµό της βιοµάζας. Κεφάλαιο 1. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 109

127 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ DA 10% DA 5% DA 1% ph Σχήµα 14. Επίδραση της συγκέντρωσης του τροποποιητή στην αποµάκρυνση του As(V). Συνθήκες πειράµατος: [As] o : 5 mg L - 1, [βιοµάζα]: 1 g L -1, t: 1 h, T: 20 o C. Κεφάλαιο 1. ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 110

128 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 2.1. Μετρήσεις ζ-δυναµικού Η επίδραση των διαφόρων αντιδραστηρίων στη συµπεριφορά της βιοµάζας Mycan σε συνδυασµό µε τις τιµές ζ-δυναµικού δίνονται στο Σχήµα 15. Γενικά, το ζ- δυναµικό δίνει γενικές πληροφορίες για το συνολικό επιφανειακό φορτίο του κυτταρικού τοιχώµατος. Το κυτταρικό τοίχωµα των Gram+ µικροοργανισµών, όπως είναι η βιοµάζα Mycan, αποτελείται κυρίως από πολυµερή, στα οποία είναι συνδεδεµένες διάφορες όξινες οµάδες, που είναι δυνατό να αποπρωτονιωθούν, όταν η τιµή του ph του αιωρήµατος της βιοµάζας αυξηθεί. Σε τιµές ph µεταξύ 3 και 10 απελευθερώνονται πρωτόνια από τη διάσταση των φωσφορικών και υδροξυλο-οµάδων, οπότε η βιοµάζα παρουσιάζει αρνητικές τιµές ζ-δυναµικού, δηλαδή αρνητικές τιµές επιφανειακού φορτίου ακόµη και σε τιµές ph 2 και 3 (Matis and Zouboulis, 1998). H κατεργασία όµως της βιοµάζας µε προσθήκη αµινών και κατιονικού πολυηλεκτρολύτη είναι δυνατό να οδηγήσει σε µερική εξουδετέρωση των αρνητικών φορτισµένων οµάδων του κυτταρικού τοιχώµατος µετά από τη σύνδεση τους µε θετικά φορτισµένες οµάδες. Έτσι, παρατηρείται µείωση του αρνητικού φορτίου της βιοµάζας ή και εµφάνιση θετικών τιµών του ζ-δυναµικού. Η επεξεργασία της βιοµάζας µε HDTMA-Br (10%), DA (10%) και MAGNAFLOC-453 (1%) συνεπάγεται την εισαγωγή στην κυτταρική επιφάνεια θετικών οµάδων και τη βελτίωση της % αποµάκρυνσης του As(V). Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 111

129 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Mycan DA-Mycan HDTMA-Mycan Magnafloc-Mycan ph Σχήµα 15. Επίδραση της τροποποίησης και της τιµής του ph στο ζ-δυναµικό της βιοµάζας Επιφανειακή τιτλοδότηση της βιοµάζας Mε σκοπό την εύρεση του αριθµού των επιφανειακών οµάδων της βιοµάζας και των χαρακτηριστικών σταθερών pk a αυτών, η βιοµάζα τιτλοδοτήθηκε µε διάλυµα NaOH 0.1 Μ µε ταυτόχρονη παρακολούθηση των τιµών του ph και της αγωγιµότητας. Από τα δεδοµένα της τιτλοδότησης είναι δυνατό να εκτιµηθούν ποιοτικά και ηµι-ποσοτικά η φύση και ο αριθµός των όξινων οµάδων του κυτταρικού τοιχώµατος (Davis et al., 2000). Στο σχήµα 16 δίνεται η πεχαµετρική και η αγωγιµοµετρική καµπύλη τιτλοδότησης για τη βιοµάζα Mycan. Η πεχαµετρικήκαµπύλη της βιοµάζας Mycan εµφανίζει σηµείο καµπής σε ph ~4.35 και ph~7.9, που αντιστοιχούν σε pk a δύο όξινων οµάδων. Στην αρχή της τιτλοδότησης, η ειδική αγωγιµότητα µειώνεται ισχυρά, κάτι που οφείλεται στην εξουδετέρωση των ελεύθερων πρωτωνίων από τις ισχυρά όξινες Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 112

130 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ οµάδες (καρβοξυλικές οµάδες). Η εξουδετέρωση των ασθενών όξινων οµάδων χαρακτηρίζεται από µία απότοµη αύξηση στην αγωγιµότητα του αιωρήµατος. Ο ολικός αριθµός της ισχυρής βάσης που χρησιµοποιείται για την τιτλοδότηση αντιστοιχεί στον ολικό αριθµό των επιφανειακών οµάδων για τη συγκεκριµένη ποσότητα βιοµάζας. Η δεύτερη παράγωγος της αγωγιµοµετρικής καµπύλης παρουσιάζει δύο µέγιστα στα 2 ml και 3.9 ml. Το πρώτο µέγιστο χαρακτηρίζει τις ισχυρότερα όξινες οµάδες και από τον όγκο της βάσης που καταναλώθηκε µέχρι το σηµείο αυτό εκτιµάται η συγκέντρωση αυτών των οµάδων. Το δεύτερο µέγιστο αντιστοιχεί στις ασθενέστερα όξινες οµάδες. Έτσι, η συγκέντρωση των ισχυρά όξινων οµάδων είναι της τάξης των 2 meq g -1, ενώ των ασθενέστερα όξινων οµάδων είναι 1.9 meq g -1 και οι αντίστοιχες σταθερές pk a είναι 4.35 (που αντιστοιχεί στην ύπαρξη των καρβοξυλικών οµάδων) και 7.9 (που αντιστοιχεί στην ύπαρξη των φωσφορικών οµάδων). ph ph Con (µs/cm) ml NaOH Cond (µs cm-1) Σχήµα 16. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της βιοµάζας Mycan. Oι αντίστοιχες καµπύλες για τις τροποποιηµένες βιοµάζες είναι αρκετά διαφορετικές, ως αποτέλεσµα της τροποποίησης της βιοµάζας. Έτσι, παρατηρείται ότι η πεχαµετρική-καµπύλη της κατεργασµένης µε DA-Mycan εµφανίζει σηµείο καµπής σε ph ~4.95 και ph~7.75, που αντιστοιχούν σε pk a δύο όξινων οµάδων (Σχήµα 17). Η αγωγιµοµετρική καµπύλη παρουσιάζει δύο µέγιστα στα 1.7 ml και 5.5 ml. Η συγκέντρωση των ισχυρά όξινων οµάδων είναι της τάξης των 1.7 meq g -1, ενώ Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 113

131 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ των ασθενέστερα όξινων οµάδων είναι 3.8 meq g -1 και οι αντίστοιχες σταθερές pk a είναι 4.95, που αντιστοιχεί στην ύπαρξη καρβοξυλικών οµάδων, και 7.75, που αντιστοιχεί στην ύπαρξη φωσφορικών οµάδων ph ph Con (µs/cm) Cond (µs cm-1) ml NaOH Σχήµα 17. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της κατεργασµένης µε DA-Mycan. Η πεχαµετρική καµπύλη της βιοµάζας HDTMA-Mycan εµφανίζεται περισσότερο πολύπλοκη από τις υπόλοιπες. Έτσι, παρατηρούνται τέσσερα σηµεία καµπής σε ph ~5.2, 6.5, 7.4 και ph~9. Η αγωγιµοµετρική καµπύλη παρουσιάζει αντίστοιχα τέσσερα µέγιστα στα 1.30, 2, 5.3 ml και 7.8 ml. H συγκέντρωση των ισχυρά όξινων οµάδων είναι της τάξης των 1.3 meq g -1, ενώ των ασθενέστερα όξινων οµάδων είναι 0.7 meq g -1, 3.3 και 2.5 meq g -1, όπως προκύπτει από την αγωγιµοµετρική καµπύλη και οι αντίστοιχες σταθερές pk a είναι 5.2, 6.5, 7.4 και 9, που δηλώνουν την ύπαρξη καρβοξυλικών, φωσφορικών και αµινο-οµάδων (Lin and Rayson, 1998). Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 114

132 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ph ph Con (µs/cm) Cond (µs cm-1) ml NaOH 900 Σχήµα 18. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της κατεργασµένης µε ΗDΤΜA-Mycan. Στην πεχαµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της βιοµάζας Magnafloc-Mycan ξεχωρίζουν τα σηµεία καµπής σε ph ~3.67, 5.39, 7.42 και ph~ Η αγωγιµοµετρική καµπύλη παρουσιάζει µέγιστα στα 4.8, 9.7, 13.9 ml και 18.7 ml. Έτσι, η συγκέντρωση των ισχυρά όξινων οµάδων είναι της τάξης των 4.8 meq g -1, ενώ των ασθενέστερα όξινων οµάδων είναι 4.9 meq g -1, 4.2 και 4.8 meq g -1 και οι αντίστοιχες σταθερές pk a δηλώνουν την ύπαρξη καρβοξυλικών οµάδων (pk a 3-5), φωσφορικών (pk a 7) και αµινοµάδων (pk a 10) (Lin and Rayson, 1998). Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 115

133 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ph ph Con (µs/cm) Cond (µs cm-1) ml NaOH 0 Σχήµα 19. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της κατεργασµένης µε Magnafloc-Mycan Προσδιορισµός της συγκέντρωσης των αλκαλικών µετάλλων και των αλκαλικών γαιών Με σκοπό την επιφανειακή µελέτη της βιοµάζας πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα προσδιορισµού των θεωρούµενων ελαφριών µετάλλων, δηλαδή αλκαλιµετάλλων και αλκαλικών γαιών (Νa +, K +, Ca 2+ και Mg 2+, Πίνακας 10). Tα συγκεκριµένα µέταλλα θεωρείται ότι ανταλλάσσονται αρκετά εύκολα µε άλλα τοξικά µέταλλα. Το ολικό ιονικό περιεχόµενο για τα δείγµατα βιοµάζας ΗDΤΜA/Mycan, DA/Mycan και Magnafloc/Mycan είναι 0.57, 0.45 και 0.51 meq/g, αντίστοιχα. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι οι παραπάνω τιµές αποτελούν προσεγγιστικό µέτρο της ιονανταλλακτικής χωρητικότητας των χρησιµοποιούµενων βιοµαζών (Pagnanelli et al., 2000). Η κατιονική ιονανταλλακτική χωρητικότητα αναφέρεται στη συγκέντρωση των ευκόλως ανταλλάξιµων κατιόντων στην επιφάνεια του υλικού και συχνά χρησιµοποιείται ως δείκτης της συγγένειας του υλικού για δέσµευση µετάλλων (Ledin, 2002). Από τον πίνακα 10 προκύπτει ότι το K + και το Mg 2+ βρίσκονται σε µεγαλύτερες ποσότητες σχετικά µε το Νa + και το Ca 2+. Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 116

134 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 10. Περιεκτικότητα των αλκαλικών µετάλλων και αλκαλικών γαιών στα διάφορα είδη βιοµάζας (ως meq ιόντος/g του προσροφητικού υλικού). Βιοµάζα Magnafloc-Mycan DA-Mycan HDTMA-Mycan Mycan Αριθµός Πλύσεων Ολικό ιονικό περιεχόµενο (meq/g) Ολικό ιονικό περιεχόµενο (meq/g) Ολικό ιονικό περιεχόµενο (meq/g) Ολικό ιονικό περιεχόµενο (meq/g) Νa + (mg L -1 ) K + Ca 2+ Mg 2+ (mg L -1 ) (mg L -1 ) (mg L -1 ) Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 117

135 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 2.3. Φάσµατα FTIR Το αποτέλεσµα της τροποποίησης της βιοµάζας µε την εφαρµογή των διαφόρων αντιδραστηρίων φαίνεται και από τα φάσµατα FTIR της ακατέργαστης και της κατεργασµένης βιοµάζας. Γενικά, στα φάσµατα αποτυπώνεται η πολυπλοκότητα της χηµικής σύστασης της βιοµάζας, αφού διακρίνονται απορροφήσεις σε όλα σχεδόν τα µήκη κύµατος. Παρατηρείται επίσης µία αλληλοεπικάλυψη γειτονικών κορυφών, οι οποίες βρίσκονται πολύ κοντά, κυρίως στην περιοχή cm -1. Ωστόσο, από το σχήµα 20διακρίνονται το ευρύ σηµείο καµπής στα cm -1, που δηλώνει την ύπαρξη αµινών και δεσµευµένων οµάδων ΟΗ, καθώς και το σηµείο καµπής στα 2925,1 cm -1 που οφείλεται σε αλειφατικούς δεσµούς C-H (λιπαρά οξέα). Το σηµείο καµπής στα cm -1 προκύπτει από δεσµούς CO που είναι ενωµένοι µε δεσµούς ΝΗ, απορρόφηση που είναι χαρακτηριστική για πρωτοταγή αµίδια (αµίδια-1). Σχήµα 20. Φάσµα FTIR της ακατέργαστης βιοµάζας Mycan σε ph 6. Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 118

136 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Οι κορυφές στα οφείλονται στην παρουσία δευτεροταγών αµιδίων και προκύπτει από την µετατροπή του ΝΗ σε C=N, ενώ το σηµείο καµπής στα cm -1 φαίνεται η ύπαρξη τριτοταγών αµιδίων ή σουλφαµιδίου. Γενικά, αµίδια1-3 έχουν παρατηρηθεί και σε µύκητες, όπως Aspergillus, Mucor (Kapoor and Viraraghavan, 1997). H παρουσία φωσφορικών οµάδων διακρίνεται από µερικές χαρακτηριστικές κορυφές, όπως ο δεσµός P=O στα 1150 cm -1, ο δεσµός P-OH στα cm -1 και ο δεσµός P-O-C από τις κορυφές στην περιοχή cm -1. Τα φάσµατα των κατεργασµένων µε DA, HDTMA και Magnafloc δίνονται στα σχήµατα 21, 22, και 23, αντίστοιχα. Τα συγκεκριµένα φάσµατα έχουν παρόµοιες κορυφές µε το αντίστοιχο φάσµα της ακατέργαστης βιοµάζας, παρουσιάζουν όµως και χαρακτηριστικές διαφορές, που οφείλονται στο είδος της κατεργασίας, που έχουν υποστεί και την εισαγωγή αµινοοµάδων στην επιφάνειά τους. Ανιχνεύονται κυρίως καρβοξυλικές και φωσφορικές οµάδες. Έτσι, το φάσµα της βιοµάζας Mycan-DA παρουσιάζει χαρακτηριστική κορυφή στα 966 cm -1 (ευρεία κορυφή, δονήσεις κάµψης C-N), στα 912 cm -1 (ευρεία κορυφή, C-N + ), έντονη κορυφή στα 1488 cm -1 (C-N) και ένα σηµείο καµπής cm -1, ενώ το φάσµα της βιοµάζας Mycan-HDTMA παρουσιάζει τις παραπάνω κορυφές µετατοπισµένες προς µεγαλύτερες τιµές απορρόφησης. Η δόνηση στρέψης C-N φαίνεται στα 975 cm -1, στα 912 cm -1 (ευρεία κορυφή, C-N + ), έντονη κορυφή στα 1488 cm -1 (C-N). Εξάλλου, ανιχνεύεται µία ευρεία κορυφή στην περιοχή cm -1, που χαρακτηρίζουν πρωτοταγή και δευτεροταγή αµίδια (δόνηση παραµόρφωσης του N + -H 3, δεσµός NH 2, C=O, C=N). Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 119

137 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Σχήµα 21. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης µε DA-Mycan σε ph 6. Σχήµα. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης µε ΗDΤΜA Mycan σε φυσικό ph. Σχήµα 22. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης µε ΗDΤΜA-Mycan σε ph 6. Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 120

138 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Στο φάσµα της βιοµάζας που έχει κατεργαστεί µε Magnafloc προκύπτει φάσµα λιγότερο περίπλοκο µε χαρακτηριστικές κορυφές στα 3430 cm -1, που οφείλεται σε δεσµούς ΝΗ 2. Οι δεσµοί C-Η σε CΗ 2 και CΗ 3 οµάδες δίνουν ασθενείς απορροφήσεις στα 1458 cm -1., ενώ οι καρβονυλικές οµάδες απορροφούν ισχυρά στα 1038,2 cm -1, απορρόφηση η οποία όµως µπορεί να οφείλεται και σε οµάδες PO 2 (προερχόµενες από τις φωσφορικές οµάδες). Παρατηρούνται επίσης πολλές κορυφές στην περιοχή των cm -1, που οφείλονται στην παρουσία φωσφορικών οµάδων. Σχήµα 23. Φάσµα FTIR της κατεργασµένης µε Μagnafloc-Mycan σε ph 6. Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 121

139 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 2.5. Φωτογραφίες της βιοµάζας από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο Με σκοπό την περαιτέρω ανάλυση της επιφάνειας της βιοµάζας ελήφθησαν φωτογραφίες µε το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης JEOL JSM-840A, οι οποίες δίνονται στο σχήµα 24. b α b β d γ δ Σχήµα 24. Φωτογραφίες της βιοµάζας (α) Mycan και των τροποποιηµένων βιοµαζών: (β) Magnafloc-Mycan, (γ) HDTMA-Mycan και (δ) DA -Mycan Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 122

140 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Από τις φωτογραφίες του σχήµατος 24 των διαφορετικών βιοµαζών παρατηρείται η τυπική δοµή του µύκητα µε ινώδη µορφή του κυτταρικού τοιχώµατος, η οποία σχηµατίζει µία αρκετά δικτυωµένη δοµή σαν πλέγµα. Ωστόσο, η ακατέργαστη βιοµάζα διακρίνεται από λεία επιφάνεια µε λίγα κανάλια/κενά. Οι τροποποιηµένες βιοµάζες παρουσιάζουν πορώδη επιφάνεια µε πολλά κανάλια/κενά, καθώς οι τροποποιητές προσκολλούνται στην επιφάνεια. Το µέγεθος των πόρων και οι διαφορετικές διαµορφώσεις των τροποποιηµένων βιοµαζών οφείλονται στην εισαγωγή των αµινών στην επιφάνεια των βιοµαζών. Κεφάλαιο 2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ 123

141 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΤΟΥ As(V) ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΡΟΠΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΒΙΟΜΑΖΑΣ Η επίδραση των διαφόρων αντιδραστηρίων µε τα οποία προκατεργάστηκε η βιοµάζα στην αποµάκρυνση του αρσενικού, φαίνεται στο Σχήµα 25. Η βιορρόφηση του As επηρεάζεται σηµαντικά από την τιµή του ph του διαλύµατος. Με αύξηση της τιµής του ph από 3 σε 9, η αποµάκρυνση του αρσενικού µειώνεται από 80% σε 35% όταν χρησιµοποιείται η βιοµάζα Magnafloc-Mycan, ενώ η µεταβολή της τιµής του ph δεν επηρεάζει τόσο έντονα την αποµάκρυνση του As, όταν χρησιµοποιούνται οι άλλες δύο βιοµάζες. Όπως προκύπτει από τα αντίστοιχα διαγράµµατα του ζ- δυναµικού (Σχήµα 15) σε µικρές τιµές ph (όξινες), το επιφανειακό φορτίο των τροποποιηµένων βιοµαζών παρουσιάζει χαµηλές αρνητικές τιµές ή ακόµη και θετικές τιµές, όπως παρατηρείται για την περίπτωση της HDTMA-Mycan. Εξάλλου όπως φαίνεται από το Σχήµα 4, το As(V) σε ph 3 κυριαρχεί µε τη µορφή των αρσενικικών, AsO 3-4. Γενικά, η µεταβολή της τιµής του ph επηρεάζει τη χηµική σύσταση των επιφανειακών οµάδων της βιοµάζας (καρβοξυλικών, φωσφορικών οµάδων), που προσφέρουν τις θέσεις δέσµευσης για τα ιόντα των µετάλλων, καθιστώντας ευκολότερη τη µεταφορά των ιόντων στο εσωτερικό του κυττάρου. Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 124

142 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Mycan Da-Mycan HDTMA-Mycan Magnafloc-Mycan ph Σχήµα 25. Επίδραση των τιµών του ph στην αποµάκρυνση του αρσενικού. Συνθήκες πειράµατος: [As] o : 5 mg L - 1, [βιοµάζα]: 1 g L -1, t: 1h, T: 20 o C Με στόχο τον προσδιορισµό του αναγκαίου χρόνου επαφής της βιοµάζας µε το διάλυµα του µεταλλοειδούς, ώστε η αποµάκρυνσή του να είναι η µέγιστη για τις συνθήκες του πειράµατος, εξετάστηκε η βιορρόφηση σε συνάρτηση µε διαφορετικούς χρόνους επαφής της βιοµάζας HDTMA-Mycan µε αυτό. Στο Σχήµα 26 φαίνεται η επίδραση του χρόνου επαφής (προσρόφησης) στην % αποµάκρυνση του αρσενικού. Η βιορρόφηση του As(V) φαίνεται να είναι ταχύτατη διεργασία, αφού το 60% του µεταλλοειδούς αποµακρύνεται µετά από 10 min µε τη χρησιµοποίηση βιοµάζας τροποποιηµένης µε αµίνη HDTMA (10%), σε τιµή ph 3, ενώ το σύστηµα φθάνει σε ισορροπία σε 30 min. Έτσι, στα επόµενα πειράµατα βιορρόφησης, επιλέχθηκε ο χρόνος των 30 min ως ικανοποιητικός, ώστε το σύστηµα να ισορροπήσει και να µελετηθούν οι διαφορετικές πειραµατικές συνθήκες. Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 125

143 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ t (min) Σχήµα 26. Επίδραση του χρόνου βιορρόφησης στην αποµάκρυνση του As(V) µε εφαρµογή της βιοµάζας HDTMA-Mycan. Συνθήκες πειράµατος: [As] o : 5 mg L -1, [βιοµάζα]: 1 g L -1,pH: 3, T: 20 o C Μελέτη της επίδρασης της τροποποίησης της βιοµάζας στη βιορρόφηση του As(V) Οι ισόθερµες βιορρόφησης As(V) από τις βιοµάζες DA-Mycan, HDTMA/Mycan, και Magnafloc-Mycan σε ph 3 φαίνονται στο Σχήµα 27. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι τρεις κατεργασµένες βιοµάζες παρουσιάζουν παρόµοια συµπεριφορά. Ετσι, αυξάνοντας την αρχική συγκέντρωση του As µέχρι περίπου τα 40 mg L -1, η δέσµευση του µεταλλοειδούς αυξάνεται, ενώ σε ακόµη µεγαλύτερες αρχικές συγκεντρώσεις του As, η δέσµευση είναι σχεδόν σταθερή και οι σχετικές καµπύλες προσρόφησης φθάνουν σε ισορροπία. Ωστόσο, παρατηρείται διαφορά στη µέγιστη συγκέντρωση του µεταλλοειδούς που δεσµεύεται από τις διαφορετικές βιοµάζες. Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 126

144 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ph: DA-Mycan HDTMA-Mycan Magnafloc-Mycan Ceq (mg L -1 ) Σχήµα 27. Ισόθερµες βιορρόφησης του As από τις κατεργασµένες βιοµάζες. (Ποσότητα βιοµάζας: 1 g L -1, σε ph 3 και θερµοκρασία: 20±2 o C). Γενικά οι ισόθερµες ισορροπίας χαρακτηρίζονται από συγκεκριµένες σταθερές, των οποίων οι τιµές αναφέρονται στις ιδιότητες της διεπιφάνειας και τη συγγένεια του βιορροφητικού µε το προς αποµάκρυνση µεταλλοειδές και χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό της βιορροφητικής χωρητικότητας. Έτσι, η σταθερά q max, που προκύπτει από την ισόθερµη Langmuir αποτελεί δείκτη της ροφητικής χωρητικότητας, όταν η διεπιφάνεια είναι κορεσµένη µε ιόντα αρσενικού. ηλαδή το q max αποτελεί τη µέγιστη τιµή του q eq. Όσο υψηλότερες είναι οι τιµές της σταθεράς b, τόσο µεγαλύτερη είναι η επιφανειακή κάλυψη σε συγκεκριµένη θερµοκρασία και συγκεκριµένη συγκέντρωση C eq. Τα αποτελέσµατα από το συσχετισµό των πειραµατικών αποτελεσµάτων µετά από την εφαρµογή του µοντέλου Langmuir και Freundlich δίνονται στον πίνακα 11. Θα πρέπει να σηµειωθεί, ότι από το συσχετισµό των αποτελεσµάτων µε το µοντέλο Freundlich, προέκυψαν αποτελέσµατα που δεν ήταν ικανοποιητικά, αφού οι συντελεστές συσχέτισης ήταν µικρότεροι από 0.9. Το γεγονός αυτό οφείλεται στις παραδοχές που γίνονται κατά την εφαρµογή των δύο µοντέλων. Έτσι, το µοντέλο Langmuir προϋποθέτει το σχηµατισµό µονοµοριακού επιπέδου και ότι η θερµότητα Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 127

145 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ της προσρόφησης είναι ανεξάρτητη από την επιφανειακή κάλυψη, όταν η επιφάνεια του στερεού φθάνει σε ισσοροπία. Το µοντέλο Freundlich, από την άλλη µεριά, παραδέχεται το σχηµατισµό δοµής πολυµοριακού επιπέδου, ενώ η επιφανειακή κάλυψη θεωρείται µαθηµατικά απεριόριστη. Το µοντέλο Freundlich παρουσιάζει µεγαλύτερη ευελιξία, οπότε προσοµοιάζει τα πειραµατικά δεδοµένα για ένα σηµαντικό διάστηµα συγκεντρώσεων µε µεγαλύτερο βαθµό ακρίβειας από ότι το µοντέλο Langmuir. Πίνακας 11. Σταθερές της εξίσωσης Langmuir και Freundlich από τις κατεργασµένες βιοµάζες. Βιοµάζα Ισόθερµη Freundlich q eq = K f C eq 1/n Ισόθερµη Langmuir q eq = q max bc eq / (1+bC eq ) K f (L g -1 ) n r 2 q max b (mg g -1 ) (L mg -1 ) HDTMA Mycan Magnafloc Mycan - DA-Mycan Mycan r 2 Η µεγαλύτερη βιορροφητική χωρητικότητα προέκυψε για τη βιοµάζα HDTMA- Mycan και είναι ίση µε mg g -1, ενώ για τη βιοµάζα Magnafloc-Mycan και την DA-Mycan η βιορροφητική χωρητικότητα προσέγγισε τα και mg g -1, αντίστοιχα. Οι τιµές αυτές είναι συγκρίσιµες µε αντίστοιχα βιβλιογραφικά δεδοµένα, που αφορούν την προσρόφηση As(V) µε εφαρµογή διαφόρων προσροφητικών υλικών. Ωστόσο, η ποσότητα του As(V) όµως που προσροφάται από τη βιοµάζα Mycan είναι ιδιαίτερα µικρή (αποµάκρυνση του µεταλλοειδούς ήταν ~10%) σε ph 3 και σε θερµοκρασία 20 o και τα δεδοµένα ισορροπίας δεν προσαρµόζονται σε κανένα από τα µοντέλα προσρόφησης (ισόθερµες). Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 128

146 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 12. Αποµάκρυνση As(V) από νερό εφαρµόζοντας συµβατικά προσροφητικά Προσροφητικό ph Ροφητική ικανότητα Παραποµπή q max Bωξίτης Altundoğan et al., 2002 Ενεργοποιηµένος βωξίτης Altundoğan et al., 2002 Ενεργοποιηµένη χητίνη Dambies et al., 2002 Ιπτάµενη τέφρα Pattanayak et al., 2000 Ιπτάµενη τέφρα Diamantopoulos et al., 1993 Υδροταλκίτης Lazaridis et al., 2001 Ενεργοποιηµένη αλούµινα Jun-Kun and Tsair- Fuh, Μελέτη της επίδρασης της τιµής του ph στη βιορρόφηση του As(V) Στη συνέχεια, εξετάστηκε η επίδραση της τιµής του ph στη βιορρόφηση του As(V) χρησιµοποιώντας τις τροποποιηµένες βιοµάζες. Έτσι, σε πειράµατα βιορρόφησης η αρχική συγκέντρωση του µετάλλου µεταβάλλεται από 1 έως 250 mg L -1, καθώς η ποσότητα της βιοµάζας παραµένει σταθερή στο 1 g L -1. Στα διαγράµµατα q συναρτήσει του C eq φαίνεται η εφαρµογή του µοντέλου Langmuir για τις τροποποιηµένες βιοµάζες (Σχήµατα 28, 29, 30). Παρατηρείται ότι όλες οι καµπύλες ακολουθούν την ίδια τάση, οπότε αυξάνοντας την αρχική συγκέντρωση του As(V) µέχρι περίπου τα 50 mg L -1 για τη βιοµάζα DA-Mycan, 100 mg L -1 για τη βιοµάζα HDTMA-Mycan και 80 mg L -1 για τη βιοµάζα Magnafloc-Mycan, η δέσµευση του Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 129

147 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ µετάλλου αυξάνεται, ενώ σε ακόµη µεγαλύτερες αρχικές συγκεντρώσεις του As(V), η δέσµευση είναι σχεδόν σταθερή και η καµπύλη φθάνει σε κατάσταση ισορροπίας ph:4 ph:3 ph: C (mg L -1 ) eq Σχήµα 28. Ισόθερµες βιορρόφησης του As(V) από τη βιοµάζα DA-Mycan. (Ποσότητα βιοµάζας: 1 g L -1, σε ph και θερµοκρασία: 20±2 o C). Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 130

148 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ph:3 ph:4 ph: C eq (mg L -1 ) Σχήµα 29. Ισόθερµες βιορρόφησης του As(V) από τη βιοµάζα HDTMA-Mycan. (Ποσότητα βιοµάζας: 1 g L -1 και θερµοκρασία: 20±2 o C) ph 3 ph 4 ph C eq (mg L -1 ) Σχήµα 30. Ισόθερµες βιορρόφησης του As(V) από τη βιοµάζα Magnafloc-Mycan. (Ποσότητα βιοµάζας: 1 g L -1 και θερµοκρασία: 20±2 o C). Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 131

149 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Οι σταθερές προσρόφησης που υπολογίζονται µετά την εφαρµογή των εξισώσεων Langmuir και Freundlich δίνονται στον πίνακα 13. Σε όλες τις τιµές του ph, το q eq βρέθηκε να έχει τιµές µικρότερες από το q max, κάτι που δηλώνει ότι η ρόφηση του µεταλλοειδούς από τη βιοµάζα αποτελεί ρόφηση µονοµοριακού τύπου, κατά την οποία η επιφάνεια του µικροοργανισµού δεν υφίσταται κορεσµό. Η µεγαλύτερη τιµή του q max βρέθηκε να είναι ίση µε mg g -1 για τη βιοµάζα HDTMA-Mycan σε ph 3. Εξάλλου, η µεγαλύτερη τιµή της σταθεράς b (0.10 L mg -1 ) βρέθηκε για την αποµάκρυνση του As(V) από τη βιοµάζα DA-Mycan, παρατήρηση που δηλώνει αρκετά δυνατό δεσµό µεταξύ As(V)-βιοµάζας DA-Mycan. Προκύπτει ακόµη ότι η αύξηση της τιµής του ph µειώνει την τιµή της µέγιστης χωρητικότητας της βιοµάζας. Έτσι, παρατηρείται για τη βιοµάζα DA-Mycan ελάττωση της µέγιστης χωρητικότητας σε σχέση µε αυτήν που προκύπτει σε τιµή ph 3, κατά 47% σε τιµή ph 4 και κατά 77% σε τιµή ph 7, ενώ για τη βιοµάζα HDTMA-Mycan και τη Magnafloc-Mycan η ελάττωση στη χωρητικότητα κυµάνθηκε στο 40-42% και κατά 45-47% σε τιµή ph 4, αντίστοιχα. Οι τιµές των σταθερών της εξίσωσης Freundlich (K f και 1/n ) και οι συντελεστές συσχέτισης δίνονται στον πίνακα 13. Οι σταθερές αυτές χαρακτηρίζουν τη ροφητική ικανότητα του υλικού καθώς και την κατανοµή των δεσµών στην επιφάνεια του στερεού. Οι δυνάµεις στην επιφανειακή στοιβάδα είναι ελκτικές όταν η σταθερά n έχει τιµές µεγαλύτερες από τη µονάδα και απωστικές όταν η σταθερά παίρνει τιµές µικρότερες από τη µονάδα. Όσο οι τιµές της σταθεράς προσεγγίζουν το µηδέν, τόσο πιο ετερογενές είναι το σύστηµα (Săg and Kutsal, 1995). Εξάλλου, η τιµή της σταθεράς n εξαρτάται από την τιµή της K f και παρατηρείται αύξηση των τιµών του n µε την αύξηση της σταθεράς K f. Η υψηλότερη τιµή της ροφητικής χωρητικότητας K f (9.85) βρέθηκε για την προσρόφηση του As(V) από τη βιοµάζα HDTMA-Mycan σε ph 4 και θερµοκρασία 20 o C. Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 132

150 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 13. Σταθερές των εξισώσεων Langmuir και Freundlich των τροποποιηµένων βιοµαζών σε θερµοκρασία 20 o C και διαφορετικές τιµές ph. Βιοµάζα Mycan- DA Mycan- HDTMA Mycan- Magnafloc- ph Ισόθερµη Freundlich Ισόθερµη Langmuir 1/n q eq = K f C eq q eq = q max bc eq / (1+bC eq ) K f (L g -1 ) n r 2 q max b (mg g -1 ) (L mg -1 ) r Μελέτη της επίδρασης της θερµοκρασίας στη βιορρόφηση του As(V) Η µεταβολή της θερµοκρασίας του υδατικού διαλύµατος του As(V) αποτελεί σηµαντικό παράγοντα που θα µπορούσε να επιφέρει σηµαντικές µεταβολές στη φυσικοχηµική δοµή του βιορροφητικού υλικού, µε αποτέλεσµα την αύξηση ή τη µείωση των θέσεων δέσµευσης του µετάλλου. Οι ισόθερµες βιορρόφησης του As(V) από τη βιοµάζα HDTMA-Mycan που πραγµατοποιήθηκαν σε τρεις διαφορετικές θερµοκρασίες (στους 20, 30 και 40 o C) έδειξαν ότι η βιορρόφηση ακολουθεί καλύτερα το µοντέλο Langmuir (Σχήµα 31) και στις τρεις θερµοκρασίες, ενώ η αύξηση στη θερµοκρασία επηρεάζει θετικά τη βιορρόφηση (αν και σε µικρό σχετικά βαθµό), µε αποτέλεσµα την αύξηση της µέγιστης χωρητικότητας. Η βιορροφητική χωρητικότητα της βιοµάζας HDTMA-Mycan αυξάνεται από mg g -1 σε mg g -1 για Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 133

151 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ θερµοκρασία 30 o C και mg g -1 για θερµοκρασία 40 o C. Εξάλλου, η σταθερά b αυξάνει µε αύξηση της θερµοκρασίας από έως T:20 T:30 T: C eq (mg L -1 ) Σχήµα 31. Ισόθερµες βιορρόφησης του As(V) από τη βιοµάζα ΗDΤΜA-Mycan. (Ποσότητα βιοµάζας: 1 g L -1, σε ph 3 και θερµοκρασίες: 20, 30 και 40 o C). Ακόµη, υπολογίστηκαν οι αντίστοιχες προσροφητικές σταθερές µε την εφαρµογή της ισόθερµης Freundlich, οι οποίες δίνονται στον Πίνακα 14. Η σταθερά K f αποτελεί µία ένδειξη της βιορροφητικής χωρητικότητας του βιοϋλικού, ενώ η σταθερά 1/n εκφράζει το αποτέλεσµα της συγκέντρωσης στη ρόφηση και αποτελεί δείκτη της έντασης της ρόφησης. Οι τιµές της σταθεράς n είναι µεγαλύτερες από τη µονάδα οπότε οι δυνάµεις στην επιφανειακή στοιβάδα είναι απωστικές. Σε υψηλές τιµές Κ f, q eq και αρχικών συγκεντρώσεων αρσενικού, οι απωστικές δυνάµεις γίνονται περισσότερο αποτελεσµατικές (Săg and Kutsal, 1995). Η υψηλότερη τιµή Κ f (6.82) βρέθηκε για την προσρόφηση του As(V) από τη βιοµάζα HDTMA-Mycan σε ph 3 και θερµοκρασία 40 o C, ενώ η αντίσοιχη τιµή είναι n βρέθηκε ίση µε Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 134

152 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 14. Σταθερές των εξισώσεων Langmuir και Freundlich των τροποποιηµένων βιοµαζών σε ph 3 και διαφορετικές θερµοκρασίες. Βιοµάζα Mycan- DA Mycan- HDTMA Τ o C Ισόθερµη Freundlich Ισόθερµη Langmuir 1/n q eq = K f C eq q eq = q max bc eq / (1+bC eq ) K f (L g -1 ) n r 2 q max b (mg g -1 ) (L mg -1 ) r 2 Γενικά, οι αντιδράσεις φυσικής προσρόφησης είναι φυσιολογικά εξώθερµες, οπότε η έκταση της προσρόφησης αυξάνεται µε την ελάττωση της θερµοκρασίας. Όµως, αν πρόκειται για χηµικό φαινόµενο η έκταση της προσρόφησης θα αυξάνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας (ενδόθερµο φαινόµενο) Υπολογισµός των θερµοδυναµικών παραµέτρων Η προσρόφηση των ιόντων του αρσενικού µπορεί να θεωρηθεί ότι ακολουθεί την παρακάτω αντιστρεπτή διεργασία που αντιπροσοπεύει µία ετερογενή ισορροπία: Ιόντα Αρσενικού στο διάλυµα Ιόντα αρσενικού-βιορροφητικό Υλικό Τότε η φαινόµενη σταθερά ισορροπίας (Κ c ) της βιορρόφησης δίνεται από την σχέση: K c C = C ad, eq όπου C ad,eq αποτελεί τη συγκέντρωση των µεταλλικών ιόντων στο βιορροφητικό υλικό κατά την ισορροπία. Υπολογίζοντας τις τιµές του Κ c σε διαφορετικές συγκεντρώσεις C ad, eq και από την τεταγµένη επί την αρχή του διαγράµµατος (C eq - ) προκύπτει η C eq eq Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 135

153 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ο σταθερά Κ c (Αksu, 2002). Η συγκεκριµένη σταθερά χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό της µεταβολής της κανονικής ελεύθερης ενέργειας της βιορρόφησης κατά Gibbs ( G o ) στους 20 o C: G o =-RTln Κ c ο (33) Η µεταβολή της πρότυπης ελεύθερης ενέργειας εκφράζει τη διαφορά µεταξύ των ελεύθερων ενεργειών των προιόντων και των αντιδρώντων, όταν το καθένα βρίσκεται σε µία πρότυπη κατάσταση (Smith, 1981). ιαφορετικά, η µεταβολή της πρότυπης ελεύθερης ενέργειας αντιπροσωπεύει τον «αυθορµητισµό» της προσρόφησης και οι υψηλές αρνητικές τιµές επηρεάζουν ενεργειακά την προσρόφηση. Οι σταθερές της ισορροπίας εκφράζονται µε όρους ενθαλπίας ( Η ο ) και εντροπίας ( S o ) ως ο συνάρτηση της θερµοκρασίας. H σχέση που συνδέει τη σταθερά Κ c και τη θερµοκρασία δίνεται από την εξίσωση του van t Hoff: o o S H ln K c = (34) R RT o Οι σταθερές Η ο και S o προκύπτουν από την κλίση και την τεταγµένη επί την ο αρχή από το σχετικό διάγραµµα του ln Κ c µε 1/Τ. Η τιµή της σταθεράς που υπολογίστηκε από το διάγραµµα C ad,eq /C eq -C eq βρέθηκε ίση µε 1.16 χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό της τιµής του G o (Αksu et al., 2002). Η πρότυπη ελεύθερη ενέργεια κατά Gibbs βρέθηκε kj mole -1. H αρνητική τιµή του G o οφείλεται στο γεγονός ότι η βιορρόφηση είναι αυθόρµητη µε υψηλή συγγένεια της βιοµάζας ΗDΤΜA-Mycan για το As(V). Η απόλυτη µεταβολή της ενθαλπίας και εντροπίας της βιορρόφησης υπολογίστηκε από το διάγραµµα του σχήµατος kj mole -1 και kj mole -1 Κ -1, αντίστοιχα. Η θετική τιµή της ενθαλπίας δηλώνει την ενδόθερµη φύση του φαινοµένου, ενώ η θετική τιµή της εντροπίας φανερώνει ότι το µεταβατικό σύµπλοκο έχει χαµηλότερη δοµή από εκείνη του αντιδρώντος µορίου, οπότε η µεταβατική κατάσταση σχετίζεται µε µεγαλύτερη αταξία. Αντίστοιχα ευρήµατα αναφέρονται και στη βιβλιογραφία, όπου η βιορρόφηση του Ni(II) από νεκρά κύτταρα του άλγους Chlorella vulgaris χαρακτηρίζεται ως ενδόθερµη διεργασία (Aksu, 2002). Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 136

154 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) T: 20 o C T: 30 o C T: 40 o C C eq /T (β) C ad, eq Σχήµα 32. α) ιάγραµµα του (C eq - ) β) ιάγραµµα του lnkc και 1/T. C eq Κεφάλαιο 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗΣ 137

155 III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 4. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ Η χρήση της τροποποιηµένης βιοµάζας ως βιορροφητικό υλικό για την αποµάκρυνση Αs(V) από υδατικά διαλύµατα αποτελεί πιθανόν εναλλακτική λύση προσροφητικού υλικού για την αντιµετώπιση προβληµάτων ρύπανσης από αρσενικό. Εξάλλου, η τροποποίηση µε δωδεκυλαµίνη είναι µία σχετικά απλή διαδικασία, που προσδίδει επίσης υδροφοβία στην επιφάνεια του υλικού. Για το λογό αυτό εφαρµόστηκε στη συνέχεια η βιορροφητική επίπλευση για το διαχωρισµό της βιοµάζας, που έχει αποµακρύνει Αs(V) από το (καθαρισµένο) διάλυµα. Η βιορροφητική επίπλευση επιλέχθηκε σαν µέθοδος στερεού/υγρού διαχωρισµού, σε σχέση µε άλλες µεθόδους διαχωρισµού (π.χ. καταβίθηση) λόγω των πλεονεκτηµάτων που παρουσιάζει, όπως είναι η ταχύτητα διαχωρισµού, η κατανάλωση µικρής ποσότητας αντιδραστηρίων και η ευκολία στην εφαρµογή της µεθόδου (Matis et al., 1997α). Σε αυτό τον κύκλο των πειραµάτων µελετήθηκαν κυρίως η µεταβολή της τιµής του ph, ο τρόπος εφαρµογής της βιοµάζας και ο χρόνος της επίπλευσης. Στα πειράµατα της βιορροφητικής επίπλευσης, η παροχή του αερίου επίπλευσης (συµπιεσµένος αέρας) επιλέχθηκε στα 200 cm 3 /min, δηλαδή σχετικά χαµηλή παροχή, στηριγµένη σε προηγούµενη εµπειρία, η οποία είναι όµως αρκετά αποτελεσµατική για την επίπλευση της βιοµάζας µε το αρσενικό. Στη σχετική βιβλιογραφία που αναφέρεται στην επίπλευση ανόργανων υλικών (π.χ. γκαιτίτης, ζεόλιθοι) (Matis et al., 1997β, Zouboulis et al., 1991), αλλά και βιολογικών υλικών (Streptomyces clanuligerus, Actimomyces AK61 και JL322) (Matis and Zouboulis; 1994, Κεφάλα, 2000) βρέθηκε ότι παροχή αερίου στα cm 3 min -1 είναι αρκετή για τον αποτελεσµατικό διαχωρισµό µε επίπλευση. Ο χρόνος επίπλευσης 5 min βρέθηκε ότι είναι αρκετός για να διαχωριστεί η βιοµάζα κατά το µέγιστο δυνατό βαθµό, που στην περίπτωση αυτή είναι περίπου 90% (Σχήµα 33), ενώ συγχρόνως η αποµάκρυνση του As(V) προσεγγίζει το 80%. Αποδεικνύεται ότι η βιορροφητική επίπλευση είναι αποτελεσµατική µέθοδος για το γρήγορο διαχωρισµό της βιοµάζας, που έχει προηγουµένως χρησιµοποιηθεί για την αποµάκρυνση του αρσενικού από υδατικά διαλύµατα. Ο µικρότερος χρόνος παραµονής στις δεξαµενές επίπλευσης οδηγεί στην απαίτηση µικρού µεγέθους δεξαµενών, οπότε η µέθοδος διαχωρισµού είναι αρκετά οικονοµική διεργασία. Κατά την εφαρµογή της βιορροφητικής επίπλευσης σε νεκρή βιοµάζα από µύκητες Κεφάλαιο 4. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 138

156 III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Penicillium, Rhizopus, βρέθηκε ότι για το διαχωρισµό της βιοµάζας κατά 80% ο απαιτούµενος χρόνος είναι 1-2 min (Zouboulis and Matis, 1993), ενώ στην περίπτωση βιοµάζας ακτινοµυκήτων ο διαχωρισµός απαιτούσε χρόνο 1 min µόνον (Κεφάλα, 2000) Re% As(V) Re% biomass (DA-Mycan) t (min) Σχήµα 33. Η επίδραση του χρόνου επίπλευσης στην αποµάκρυνση του As(V) και το διαχωρισµό της βιοµάζας DA-Mycan. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επiπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L -1. Η αποµάκρυνση του αρσενικού ήταν αρκετά ικανοποιητική και ο διαχωρισµός της βιοµάζας σχεδόν πλήρης σε ευρεία περιοχή τιµών του ph (3-10), όπως φαίνεται στο Σχήµα 34. Στη βιορροφητική επίπλευση, η τιµή του ph του διαλύµατος επηρεάζει σηµαντικά τη βιορρόφηση του αρσενικού, όπως παρατηρήθηκε και στα πειράµατα βιορρόφησης που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Η αποµάκρυνση του As(V) προσέγγισε το 70% παρουσία DA, ενώ η προ-κατεργασµένη βιοµάζα επιπλέει σχετικά εύκολα, αφού παρατηρείται διαχωρισµός της βιοµάζας πάνω από 80%. Γενικά, οι µύκητες που χρησιµοποιήθηκαν στα πειράµατα αυτά ως βιορροφητικό υλικό, διακρίνονται από τη µορφή πλέγµατος, το οποίο λόγω των συστατικών του Κεφάλαιο 4. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 139

157 III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ κυτταρικού τοιχώµατος παρουσιάζει σχετικά υδρόφοβες ιδιότητες, οι οποίες µε την προσθήκη της τασενεργής ένωσης γίνονται εντονότερες και οδηγούν τελικά στο σχηµατισµό συσσωµατωµάτων. Τα συσσωµατώµατα που δηµιουργούνται, είναι πολύ πιο εύκολο να αλληλεπιδράσουν µε τις φυσαλίδες του αέρα και κατά συνέπεια να επιπλεύσουν, σε σχέση µε τα µικρότερου µεγέθους κύτταρα των µικροοργανισµών. Εξάλλου, παρατηρείται µείωση της αποµάκρυνσης του µεταλλοειδούς κατά 27% µε την αύξηση της τιµής του ph από το 3 στο 9. Ο διαχωρισµός της βιοµάζας φαίνεται να διαφοροποιείται ανάλογα µε το είδος της βιοµάζας και τις υπόλοιπες συνθήκες του πειράµατος που εφαρµόζονται, όπως π.χ. χρήση αφριστικού, αποτελέσµατα που είναι συγκρίσιµα µε τη βιβλιογραφία (Κεφάλα, 2000). %Re As (V) Mycan %Re biomass Mycan %Re As (V) DA-Mycan %Re biomass DA-Mycan ph Σχήµα 34. Επίδραση της τροποποίησης της βιοµάζας στην επίπλευση. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επιπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L -1. Το µέγεθος των φυσαλίδων και η αποτελεσµατικότητα της επίπλευσης επηρεάζεται από την παρουσία αφριστικού (αιθανόλη). Η ελάττωση του µεγέθους των φυσαλίδων συνεπάγεται την αύξηση του διαθέσιµου εµβαδού της επιφάνειας Κεφάλαιο 4. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 140

158 III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ των φυσαλίδων, γεγονός που οδηγεί στην αποτελεσµατικότερη αποµάκρυνση των τεµαχιδίων της βιοµάζας. Στην πειραµατική διαδικασία χρησιµοποιήθηκαν δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις αφριστικού. Βρέθηκε ότι ο διαχωρισµός της βιοµάζας παρουσία ακόµη και µικρής ποσότητας 0.2% v/v αιθανόλης προσέγγισε το 90%, ακόµη και στην περίπτωση της ακατέργαστης βιοµάζας (Σχήµα 35). 100 %Re As, DA-Mycan %Re As, DA-Mycan+0.2%EtOH %Re As, DA-Mycan+0.6%EtOH %Re biomass, DA-Mycan %Re biomass, DA-Mycan+0.2%EtOH %Re biomass,da-mycan+0.6%etoh ph 40 Σχήµα 35. Επίδραση της συγκέντρωσης του αφριστικού στην επίπλευση της βιοµάζας Mycan. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επιπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L -1. Με σκοπό τη σύγκριση του τρόπου εφαρµογής της βιοµάζας ως ξηρή ή υγρή µορφή (µε τη µορφή αιωρήµατος) πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα βιορροφητικής επίπλευσης, στα οποία µελετήθηκε ταυτόχρονα η επίδραση της µεταβολής της τιµής του ph. Στα πειράµατα αυτά παρατηρήθηκε, ότι η συµπεριφορά της βιοµάζας σε ότι αφορά την αποµάκρυνση του As(V) δεν µεταβλήθηκε, γεγονός που δηλώνει ότι δεν υπήρξε αλλαγή στις θέσεις δέσµευσης του As(V) στην επιφάνεια της βιοµάζας, η οποία θα επηρέαζε την αποµάκρυνση του µετάλλου. Η επιπλευσιµότητα όµως της βιοµάζας παρουσίασε διαφορετική συµπεριφορά, αφού η ξηρή βιοµάζα επιπλέει καλύτερα από την υγρή. Κεφάλαιο 4. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 141

159 III. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Το γεγονός αυτό πιθανόν να οφείλεται σε αλλαγές στην επιφάνεια της βιοµάζας κατά την ξήρανση, οι οποίες έχουν ως συνέπεια την αύξηση του υδρόφοβου χαρακτήρα της (Σχήµα 36). Οι αλλαγές µπορεί να οφείλονται στη διαφορετική διευθέτηση στο χώρο κάποιων υδρόφοβων οµάδων της επιφάνειας της βιοµάζας ή στην αποµάκρυνση κάποιων άλλων οµάδων. Είναι χαρακτηριστικό ότι η ξηρή βιοµάζα διαχωρίζεται κατά 90 %, ενώ η υγρή µόλις κατά 70 %. Re% As, DA-Mycan Re% As, DA-Mycan,slurry 90 Re% biomass, DA-Mycan Re%biomass, DA-Mycan, slurry ph Σχήµα 36. Επίδραση του τρόπου εφαρµογής της βιοµάζας (ξηρή ή υγρή µορφή) στην αποµάκρυνση του αρσενικού. Συνθήκες: παροχή: 200 cm 3 min -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, t επιπλ : 5 min, [As] o : 5 mg L -1. Κεφάλαιο 4. ΒΙΟΡΡΟΦΗΤΙΚΗ ΕΠΙΠΛΕΥΣΗ 142

160 B. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΑΕROMONAS CAVIAE 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΤΟΥ ΚΑ ΜΙΟΥ ΣΤΟΝ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟ ΑΕROMONAS CAVIAE Η αποµάκρυνση των τοξικών µετάλλων µε εφαρµογή της βιορρόφησης εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τη χηµική σύσταση των επιµέρους κυτταρικών συστατικών, τους εξωτερικούς φυσικοχηµικούς παράγοντες, καθώς και από τη µορφή του µετάλλου (speciation). Αποικία του µικροοργανισµού Αeromonas caviae αποµονώθηκε από λάσπη, που συλλέχθηκε από δεξαµενές (συλλογής υπόγειων) υδάτων της Ε.Υ.Α.Θ. στην περιοχή της Σίνδου Θεσσαλονίκης, µε σκοπό τη µελέτη της αποµάκρυνσης τοξικών µετάλλων από αραιά υδατικά διαλύµατα και υγρά απόβλητα Χαρακτηρισµός της βιοµάζας A. caviae Τα πειράµατα ταυτοποίησης πραγµατοποιήθηκαν στη σχολή Βιολογίας του Πανεπιστηµίου του ουβλίνου µε τη συνεργασία του Dr. John M. Tobin. Η βιοµάζα Αeromonas caviae αποτελεί Gram-, ευκίνητο ραβδόµορφο βακτήριο, χωρίς στάδιο σπορογονίας, µε βέλτιστη ανάπτυξη συνήθως στους 28 ο C, ενώ έχει παρατηρηθεί και ανάπτυξη σε ιδιαίτερα ακραίες συνθήκες (4 ο C και 37 ο C). Ορισµένες φορές το συγκεκριµένο βακτήριο είναι υπεύθυνο για την πρόκληση διαταραχών στο ανθρώπινο πεπτικό σύστηµα (γαστρεντερίτιδες, διάρροια) (Miranda and Castillo, 1998). Η φάση προσαρµογής διαρκεί περίπου 2 h, και η λογαριθµική φάση ανάπτυξης διαρκεί περίπου 10 h, όπως διακρίνεται από την καµπύλη ανάπτυξης στο Σχήµα

161 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 2.5 Απορρόφηση (600nm) t (h) Σχήµα 37. Καµπύλη ανάπτυξης του µικροοργανισµού Αeromonas caviae (Τ:30 o C, ph:7) Μετρήσεις ζ-δυναµικού Οι ηλεκτρικές ιδιότητες της επιφάνειας της βιοµάζας εξαρτώνται από τη χηµική σύσταση του κυτταρικού τοιχώµατος (Sadowski, 2001). Το φορτίο του κυτταρικού τοιχώµατος οφείλεται στη διάσταση των όξινων οµάδων, όπως καρβοξυλικές, φωσφορικές, υδροξυλικές, σουλφυδρυλικές και άµινο οµάδες. H συγκεκριµένη βιοµάζα (σε αποστειρωµένη µορφή) χαρακτηρίζεται από αρνητικό φορτίο σε τιµές ph πάνω από το ισοηλεκτρικό σηµείο (~ 2.4, όπως φαίνεται στο σχήµα 38). Καθώς η τιµή του ph ελαττώνεται, το ολικό φορτίο καθίσταται θετικό, γεγονός που αναµένεται να παρεµποδίσει την προσέγγιση των θετικά φορτισµένων µεταλλικών ιόντων. Είναι φανερό, ότι τα πρωτόνια ανταγωνίζονται µε τα µεταλλικά κατιόντα για τις ίδιες επιφανειακές οµάδες των κυττάρων (προς σχηµατισµό επιφανειακών συµπλόκων), παρεµποδίζοντας µε τον τρόπο αυτό την αλληλεπίδραση των µετάλλων µε την κυτταρική επιφάνεια. Αντίθετα, ιόντα που εµφανίζονται µε αρνητικό φορτίο, όπως π.χ. το Cr(VI), είναι δυνατό να δεσµευτούν ηλεκτροστατικά στις πρωτονιωµένες καρβοξυλικές και φωσφορικές οµάδες. Οι αµινο- και καρβοξυλικές οµάδες, το άζωτο, Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 144

162 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ καθώς και το οξυγόνο των πεπτιδικών δεσµών είναι διαθέσιµα για δηµιουργία δεσµού µε τα µεταλλικά ιόντα. 10 ζ-δυναµικό ph Σχήµα 38. Επίδραση της τιµής του ph στο ζ-δυναµικό της βιοµάζας Aeromonas (T:20 o C, t επαφ. :10 min, [ανάδευση]:180 rpm, [βιοµάζα]: 1 g L Eπιφανειακή τιτλοδότηση της βιοµάζας Η βιοµάζα τιτλοδοτήθηκε µε διάλυµα NaOH 0.1 Μ µε ταυτόχρονη παρακολούθηση της τιµής του ph και της αγωγιµότητας, µε σκοπό την εύρεση του αριθµού των επιφανειακών οµάδων της βιοµάζας και των χαρακτηριστικών σταθερών pk a. Η πεχαµετρική και η αγωγιµοµετρική καµπύλη τιτλοδότησης για τη βιοµάζα A. caviae δίνονται στο Σχήµα 39. Η πεχαµετρική καµπύλη της βιοµάζας A. caviae εµφανίζει δύο σηµεία καµπής σε τιµές ph ~3,69 και ph~6,51, που αντιστοιχούν σε pk a καρβοξυλικών και φωσφορικών οµάδων, αντίστοιχα, ενώ από την αγωγιµοµετρική καµπύλη προκύπτει, ότι η συγκέντρωση των ισχυρά όξινων οµάδων (καρβοξυλικών) είναι της τάξης των 0.7 meq g -1, ενώ των ασθενέστερα όξινων οµάδων (φωσφορικών) είναι περίπου 0.9 meq g -1. Για τιµή ph υψηλότερη από την pk a οι οµάδες δέσµευσης είναι κυρίως σε διϊσταµένη µορφή και µπορούν να ανταλλάξουν Η + µε το µεταλλικό κατιόν στο διάλυµα. Αν όµως η τιµή του ph είναι µικρότερη από την pk a, τότε εµφανίζεται Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 145

163 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ φαινόµενα συµπλοκοποίησης, τα οποία είναι έντονα κυρίως για τις καρβοξυλικές οµάδες (Davis et al., 2000). ph ph Cond(µS/cm) ml NaOH Conductivity (µs/cm) Σχήµα 39. Πεχαµετρική και αγωγιµοµετρική καµπύλη ογκοµέτρησης της βιοµάζας Aeromonas Προσδιορισµός της συγκέντρωσης των αλκαλικών µετάλλων και των αλκαλικών γαιών Το ολικό ιονικό περιεχόµενο της βιοµάζας βρέθηκε ίσο µε 0.44 meq g -1, όπως προκύπτει από τον Πίνακα 15. Θα πρέπει να σηµειωθεί, ότι η τιµή αυτή είναι ένα προσεγγιστικό µέτρο της ιονανταλλακτικής χωρητικότητας της εξεταζόµενης βιοµάζας. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 146

164 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 15. Περιεκτικότητα της βιοµάζας σε αλκαλικά µέταλλα και αλκαλικές γαίες (ως meq ιόντος/g του προσροφητικού). Βιοµάζα Aeromonas Αριθµός Πλύσεων Ολικό ιονικό περιεχόµενο (meq/g) Να + (mg L -1 ) K + Ca 2+ Mg 2+ (mg L -1 ) (mg L -1 ) (mg L -1 ) Φάσµατα FTIR Τα φάσµατα FTIR παρέχουν πληροφορίες για τις επιφανειακές οµάδες του κυτταρικού τοιχώµατος της βιοµάζας. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται παραδείγµατα διαφοροποίησης σε είδη του µικροοργανισµού Lactobacillus (Filip and Hermann, 2001). Από το φάσµα FTIR του σχήµατος 40 διακρίνεται το ευρύ σηµείο καµπής στα 3290 cm -1, που δηλώνει την ύπαρξη αµινών και δεσµευµένων οµάδων ΟΗ. Το σηµείο καµπής στα cm -1 προκύπτει από oµάδα CO που είναι ενωµένη µε δεσµό ΝΗ, απορρόφηση που είναι χαρακτηριστική για πρωτοταγή αµίδια (αµίδια-1). Οι κορυφές στα ~1500 cm -1 οφείλονται στην παρουσία δευτεροταγών αµιδίων και προκύπτει από την µετατροπή του ΝΗ σε C=N και σε αλειφατικές οµάδες (CΗ 3, CΗ 2 ), ενώ από το σηµείο καµπής στα cm -1 φαίνεται η ύπαρξη τριτοταγών αµιδίων ή σουλφαµιδίου. H παρουσία φωσφορικών οµάδων διακρίνεται από µερικές χαρακτηριστικές κορυφές, όπως ο δεσµός P=O στα 1100 cm -1, ο δεσµός P-OH στα 900 cm -1 και ο δεσµός P-O-C από την κορυφή στα 450 cm -1 (Kapoor and Viraraghavan, 1997). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 147

165 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Σχήµα 40. Φάσµα FTIR της βιοµάζας Aeromonas σε φυσικό ph Φωτογραφίες της βιοµάζας µε το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο Η µορφολογία της επιφάνειας της βιοµάζας διακρίνεται στο Σχήµα 41. Η βιοµάζα αποτελείται από µεγάλα συµπλέγµατα µε ανοµοιόµορφη επιφάνεια που αποτελείται από λείες περιοχές σαν φλούδες, οι οποίες διαχωρίζονται από βαθιές ανοµοιόµορφες ραβδώσεις. Στα δείγµατα όµως της βιοµάζας σε υψηλότερες θερµοκρασίες (40 και 60 ο C) δεν εµφανίζονται φλούδες και ραβδώσεις, αλλά η επιφάνεια χαρακτηρίζεται αρκετά ανώµαλη µε χαρακτηριστικά εξογκώµατα/κορυφές που προβάλλονται σε διάφορα σηµεία (Σχήµα 41). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 148

166 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ α β γ Σχήµα 41. Φωτογραφία της βιοµάζας σε ph 7 σε θερµοκρασία: α) 20, β) 40 και γ) 60 ο C. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 149

167 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 5.2. Μελέτη της βιορρόφησης του Cd(II) Η τιµή του ph του διαλύµατος επηρεάζει τόσο τα συγκεκριµένα ιονικά είδη των µεταλλικών ιόντων (speciation), όσο και την ιονική κατάσταση των επιφανειακών οµάδων της βιοµάζας. Εξάλλου, η ιονική κατάσταση των επιφανειακών οµάδων, όπως π.χ. καρβοξυλικές, φωσφορικές και άµινο- οµάδες, αναµένεται να επιταχύνουν την αλληλεπίδραση µε κατιόντα του διαλύµατος. Συγκεκριµένα, σε όξινες περιοχές τιµών του ph, το κάδµιο, όπως προκύπτει και από το αντίστοιχο διάγραµµα (Σχήµα 2), συναντάται µε τη µορφή ελεύθερου κατιόντος οπότε είναι διαθέσιµο για βιορρόφηση. Αυξάνοντας όµως την τιµή του ph (σε περιοχές τιµών 7<pH<9) παρατηρείται (σε σχετικά µικρό βαθµό) καταβύθιση του µετάλλου ως αδιάλυτο ίζηµα (ως υδροξείδιο), µειώνοντας ταυτόχρονα και τη διαθεσιµότητα ιονικών ειδών για βιορρόφηση. Αλλά από την άλλη πλευρά, ο σχηµατισµός ιζήµατος πιθανόν να οδηγεί σε ακινητοποίηση του µετάλλου, αυξάνοντας µε τον τρόπο αυτό τη συνολική αποµάκρυνση του µετάλλου. Στο Σχήµα 42 φαίνεται η επίδραση των τιµών του ph στη βιορρόφηση του Cd(II). Με αύξηση του ph από 3 σε 9, η αποµάκρυνση του καδµίου αυξάνεται από 30% σε 90%. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 150

168 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 6 5 Cres Cd (mg L -1 ) biomass without biomass ph Σχήµα 42. Επίδραση της τιµής του ph στη βιορρόφηση του Cd (ΙΙ). Συνθήκες πειράµατος: [Cd] o : 5 mg L - 1, [βιοµάζα]: 1 g L -1, t: 30 min, T: 20 o C Με στόχο τον προσδιορισµό του αναγκαίου χρόνου επαφής της βιοµάζας µε το διάλυµα του µετάλλου, ώστε η αποµάκρυνσή του να είναι η µέγιστη για τις συνθήκες του πειράµατος, εξετάστηκε η βιορρόφηση σε συνάρτηση µε διαφορετικούς χρόνους επαφής της βιοµάζας Aeromonas caviae µε το διάλυµα του µετάλλου. Η βιορρόφηση του Cd (ΙΙ) φαίνεται να είναι ταχύτατη διεργασία, αφού το 60 % του µετάλλου αποµακρύνεται στα πρώτα 10 min, ενώ το σύστηµα φθάνει σε ισορροπία µέσα σε περίπου 30 min (Σχήµα 43). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 151

169 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 5 4 (α) t (min) (β) t (min) Σχήµα 43. Επίδραση του χρόνου βιορρόφησης στην αποµάκρυνση του Cd(ΙΙ) µε εφαρµογή της βιοµάζας A. caviae: α) παραµένουσα συγκέντρωση και β) Re% αποµάκρυνση του Cd(IΙ). Συνθήκες πειράµατος: [Cd] o : 5 mg L -1, [βιοµάζα]: 1 g L -1, ph: 7, T: 20 o C. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 152

170 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η δέσµευση του µετάλλου από την επιφάνεια της βιοµάζας φαίνεται στο φάσµα FTIR της βιοµάζας, που έχει χρησιµοποιηθεί προηγούµενα σε πείραµα βιορρόφησης µε υδατικό διάλυµα αρχικής συγκέντρωσης Cd(II) 50 mg L -1 (Σχήµα 44). Oι κορυφές στα 1000 και 1670 cm -1 των καρβονυλικών και και καρβοξυλικών οµάδων επιµηκύνονται µετά τη βιορρόφηση του Cd, γεγονός που φανερώνει τη δέσµευση του µετάλλου από αυτές τις οµάδες. Το ίδιο συµπέρασµα προκύπτει και από την εµφάνιση κορυφών στα 1414 cm -1, δηλαδή τη δέσµευση των ιόντων καδµίου από καρβοξυλικές οµάδες (Pethkar et al., 2001). Σχήµ α 44. Φάσµα FTIR της βιοµάζας Aeromonas caviae που έχει χρησιµοποιηθεί o για βιορρόφηση Cd(II) σε θερµοκρασία 20 C. Εξάλλου, από τις αντίστοιχες φωτογραφίες µε το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο διακρίνεται σηµαντική αλλαγή στη µορφολογία της επιφάνειας της βιοµάζας (Σχήµα 45). Η ανοµοιοµορφία στη βιοµάζα εξακολουθεί να είναι ορατή, ενώ δεν είναι διακριτές πλέον οι ραβδώσεις από τη δέσµευση του µετάλλου. Με εστίαση του µικροαναλυτή στα σηµεία, όπου διακρίνονται οι ραβδώσεις ανιχνεύθηκαν υψηλότερες ποσότητες δεσµευµένου µετάλλου από ότι στην υπόλοιπη επιφάνεια της βιοµάζας. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 153

171 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Σχήµα 45. Φωτογραφία SEM της βιοµάζας που έχει χρησιµοποιηθεί για αποµάκρυνση Cd(II) σε θερµοκρασία 20 o C Μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης της βιοµάζας και της θερµοκρασίας στη βιορρόφηση του Cd(ΙΙ) Η ισόθερµη της προσρόφησης χαρακτηρίζεται από συγκεκριµένες σταθερές, οι τιµές των οποίων εκφράζουν τις ιδιότητες της επιφάνειας, αλλά και τη συγγένεια του βιοϋλικού για το εκάστοτε µέταλλο. Ταυτόχρονα οι σταθερές που προκύπτουν αποτελούν µέτρο σύγκρισης της βιορροφητικής χωρητικότητας για διαφορετικές βιοµάζες και µέταλλα. Στα προκαταρκτικά πειράµατα βιορρόφησης του Cd(ΙΙ) από τη βιοµάζα A. caviae, προέκυψε ότι το σύστηµα έφθασε σε ισορροπία σε 30 min περίπου. Η αρχική συγκέντρωση του µετάλλου µεταβάλλονταν από 5 έως 320 mg L -1, καθώς η ποσότητα της βιοµάζας παρέµενε σταθερή στα πειράµατα ισορροπίας, ενώ τα πειραµατικά αποτελέσµατα συσχετίστηκαν µε τα δύο πιο γνωστά µοντέλα προσρόφησης, δηλ. Langmuir και Freundlich. Η αύξηση στη συγκέντρωση του βιορροφητικού υλικού γενικά αυξάνει συνολικά την προσροφούµενη ποσότητα του µετάλλου, επειδή αυξάνεται η διαθέσιµη προσροφητική επιφάνεια, αλλά η ποσότητα του µετάλλου που προσροφάται (q) ανά µονάδα µάζας του προσροφητικού Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 154

172 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ ελαττώνεται, µε την αύξηση της ποσότητας του προσροφητικού (Σχήµατα 46 και 47). Η ελάττωση του q µε την αύξηση της συγκέντρωσης του προσροφητικού οφείλεται σε περίπλοκες αλληλεπιδράσεις διαφόρων παραγόντων, όπως η τιµή του ph, η ιονική ισχύς, η θερµοκρασία, το µεταλλικό ιόν στο διάλυµα και τα επίπεδα της συγκέντρωσης της βιοµάζας. Η βιορροφητική χωρητικότητα της βιοµάζας για την περίπτωση του Cd προκύπτει ίση µε mg g -1 για αρχική συγκέντρωση βιοµάζας 0.5 g L -1, ενώ ελαττώθηκε στα mg g -1, όταν η συγκέντρωση του βιοϋλικού αυξήθηκε στα 2 g L -1 (Πίνακας 16). Η χωρητικότητα για συγκέντρωση βιοµάζας ίση µε 1 g L -1 είναι mg g -1. Εξάλλου, η σταθερά b, αναφέρεται στη συγγένεια της βιοµάζας µε το µέταλλο που µελετάται έχει τιµές από στις διάφορες πειραµατικές συνθήκες, που δηλώνουν αρκετά ισχυρό δεσµό µεταξύ βιοµάζας- Cd(ΙΙ). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 155

173 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) T:20 o C C (mg L -1 ) eq X:0.5 g L -1 X:1 g L -1 X:2 g L (β) X:1 g L -1 T:20 o C T:40 o C T:60 o C C eq (mg L -1 ) Σχήµα 46. Ισόθερµες βιορρόφησης του Cd(II) από τη βιοµάζα A. caviae σε: (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετική θερµοκρασία. Συνθήκες: ph: 7 (Μοντέλο Langmuir). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 156

174 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) T: 20 o C X:0.5 X:1 X: C eq (mg L -1 ) (β) X:1 g L -1 T: 20 o C T:40oC T:60oC C eq (mg L -1 ) Σχήµα 47. Ισόθερµες βιορρόφησης του Cd(II) από τη βιοµάζα A. caviae σε: (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετική θερµοκρασία. Συνθήκες: ph: 7 (Μοντέλο Freundlich). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 157

175 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Εξάλλου, οι τιµές του K f και n, δηλαδή οι σταθερές της ισόθερµης Freundlich (Σχήµα 47), δείχνουν εύκολο διαχωρισµό των µεταλλικών ιόντων από το υδατικό µέσο µε ταυτόχρονη ευνοϊκή προσρόφηση, όπως προκύπτει από τον Πίνακα 16. Η τιµή της σταθεράς K f, που αντιπροσωπεύει τη χωρητικότητα του προσροφητικού, παίρνει τιµές 20.37, και 12.1 για ποσότητα βιοµάζας 0.5, 1 και 2 g L -1, αντίστοιχα, ενώ η σταθερά n, που σχετίζεται µε την επίδραση της συγκέντρωσης στη χωρητικότητα και αντιπροσωπεύει την ένταση της προσρόφησης, έχει τιµές από Πίνακας 16. Σταθερές της ισόθερµης Langmuir και Freundlich σε τιµή ph 7. Συνθήκες Σταθερές της ισόθερµης Freundlich Σταθερές της ισόθερµης Langmuir T Βιοµάζα K f n r 2 q max b r 2 ( o C) (g L -1 ) (L g -1 ) (-) (mg g -1 ) (L mg -1 ) Η µεταβολή της θερµοκρασίας του υδατικού διαλύµατος Cd(II) αποτελεί σηµαντικό παράγοντα, αφού µπορεί να προκαλέσει αξιοσηµείωτες µεταβολές στη φυσικοχηµική δοµή του βιορροφητικού υλικού, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσµα την αύξηση, ή τη µείωση των θέσεων δέσµευσης του µετάλλου. Οι ισόθερµες βιορρόφησης του Cd(II) από τη βιοµάζα Aeromonas που πραγµατοποιήθηκαν σε τρεις διαφορετικές θερµοκρασίες (στους 20, 40 και 60 o C) έδειξαν ότι η βιορρόφηση ακολουθεί το µοντέλο Langmuir (Σχήµα 46) και για τις τρεις θερµοκρασίες (r 2 >0.9). Η αύξηση στη θερµοκρασία επηρεάζει θετικά τη βιορρόφηση για τους 40 o C, ενώ µε περαιτέρω αύξηση της θερµοκρασίας στους 60 o C η τιµή της µέγιστης χωρητικότητας µειώνεται σε µικρό σχετικά βαθµό. Η µέγιστη χωρητικότητα από mg g -1, που προσδιορίστηκε για τους 20 o C, αυξήθηκε σε mg g -1 για τους 40 o C, ενώ στους Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 158

176 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 60 o C η µέγιστη χωρητικότητα ήταν mg g -1. Η αύξηση στη µέγιστη χωρητικότητα µε την αύξηση της θερµοκρασίας πιθανόν να οφείλεται σε αύξηση των θέσεων δέσµευσης στη συγκεκριµένη βιοµάζα ή σε µεγαλύτερη συγγένεια των θέσεων δέσµευσης για το µέταλλο. Φαίνεται λοιπόν ότι σε υψηλές θερµοκρασίες (40 o C), η ενέργεια του συστήµατος διευκολύνει τη δέσµευση του Cd(II) στην επιφάνεια, σε ακόµη υψηλότερες όµως θερµοκρασίες (60 o C), διακρίνεται µία µείωση στην προσρόφηση του µετάλλου εξαιτίας της πιθανής καταστροφής µερικών διαθέσιµων θέσεων για βιορρόφηση στην κυτταρική επιφάνεια. Εξάλλου, η διαφοροποίηση της δοµής της βιοµάζας σε διαφορετικές θερµοκρασίες τεκµηριώνεται και από τις αντίστοιχες φωτογραφίες από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο (Σχήµα 41). Στον πίνακα 17 συγκρίνονται τα αποτελέσµατα της παρούσας µελέτης µε άλλες που υπάρχουν δηµοσιευµένες στη βιβλιογραφία. Οι τιµές της µέγιστης χωρητικότητας που προκύπτουν είναι ικανοποιητικά υψηλές, σε σύγκριση µε αυτές που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Ο µικροοργανισµός A. caviae βρέθηκε ιδιαίτερα αποτελεσµατικός για την αποµάκρυνση Cd(II) από αραιά υδατικά διαλύµατα. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 159

177 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 17. Βιορρόφηση του Cd(II) από διάφορα βιορροφητικά υλικά: Σύγκριση της χωρητικότητας (q max ) σε διάφορες πειραµατικές συνθήκες. Βιορροφητικό q max ph T Συγκέντρωση Αναφορά (mg g -1 ) ( o C) βιοµάζας (g L -1 ) Aeromonas Παρούσα Μελέτη B. Licheniformis Holan et al., 1993 Sphaerotilus natans Esposito et al., 2001 Sargassum fluitans Fourest and Volesky, 1992 Rhizopus arrhizus Holan et al., 1993 Rhizopus arrhizus Holan et al., 1993 Saccharomyces Volesky, 1992 cerevisiae Pseudomonas Esposito et al., aeruginosa 2001 Streptomyces noursei Esposito et al., 2001 Alcaligenes sp Esposito et al., Υπολογισµός των θερµοδυναµικών παραµέτρων Η προσρόφηση των ιόντων του καδµίου µπορεί να θεωρηθεί ότι ακολουθεί την παρακάτω αντιστρεπτή διεργασία, που αντιπροσωπεύει µία ετερογενή ισορροπία: Ιόντα καδµίου στο διάλυµα Ιόντα καδµίου Aeromonas caviae Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 160

178 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Υπολογίζοντας τις τιµές της φαινόµενης σταθεράς ισορροπίας (Κ c ) της C ad, eq βιορρόφησης σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (διάγραµµα C eq - ) C προσδιορίζεται η κανονική µεταβολή της ελεύθερης ενέργειας της βιορρόφησης κατά Gibbs ( G o ) στους 20 o C η οποία βρέθηκε ότι είναι ίση µε 1.7 kj mol -1 (Αksu, 2002). H αρνητική τιµή του G o οφείλεται στο γεγονός ότι η βιορρόφηση είναι αυθόρµητη µε υψηλή συγγένεια της A. caviae για το κάδµιο. Η ενθαλπία Η ο και η εντροπία S o υπολογίστηκαν από την εξίσωση του van t Hoff (Σχέση 34) και βρέθηκαν ίσες µε 14.5 kj mole -1 και 0.06 kj mol -1 Κ -1, αντίστοιχα. Από τη θετική τιµή της ενθαλπίας προκύπτει η ενδόθερµη φύση της διεργασίας, ενώ η θετική τιµή της εντροπίας σχετίζεται µε τον αυξανόµενο αυθορµητισµό στην επιφάνεια στερεού-υγρού κατά τη βιορρόφηση. eq T:20 o C T: 40 o C T:60 o C C eq (α) 1.5 (β) /T C ad, eq Σχήµα 48. α) ιάγραµµα του (C eq - ) β) ιάγραµµα του lnkc και 1/T. C eq Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 161

179 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 5.5. Κινητική Μελέτη της προσρόφησης του Καδµίου Η επιλογή ενός µαθηµατικού µοντέλου για την περιγραφή της προσρόφησης είναι µία δύσκολη και καθόλου προφανής επιλογή. Το µαθηµατικό µοντέλο θα πρέπει να είναι σύµφωνο µε τον προτεινόµενο µηχανισµό, παρόλο που η αναζήτηση του ιδανικού µηχανισµού από µόνη της δεν είναι αρκετή για τον ορισµό/καθορισµό της κινητικής ή της διάχυσης. Επίσης, η διαδικασία επιλογής µπορεί να γίνει ιδιαίτερα περίπλοκη αν κατά τη διάρκεια της διεργασίας το ελέγχον στάδιο του ρυθµού αλλάξει. Για τον προσδιορισµό του ακριβούς µοντέλου προσρόφησης συχνά απαιτείται ο έλεγχος διαφόρων µοντέλων και συστηµάτων µεταβλητών σε όλη την έκταση της ρόφησης µέχρι τον κορεσµό του προσροφητικού. Από την πρώτη εκτίµηση του συστήµατος προσροφητικού-προσροφηµένου µπορεί να προκύψει η αρχική πληροφορία για το µηχανισµό της ρόφησης. Για το λόγο αυτό, απαιτείται προσεκτικός σχεδιασµός των πειραµάτων για να µελετηθούν οι διάφορες µεταβλητές, όπως η αρχική συγκέντρωση, η θερµοκρασία, το ph του διαλύµατος και η ανάδευση. Οι συντελεστές συσχετισµού µεταξύ των πειραµατικών και των θεωρητικά προσδιοριζόµενων σταθερών θα οδηγήσουν στην τελική επιλογή του µοντέλου µε την καλύτερη προσοµοίωση ( best fit model). Απαιτείται όµως και ταυτόχρονη επιβεβαίωση του προτεινόµενου µηχανισµού µετά από την επεξεργασία των πειραµατικών δεδοµένων. Με στόχο τη µελέτη της κινητικής της βιορρόφησης των ιόντων Cd(II), διάφορα κινητικά µοντέλα δοκιµάστηκαν στα πειραµατικά δεδοµένα. Στον πίνακα 18 παρουσιάζεται η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης του µετάλλου. Αρχικά, παρατηρείται ότι η ποσότητα του µετάλλου που προσροφάται, αυξάνεται µε την αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης του µετάλλου. Σε υψηλές συγκεντρώσεις του Cd(II) η ροφητική χωρητικότητα αυξάνεται αξιοσηµείωτα σε σχέση µε οποιοδήποτε άλλη παράµετρο. Προφανώς, η αρχική συγκέντρωση παρέχει την απαιτούµενη κινούσα δύναµη για να ξεπεραστεί η αντίσταση στη µεταφορά µάζας του µετάλλου από την υγρή στη στερεά φάση. Η προσροφητική χωρητικότητα της βιοµάζας µειώνεται µε την αύξηση της ποσότητας της βιοµάζας στα 2 g L -1, υποδηλώνοντας φτωχότερη χρησιµοποίηση της βιοµάζας (δηλ. µικρή απόδοση). Η συγκέντρωση της Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 162

180 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ βιοµάζας επηρεάζει εντυπωσιακή την ολική κατανάλωση του µετάλλου, C, και τη σχετική κατανάλωση του µετάλλου, Λ. Με την αύξηση της ποσότητας της βιοµάζας από 0.5 σε 2 g L -1, η ολική δέσµευση του µετάλλου αυξάνεται κατά 19% για χαµηλή αρχική συγκέντρωση µετάλλου (C o : 5 mg L -1 ) και κατά 75% για υψηλή συγκέντρωση µετάλλου (C o : 50 mg L -1 ). Η ίδια τάση παρατηρείται και µε αύξηση της θερµοκρασίας, αλλά σε σχετικά µικρότερο βαθµό, δηλαδή, αύξηση ~ 10% για C o : 5 mg L -1 και ~20% για C o : 50 mg L -1. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι οι σταθερές ισορροπίας δε µεταβάλλονται αναλογικά µε την προσθήκη της βιοµάζας, γεγονός που πιθανόν οφείλεται στη δηµιουργία συσσωµατωµάτων σε υψηλές συγκεντρώσεις βιοµάζας, ικανά να ελαττώσουν την ενεργή προσροφητική επιφάνεια. Πίνακας 18. εδοµένα ισορροπίας από πειράµατα µε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις του Cd(II), ποσότητα βιοµάζας (φόρτιση) και θερµοκρασίες. C o T Biomass C eq C=C o - C eq Λ= C/ C o q eq (mg L -1 ) ( o C) load (mg L -1 ) (mg L -1 ) (mg g -1 ) (g L -1 ) Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 163

181 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Στα σχήµατα 49 α και β η παραµένουσα συγκέντρωση του καδµίου στην κύρια µάζα του διαλύµατος δίνεται ως συνάρτηση του χρόνου σε διαφορετικές πειραµατικές συνθήκες, εφαρµόζοντας ποσότητα βιοµάζας 1 g L -1 σε θερµοκρασία 20 ο C. Στα σχήµατα αυτά παρατηρείται µία αξιοσηµείωτη ποιοτική οµοιότητα των καµπυλών στις διάφορες πειραµατικές συνθήκες. Καθόλη τη διάρκεια της διεργασίας κυριαρχεί µία µονότονη µείωση της συγκέντρωσης µε το χρόνο. Συγκεκριµένα, η απότοµη µείωση στην αρχή της διεργασίας ακολουθείται από ένα λιγότερο γρήγορο στάδιο που διαρκεί λεπτά, ενώ η ελάττωση της συγκέντρωσης του καδµίου παραµένει σχετικά σταθερή µέχρι το τέλος της διεργασίας. Η καµπύλη που προκύπτει στους 20 ο C µε ποσότητα βιοµάζας 2 g L -1 αλληλεπικαλύπτεται µε αυτή που προκύπτει στους 40 ο C. Επιπλέον, ο απαιτούµενος χρόνος για την τελική ισορροπία είναι πρακτικά ο ίδιος για όλες τις πειραµατικές συνθήκες. Κάτι τέτοιο οδηγεί στο συµπέρασµα, ότι µε τη µεταβολή των πειραµατικών συνθηκών (την ποσότητα των στερεών ή τη θερµοκρασία) επηρεάζεται τόσο η ροφητική χωρητικότητα, όσο και ο ρυθµός της ρόφησης. Έτσι, ρυθµίζοντας τη θερµοκρασία της διεργασίας ή την ποσότητα της χρησιµοποιούµενης βιοµάζας, είναι δυνατό να επιτευχθεί ανταγωνίσιµη αποµάκρυνση του µετάλλου. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 164

182 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 5.5 (α) X:0.5 g L -1 X:1 g L -1 X:2 g L -1 1 T:40 o C T:60 o C t (min) (β) t (min) X:0.5 g L -1 X:1 g L -1 X:2 g L -1 T:40oC T:60oC Σχήµα 49. Κινητική µελέτη της βιορρόφησης του Cd(II) από A. caviae σε: (α) 5 και (β) 50 mg L -1, όπου: Χ: συγκέντρωση της βιοµάζας (ph: 7, ταχύτητα ανάδευσης: 180 rpm). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 165

183 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η επίδραση της παρουσίας των κατιόντων νατρίου (που προστίθεται µε τη µορφή NaNO 3 ) στη βιορρόφηση του Cd(II) φαίνεται στο σχήµα 50, όπου παρατηρείται ότι µε την αύξηση της συγκέντρωσης του νατρίου, µειώνεται σε σηµαντικό βαθµό η βιορροφητική ικανότητα, καθώς και ο ρυθµός της βιορρόφησης. Η προστιθέµενη ιονική ισχύς φαίνεται ότι διαφοροποιεί τις ιδιότητες της ισορροπίας και της κινητικής του συστήµατος ροφητικού/ροφηθέντος. Η επίδραση της ιονικής ισχύος αποδίδεται στον ανταγωνισµό µεταξύ των ιόντων νατρίου και καδµίου για τη δέσµευση (ηλεκτροστατικά) στην επιφάνεια της βιοµάζας. Από τη µελέτη των αντίστοιχων φασµάτων FTIR η βιοµάζα προέκυψε ότι αποτελείται κυρίως από καρβοξυλικές και φωσφορικές οµάδες, οι οποίες όταν αποπρωτονιώνονται είναι αρνητικά φορτισµένες, οπότε έλκουν (µε ηλεκτροστατικό τρόπο) κατιόντα µετάλλων. C o : 50 mg L -1,0 M NaNO 3 C o : 5 mg L -1,0 M NaNO 3 Co: 50mg L -1,0.01 M NaNO 3 C o : 5 mg L -1,0.01 M NaNO 3 Co: 50mg L -1,0.5 M NaNO 3 C o : 5 mg L -1,0.5 M NaNO t (min) Σχήµα 50. Μεταβολή της παραµένουσας συγκέντρωσης του Cd(ΙΙ) µε το χρόνο κατά τη βιορρόφηση του από A. caviae σε διαφορετικές συγκεντρώσεις NaNO 3 (ph: 7, ταχύτητα ανάδευσης: 180 rpm). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 166

184 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 5.6. Κινητικό Μοντέλο Η σχετικά µικρή χρονική διάρκεια της παρούσας διεργασίας, εκτός από το γεγονός ότι αποτελεί πλεονέκτηµα, είναι µία πρώτη ένδειξη ότι η προσρόφηση των ιόντων του καδµίου από τη βιοµάζα A. caviae µπορεί να θεωρηθεί ως χηµική αντίδραση παρά ως διεργασία που ελέγχεται από διάχυση (Ho et al., 2000). Ταυτόχρονα η προηγούµενη παρατήρηση ενισχύεται ακόµη περισσότερο και από την (αρνητική) επίδραση της ιονικής ισχύος. Η απότοµη µείωση της συγκέντρωσης του καδµίου µε την έναρξη της διεργασίας οφείλεται σε χηµικό αποτέλεσµα. Ένα πιθανό φαινόµενο που ανταποκρίνεται στην εικόνα αυτή είναι η αύξηση της επιφάνειας µαζί µε την υψηλής ενεργότητας ετερογενή επιφάνεια του ροφητικού (Ho et al., 2000). Αν υποθέσει κανείς, ότι η βιοµάζα αποτελεί µία ιοναναλλακτική επιφάνεια, τότε µία απλή εξήγηση θα περιλαµβάνει µόρια καδµίου, που προσροφούνται στην επιφάνεια του ροφητικού, όπου αρχικά δεν υπάρχουν παρόµοια συστατικά και οι αντιδράσεις ροφητικού υλικού και του ιόντος θεωρούνται αµελητέες, µε επακόλουθο το σχηµατισµό ενός µονοµοριακού στρώµατος. Αυτός ο σχηµατισµός επιβεβαιώνεται (αποτελεί προϋπόθεση) και από την εφαρµογή της ισόθερµης Langmuir, που προκύπτει από την ισορροπία. Καθώς το µονοµοριακό στρώµα προσεγγίζει την ισορροπία, η αναδιευθέτηση των µορίων στο χώρο προκαλεί περαιτέρω αύξηση στα µόρια του καδµίου, αλλά µε µειωµένο ρυθµό. Αυτό το δεύτερο βήµα µπορεί να είναι χηµικό φαινόµενο ή (εσωτερική ή εξωτερική) διάχυση. Η υψηλή σχετικά ταχύτητα ανάδευσης (180 rpm) αναµένεται να εξαφανίσει την οριακή στοιβάδα γύρω από τα σωµατίδια της βιοµάζας. Ωστόσο, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η εξωτερική µεταφορά µάζας ποτέ δεν απορρίπτεται τελείως και είναι δυνατό να υφίσταται ακόµη και µετά την αποµάκρυνση της αρχικής ποσότητας του καδµίου. Ο σχηµατισµός όµως συµπλεγµάτων και συσσωµατωµάτων από τους µικροοργανισµούς (βιοµάζα) συνεπάγεται την ύπαρξη εσωτερικής δοµής µικροπόρων και µακροπόρων που οδηγούν σε εσωτερική διάχυση. Μία απαραίτητη και απλή δοκιµή για το διαχωρισµό ανάµεσα στην κινητική και τη διάχυση αποτελεί η εξίσωση (24). Το διάγραµµα της χωρητικότητας, q, µε την τετραγωνική ρίζα του χρόνου επαφής, t 1/2, δίνει ευθεία γραµµή µε κλίση ίση µε k d, που αποτελεί το συντελεστή της εσωτερικής διάχυσης. Όπως προκύπτει από το Σχήµα 51 τα πειραµατικά δεδοµένα δεν προσοµοιάζουν την εξίσωση (24), αφού δεν Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 167

185 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ προκύπτει από την συγκεκριµένη επεξεργασία ευθεία γραµµή, που να περνάει από την αρχή των αξόνων, οπότε η εσωτερική διάχυση δεν αποτελεί το ρυθµορυθµιστικό βήµα της βιορρόφησης (Ho et al., 2000) t 1/2 X: 0.5 g L -1 X: 1 g L -1 X: 2 g L -1 T: 40 o C T: 60 o C Σχήµα 51. ιάγραµµα της βιορροφητικής χωρητικότητας µε την τετραγωνική ρίζα του χρόνου επαφής για διάφορες πειραµατικές συνθήκες. Το µοντέλο του συρρικνούµενου πυρήνα χρησιµοποιήθηκε για την προσοµοίωση των πειραµατικών δεδοµένων. Όπως παρατηρείται από το Σχήµα 52, τα πειραµατικά δεδοµένα δεν παρουσιάζουν καλή προσαρµογή του µαθηµατικού µοντέλου, που αναφέρεται σε αρχική συγκέντρωση µετάλλου 50 mg L -1 και ποσότητα βιοµάζας 0.5 g L -1. Βέβαια, σε µικρούς χρόνους (περίπου 20 min) φαίνεται ότι το τµήµα της καµπύλης είναι γραµµικό. Αντίστοιχα, αποτελέσµατα προκύπτουν και από την επεξεργασία των υπόλοιπων πειραµατικών δεδοµένων. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 168

186 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ C o : 50 mg L -1, X: 0.5 g L Cdt ʃcdt Σχήµα 52. Μοντέλο συρρικνούµενου πυρήνα: εσωτερική διάχυση Αρχικά, δοκιµάστηκαν τα κινητικά µοντέλα δεύτερης τάξης, αφού από το χαρακτηρισµό της βιοµάζας προέκυψε ότι η επιφάνεια της αποτελείται κυρίως από δύο διαφορετικές επιφανειακές οµάδες δέσµευσης. Στα σχήµατα (53-55) παρουσιάζεται η προσοµοίωση των πειραµατικών αποτελεσµάτων στις εξισώσεις (15), (16) και (19). Η εξίσωση (15, κινητική 2 ης τάξης) αποτυγχάνει να προσοµοιάσει την απότοµη πτώση της συγκέντρωσης στην αρχή της διεργασίας, γεγονός που αποτελεί ένδειξη, ότι η προσρόφηση σε στερεό υλικό από υγρή φάση είναι διαφορετική διεργασία από την προσρόφηση σε αέρια φάση, κατά την οποία η παραµένουσα συγκέντρωση του µετάλλου στην κύρια µάζα του ρευστού, υπαγορεύει την κινητική (Smith, 1981). Οι εξισώσεις (16) και (19) περιγράφουν ικανοποιητικά τα πειραµατικά δεδοµένα σχεδόν σε όλη την χρονική έκταση της διεργασίας. Είναι αξιοσηµείωτο, ότι και τα δύο αυτά µοντέλα προσοµοιάζουν επαρκώς το γρήγορο ρυθµό της προσρόφησης κατά τη διάρκεια των πρώτων λεπτών του πειράµατος. Φαίνεται λοιπόν ότι η δέσµευση του µετάλλου από τη βιοµάζα ελέγχεται από αντίδραση δεύτερης τάξης. Στον Πίνακα 19 δίνονται οι τιµές των σταθερών των εξισώσεων (16) και (19), που προκύπτουν Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 169

187 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ µετά από την επεξεργασία των πειραµατικών δεδοµένων. Οι υπολογιζόµενες (θεωρητικές) χωρητικότητες για την ισορροπία είναι τις περισσότερες φορές αρκετά κοντά µε τις αντίστοιχες τιµές από τα πειράµατα ισορροπίας. Ωστόσο, η σταθερά ρυθµού του µοντέλου ψευδο-2 ης τάξης, k m, µεταβάλλεται µονότονα µε την συγκέντρωση στην κύρια µάζα, τάση που συναντάται και στη βιβλιογραφία (Cheug et al., 2001). Aντίθετα, η σταθερά του ρυθµού της εξίσωσης Ritchie 2 ης τάξης, k 2, µεταβάλλεται χωρίς φυσική σηµασία. Επιπρόσθετα, τα πειραµατικά δεδοµένα προσοµοιάζουν στατιστικά καλύτερα µε την εξίσωση (19). Παρόλη την καλή προσοµοίωση για τη βιορρόφηση στους 40 και 60 o C, οι σταθερές του ρυθµού της αντίδρασης και για τα δύο µοντέλα µεταβάλλονται τυχαία µε τη θερµοκρασία. Οι µορφολογικές διαφορές της επιφάνειας της βιοµάζας σε διαφορετικές θερµοκρασίες και η εξάρτηση της χωρητικότητας από τη θερµοκρασία µπορεί να σχετίζονται µε αυτή την ανωµαλία. Από τους αρχικούς υπολογισµούς µε την εφαρµογή του µοντέλου Arrhenius στις θερµοκρασίες αυτές, προέκυψαν ενέργειες ενεργοποίησης µικρότερες από 10 kj mol - 1, που είναι πολύ µικρότερες από αυτές που αναµένονται για διεργασίες που ελέγχονται από χηµική αντίδραση. Σηµειώνεται ότι η ενέργεια της φυσικής προσρόφησης είναι της τάξης του 10 kj mol -1 (Săg and Kutsal, 2000). Η βιορρόφηση του Cd(II) σε C. vulgaris περιγράφεται από την εξίσωση ψευδοδεύτερης τάξης, ενώ οι σταθερές του ρυθµού της βιορρόφησης που προκύπτουν µειώνονται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Η ενέργεια ενεργοποίησης για το παραπάνω σύστηµα υπολογίστηκε ίση µε 8,0 kj mol -1 (Aksu, 2001). Επίσης, η βιορρόφηση του Cd(II) σε ακινητοποιηµένη βιοµάζα Lentinus sajour-caju αποδείχθηκε ότι ακολουθεί αντίδραση ψευδο-δεύτερης τάξης (Bayramoglu et al., 2002). Η εξίσωση Elovich εφαρµόστηκε στη συνέχεια µε στόχο το συσχετισµό των πειραµατικών δεδοµένων. Η συγκεκριµένη εξίσωση αναφέρεται στη βιβλιογραφία για την επιτυχή περιγραφή της χηµειορόφησης µορίων ενός αερίου σε προσροφητικό υλικό (Cheung et al., 2001). Μία γενική εξήγηση του συγκεκριµένου µοντέλου περιλαµβάνει τη διαφοροποίηση της ενεργότητας της χηµειορόφησης ανάλογα µε την έκταση της επιφανειακής κάλυψης ή το γεγονός ότι οι ενεργές θέσεις δέσµευσης είναι ετερογενείς και γι αυτό διακρίνονται από διαφορετικές ενέργειες ενεργοποίησης (για χηµειορρόφηση). Στο Σχήµα 56 δίνονται οι καµπύλες που προκύπτουν από την Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 170

188 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ εφαρµογή του µοντέλου Elovich και τα πειραµατικά δεδοµένα ως σηµεία. Με την αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης του καδµίου η σταθερά β (σχετίζεται µε την επιφανειακή κάλυψη) ελαττώνεται εντυπωσιακά, οπότε η αύξηση στη συγκέντρωση του διαλύµατος µειώνει τη διαθέσιµη επιφάνεια του προσροφητικού για προσρόφηση (Πίνακας 20). Ενώ, η αύξηση της ποσότητας της βιοµάζας οδηγεί σε αύξηση των διαθέσιµων θέσεων δέσµευσης (Πίνακας 20). Η σταθερά α (σχετίζεται µε το ρυθµό της χηµειορρόφησης) αυξάνεται µε την αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης του µετάλλου. Ωστόσο, τα πειραµατικά δεδοµένα δεν θεωρούνται ότι προσοµοιάζουν ικανοποιητικά την εξίσωση Elovich, αφού οι συντελεστές συσχέτισης έχουν σχετικά µικρές τιµές. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 171

189 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) t (min) X:0.5 g L -1 εξισωση 15 X:1 g L -1 εξισωση 15 X:2 g L -1 εξισωση (β) X:0.5 g L -1 εξισωση 15 X:1 g L -1 εξισωση 15 X:2 g L -1 εξισωση t (min) Σχήµα 53. Κινητική της βιορρόφηση Cd(II) σε (α) 5 και (β) 50 mg L -1. Οι γραµµές αναφέρονται στην πρόβλεψη της συγκέντρωσης από την αντίδραση κινητικής 2 ης τάξης (εξίσωση 15, σε τιµή ph:7). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 172

190 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) X:0.5 g L -1 X:1 g L -1 X:2 g L -1 T:40 o C T:60 o C t (min) 6 (β) X:0.5 g L -1 X:1 g L -1 X:2g L -1 T:40 o C T:60 o C t (min) Σχήµα 54. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο ψευδο-2 ης τάξης για αρχική συγκέντρωση Cd(II):(α) 5 και (β) 50 mg L -1 (εξίσωση 16, σε τιµή ph: 7). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 173

191 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 7 6 (α) X:0.5g L -1 X:1 g L -1 X:2 g L -1 T:40 o C T:60 o C t (min) 50 (β) X:0.5 g L -1 X:1g L -1 X:2 g L -1 T:40 o C T:60 o C t (min) Σχήµα 55. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο Ritchie 2 ης τάξης για αρχική συγκέντρωση Cd(II):(α) 5 και (β) 50 mg L -1 (εξίσωση 19, σε τιµή ph: 7). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 174

192 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 19. Σύγκριση των κινητικών παραµέτρων µε τις ροφητικές χωρητικότητες από τα πειράµατα ισορροπίας. Ψευδο- Ritchie Συνθήκες Ισορροπία 2 ης τάξης 2 ης τάξης Co (mg L -1 ) T ( o C) Βιοµάζα (g L -1 ) q eq (mg g -1 ) q eq (mg g -1 ) k m (g mg 1 r 2 Βιοµάζα (g L -1 ) k 2 (min -1 ) r 2 (Πειραµατικό) (Θεωρη min -1 ) (Θεωρητι τικό) κό) Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 175

193 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) X:0.5 g L -1 X: 1g L -1 X:2 g L -1 T:40 o C T:60 o C t (min) (β) X:0.5 g L -1 X:1g L -1 X:2 g L -1 T:40 o C T:60 o C t (min) Σχήµα 56. Σύγκριση των πειραµατικών δεδοµένων µε τις θεωρητικές προβλέψεις από το µοντέλο Elovich για αρχική συγκέντρωση Cd(II): (α) 5 and (β) 50 mg L -1. (σε τιµή ph: 7). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 176

194 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 20. Οι κινητικές παράµετροι του µοντέλου Elovich. Συνθήκες Εlovich Co (mg L -1 ) T Βιοµάζα α β r 2 ( o C) (g L -1 ) (mmol h -1 g -1 ) (mmol g -1 ) Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 177

195 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Από τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης της εξίσωσης (21) στα πειραµατικά δεδοµένα σε διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις του µετάλλου, διαφορετική φόρτιση βιοµάζας και θερµοκρασίες, το µοντέλο διάχυσης του ολικού όγκου µπορεί να περιγράψει αρκετά καλά όλο το εύρος των πειραµατικών δεδοµένων, ακόµη και την αρχική απότοµη ελάττωση της συγκέντρωσης. Στον Πίνακα 21 δίνονται οι τιµές των Λ (η σχετική κατανάλωση του µετάλλου) και ξ (ο φαινόµενος χρόνος διάχυσης) καθώς και οι αριθµητικές τιµές του D c (R c =5 µm). Οι συγκεκριµένες τιµές του συντελεστή της διάχυσης που υπολογίστηκαν, ανταποκρίνονται στην απλή περίπτωση του µικροπόρου µε αντιπροσωπευτικό µέγεθος. Οι τιµές του συντελεστή διάχυσης αυξάνονται σε υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις µετάλλου. Η συµπεριφορά αυτή είναι αρκετά συνηθισµένη και συναντάται σαν αποτέλεσµα της µικρής κλίσης της καµπύλης ισορροπίας (ισόθερµη Langmuir) και ευθύνεται για την απότοµη αύξηση της διαχυτότητας µε την αύξηση της συγκέντρωσης (Smith, 1981). Οι τιµές του D c (Πίνακας 21) θεωρούνται ρεαλιστικές και συγκρίσιµες µε παρόµοια συστήµατα (Smith, 1988; Dzul Erosa et al., 2001). Θα πρέπει να σηµειωθεί, ότι οι συγκεκριµένοι ερευνητές εφάρµοσαν το µοντέλο αυτό για να περιγράψουν την εσωτερική διάχυση κατά την προσρόφηση καδµίου σε χητίνη. Οι τιµές διαχυτότητας που προκύπτουν στους 40 και 60 ο C είναι µικρότερες από την αντίστοιχη στους 20 ο C. Αυτό είναι αντίθετο µε το αναµενόµενο και πιθανόν να οφείλεται στη διαφορετική γεωµετρική µορφολογία της επιφάνειας της βιοµάζας σε υψηλότερες θερµοκρασίες. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 178

196 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) C o =5 mg L -1, s=0.5 g L -1 C o =5 mg L -1, s=1 g L -1 C o =5 mg L -1, s=2 g L -1 diffusion model t (min) (β) C o =5 mg L -1, s=1 g L -1, T=20 o C C o =5 mg L -1, s=1 g L -1, T=40 o C C o =5 mg L -1, s=1 g L -1, T=60 o C diffusion model t (min) Σχήµα 57. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της διάχυσης (εξίσωση 21) για αρχική συγκέντρωση 5 mg L -1 και (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετικές θερµοκρασίες.. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 179

197 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (γ) C o =50 mg L -1, s=0.5 g L -1 C o =50 mg L -1, s=1 g L C o =50 mg L -1, s=2 g L -1 diffusion model t (min) (δ) C o =50 mg L -1, s=1 g L -1, T=20 o C C o =50 mg L -1, s=1 g L -1, T=40 o C C o =50 mg L -1, s=1 g L -1, T=60 o C diffusion model t (min) Σχήµα 57. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της διάχυσης (εξίσωση 21) για αρχική συγκέντρωση 50 mg L -1 : (γ) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (δ) διαφορετικές θερµοκρασίες. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 180

198 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η µεταφορά του ρευστού προς το εσωτερικό του σωµατιδίου στην περίπτωση της µη-πορώδους βιοµάζας ή αλλιώς η πολύ αργή εσωτερική διάχυση, µπορεί να θεωρηθεί αµελητέα και να θεωρηθεί τελικά ότι η βιορρόφηση συµβαίνει κυρίως στην επιφάνεια του σωµατιδίου (κυτταρικό τοίχωµα). Η ιδέα αυτή µπορεί να εφαρµοστεί και σε περιπτώσεις σχετικά µεγάλων µακροπόρων, όπου τα ιόντα καδµίου µπορεί να έχουν άµεση πρόσβαση στις εσωτερικές θέσεις δέσµευσης. Αρχικές προσπάθειες για προσοµοίωση των εξισώσεων (28)-(29) σε όλη την χρονική διάρκεια οδηγεί σε µάλλον φτωχά αποτελέσµατα. Όµως αν θεωρηθεί ότι στην αρχή της διεργασίας συµβαίνει µία γρήγορη και ευνοική χηµική αντίδραση, τότε τα πειραµατικά δεδοµένα από τα πρώτα 2 min µπορούν να αγνοηθούν για την περαιτέρω µαθηµατική ανάλυση. Οι περισσότερες από τις καµπύλες που προκύπτουν (α από 0 µέχρι 0.9) προσοµοιάζουν αρκετά καλά από τις εξισώσεις του µοντέλου (28)-(29), παρόλο τη διασπορά των δεδοµένων (Σχήµα 58). Οι υπολογιζόµενες τιµές της σταθεράς της µεταφοράς µάζας K m S δίνονται στον Πίνακα 21. Οι τιµές της σταθεράς της µεταφοράς µάζας K m S κυµαίνονται από έως s -1, ενώ είναι σηµαντική η επίδραση της ποσότητας της βιοµάζας. Προκύπτει, λοιπόν, ότι η εξωτερική µεταφορά µάζας µπορεί να είναι ο κυρίαρχος µηχανισµός της ρόφησης, αµέσως µετά την αρχική ταχύτατη αποµάκρυνση του καδµίου. Οι Puranik et al., (1999) µελέτησαν τη βιορρόφηση των Pb και Zn από τις βιοµάζες S. cinnamoneum, Citrobacter sp, P. chrysogenum. Οι τιµές της σταθεράς της µεταφοράς µάζας K m S είναι ανεξάρτητες από τον τύπο του µεταλλικού ιόντος και εξαρτώνται από το µέγεθος και τη συγκέντρωση της βιοµάζας στον αντιδραστήρα. Έτσι, η βιοµάζα S. cinnamoneum (που εφαρµόζεται µε κοκκώδη µορφή) παρουσιάζει µικρούς συντελεστές µεταφοράς µάζας, ενώ η Citrobacter sp (που εφαρµόζεται ως αιώρηµα) παρουσιάζει υψηλές τιµές του συντελεστή µεταφοράς µάζας. Παρόµοια επίδραση του µεγέθους του βιορροφητικού στην κινητική της βιορρόφησης παρατηρείται και στη βιορρόφηση του ουρανίου από ακινητοποιηµένο Rhizopus arrhizus (Tsezos et al., 1988). Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 181

199 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) C o =5 mg L -1, s=0.5 g L -1, C o =5 mg L -1, s=1 gl -1, C o =5 mg L -1 s=2 g L -1 external mass transfer τ (β) C o =5 mg L -1, s=1 g L -1, T=20 o C C o =5 mg L -1, s=1 g L -1, T=40 o C C o =5 mg L -1, s=1 g L -1, T=60 o C external mass transfer Σχήµα 58. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της µεταφοράς µάζας τ (εξίσωση 28) για αρχική συγκέντρωση 5 mg L -1 : (α) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (β) διαφορετικές θερµοκρασίες. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 182

200 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (γ) C o =50 mg L -1, s=0.5 g L -1 C o =50 mg L -1, s=1 g L -1 C o =50 mg L -1, s=2 g L -1 external mass transfer τ (δ) C o =50 mg L -1, s=1 g L -1, T=20 o C C o =50 mg L -1, s=1 g L -1, T=40 o C C o =50 mg L -1, s=1 g L -1, T=60oC external mass transfer τ Σχήµα 58. Η πειραµατική µετατροπή α σε σχέση µε τις προβλέψεις της λύσης της εξίσωσης της µεταφοράς µάζας (εξίσωση 28) για αρχική συγκέντρωση 50 mg L -1 : (γ) διαφορετική ποσότητα βιοµάζας και (δ) διαφορετικές θερµοκρασίες. Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 183

201 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πίνακας 21. Κινητικές παράµετροι που προέκυψαν για τη διάχυση και την εξωτερική µεταφορά µάζας σε συνδυασµό µε τα προσροφητικά µοντέλα. C O T ( O C) βιοµάζα Λ= C/ C O ξ*10 5 D*10 16 K M S*10 4 (mg L -1 ) (g L -1 ) (s -1 ) (m 2 s -1 ) (s -1 ) Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 184

202 III. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Από τη µελέτη των πειραµάτων έκλουσης του καδµίου από τη βιοµάζα, που προηγουµένως είχε χρησιµοποιηθεί για ρόφηση του µετάλλου, είναι δυνατό να προκύψουν ορισµένες προτάσεις για το µηχανισµό της ρόφησης. Η έκλουση του µετάλλου παραγµατοποιήθηκε µε την εφαρµογή δύο κλασικών εκλουστικών διαλυµάτων, δηλ. HCl και EDTA (0.1Μ) (Κεφάλα, 2000). Η βιοµάζα που χρησιµοποιήθηκε για τα συγκεκριµένα πειράµατα είχε χρησιµοποιηθεί προηγουµένως σε πείραµα βιορρόφησης στους 20 o C µε 50 mg L -1 αρχική συγκέντρωση µετάλλου και 1 g L -1 βιοµάζας. Για τις συνθήκες αυτές, η ολική συγκέντρωση του καδµίου που προσροφήθηκε ήταν mg L -1. Η έκλουση δεν ήταν ιδιαίτερα γρήγορη (όπως η διεργασία της ρόφησης) ακόµη και µε το δραστικό αντιδραστήριο έκλουσης (EDTA). Μία πιθανή εξήγηση είναι, ότι τουλάχιστον ορισµένη ποσότητα του µετάλλου, που έχει προσροφηθεί στις εσωτερικές θέσεις της πορώδους βιοµάζας, απαιτεί αρκετό χρόνο για την αποπροσρόφησή της, εξαιτίας της διεργασίας αντίστροφης διάχυσης (Yang and Volesky, 1996) M HCl 0.1 M EDTA t (min) Σχήµα 59. Κινητική εκρόφησης του καδµίου: Επίδραση διαφορετικών εκροφητικών αντιδραστηρίων. C εκροφ είναι η συγκέντρωση του καδµίου που εκροφάται. Συνθήκες: (C eq = mg L -1, βιοµάζα: 1g L -1, ph: 7) Kεφάλαιο 5. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑ ΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 185

203 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE Το εξασθενές χρώµιο αποτελεί συστατικό των αποβλήτων των βυρσοδεψίων, των βιοµηχανιών παρασκευής βαφών και των µεταλλουργικών επιχειρήσεων. Οι συµβατικές µέθοδοι κατεργασίας υγρών αποβλήτων δε θεωρούνται ιδιαίτερα ικανοποιητικές ή είναι υπερβολικά δαπανηρές, όταν η αρχική συγκέντρωση του Cr(VΙ) είναι της τάξης των mg L -1 (Aksu et al., 1996). Η ιδιαιτερότητα της εφαρµογής της βιορρόφησης στην περίπτωση του χρωµίου προκύπτει από τη µορφή του οξυανιόντος µε την οποία εµφανίζεται το µέταλλο αυτό σε υδατικά διαλύµατα. Η δέσµευση του Cr(VΙ) χρησιµοποιώντας τη βιοµάζα A. caviae αυξάνεται µε µείωση των τιµών του ph του διαλύµατος, όπως φαίνεται στο Σχήµα 60. Η αποτελεσµατικότητα της αποµάκρυνσης αυξάνεται από ~10% σε ph 5 στο ~80% σε τιµή ph 2.5 οπότε, τα πειράµατα βιορρόφησης που ακολούθησαν πραγµατοποιήθηκαν σε αυτή την τιµή του ph. εν έγιναν τα αντίστοιχα πειράµατα απουσία βιοµάζας, γιατί δεν προβλέπεται σηµαντική αλλαγή των διαλυτών ανιονικών µορφών του Cr(VΙ) και µετατροπή του σε αδιάλυτα υδροξείδια. 186

204 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ (α) ph (β) ph Σχήµα 60. Επίδραση των τιµών του ph στη βιορρόφηση του Cr(VΙ): α) παραµένουσα συγκέντρωση και β) Re% αποµάκρυνση του Cr(VΙ). Συνθήκες:[Cr(VI)] o = 5 mg L -1, T: 20 o C, [βιοµάζα]:1 g L -1 t:1 h. Κεφάλαιο 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 187

205 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Εξάλλου, από τις τιµές του ζ-δυναµικού (Σχήµα 38) φαίνεται ότι σε τιµές ph κάτω από το ισοηλεκτρικό σηµείο της βιοµάζας (~2), το ολικό φορτίο της καθίσταται θετικό, οπότε ευνοείται η ηλεκτροστατική έλξη των µετάλλων από τη βιοµάζα, που εµφανίζονται ως οξυανιόντα. Καθώς η τιµή του ph αυξάνεται (προς αλκαλικές τιµές), το ολικό φορτίο των κυττάρων είναι αρνητικό και η βιορρόφηση ελαττώνεται. Από τα προηγούµενα, προκύπτει ότι η αποµάκρυνση του Cr(VΙ) σε χαµηλές τιµές ph µπορεί να οφείλεται σε έλξη προς τις θετικά φορτισµένες επιφανειακές οµάδες της βιοµάζας ή ακόµη και σε αναγωγή του Cr(VΙ) σε Cr(ΙΙΙ) και ακόλουθη δέσµευση του τρισθενούς χρωµίου (κατιόν) από την αρνητικά φορτισµένη βιοµάζα. Θα πρέπει όµως να επισηµανθεί, ότι στη συγκεκριµένη περίπτωση δεν παρατηρήθηκε αναγωγή του Cr(VΙ), κάτι που προέκυψε αρχικά από µια οπτική παρατήρηση της βιοµάζας, στην οποία βιορροφήθηκε το χρώµιο, η οποία δεν χρωµατίστηκε πράσινη (καθώς το τρισθενές χρώµιο παρουσία και εξασθενούς χρωµίου έχει πράσινο χρώµα). Ταυτόχρονα, η τιµή του ph του διαλύµατος δεν µεταβαλλόταν καθόλη τη διάρκεια του πειράµατος της βιορρόφησης, γεγονός που αποτελεί ένδειξη ότι δεν γίνεται αναγωγή του Cr(VΙ), καθώς στην τελευταία περίπτωση, λόγω των οξειδοαναγωγικών δράσεων, θα αναµένονταν αντίστοιχη µεταβολή του ph. Η δέσµευση του Cr(VΙ), µε αναγωγή του προς Cr(ΙΙΙ), αυξάνεται µε την αύξηση του ph της ισορροπίας του συστήµατος βιορρόφησης (Kratochvil et al., 1998). Τέλος, µετά από τον προσδιορισµό της συγκέντρωσης του ολικού Cr στο σύστηµα µε την εφαρµογή της ΑΑS, βρέθηκε ότι η συγκέντρωση αυτή συµπίπτει µε τη συγκέντρωση του εξασθενούς χρωµίου. Η βιορρόφηση του Cr(VΙ) φαίνεται να είναι ταχύτατη διαδικασία, όπως προκύπτει από το παρακάτω σχήµα, αφού το 40% της συνολικής συγκέντρωσης του µετάλλου αποµακρύνεται στα πρώτα 5 min, ενώ το σύστηµα φθάνει σε ισορροπία σε περίπου 1 h, οπότε παρατηρείται δέσµευση µετάλλου που προσεγγίζει το 60%. Κεφάλαιο 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 188

206 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 5 4 (α) X:1 g L t (min) (β) t (min) Σχήµα 61. Επίδραση του χρόνου βιορρόφησης στην αποµάκρυνση του Cr(VΙ) µε εφαρµογή της βιοµάζας A. caviae: α) παραµένουσα συγκέντρωση και β) Re% αποµάκρυνση του Cr(VΙ). Συνθήκες πειράµατος: [Cr(VΙ)] o :5 mg L -1, [βιοµάζα]:1 g L -1, τιµή ph: 2.5, T: 20 o C. Κεφάλαιο 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 189

207 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η δέσµευση του µετάλλου φαίνεται από το φάσµα FTIR της βιοµάζας, που έχει χρησιµοποιηθεί σε πείραµα βιορρόφησης µε υδατικό διάλυµα αρχικής συγκέντρωσης Cr(VI) 50 mg L -1. Σχήµα 62. Φάσµα FTIR της βιοµάζας A. caviae που χρησιµοποιήθηκε προηγουµένως για την αποµάκρυνση του Cr(VΙ) σε θερµοκρασία 20 o C. Η εµφάνιση κορυφών στα 3000 και 900 cm -1 επισηµαίνει τη δέσµευση των χρωµικών ιόντων από καρβοξυλικές και φωσφορικές οµάδες, αντίστοιχα. Επίσης, οι διαφορές που εµφανίζονται στα 2920 cm -1 + αντιστοιχούν σε N-H, O-H και NH 3 δονήσεις έκτασης στα φάσµα της βιοµάζας, πριν και µετά την εφαρµογή του µετάλλου, καταδεικνύοντας το ρόλο και των αµινοοµάδων στη βιορρόφηση του µετάλλου. Γενικά, το κυτταρικό τοίχωµα των Gram- βακτηρίων αποτελείται από πολυσακχαρίδια και πρωτεϊνες, οπότε οι αµινοοµάδες αποτελούν σηµαντικό συστατικό της επιφάνειας τους. Σε χαµηλές τιµές ph, οι συγκεκριµένες οµάδες πρωτονιώνονται, οπότε τα αρνητικά οξυανιόντα του χρωµίου έλκονται ηλεκτροστατικά από τις θετικά φορτισµένες αµινοοµάδες του κυτταρικού τοιχώµατος (Pethkar et al., 2001). Κεφάλαιο 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 190

208 ΙΙΙ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Εξάλλου, από τις φωτογραφίες στο ηλεκτρονικό µικροσκόπιο διακρίνεται σηµαντική αλλαγή στη µορφολογία της επιφάνειας της βιοµάζας (Σχήµα 63). Η ανοµοιοµορφία στη βιοµάζα εξακολουθεί να είναι ορατή, ενώ δεν είναι διακριτές πλέον οι ραβδώσεις, πιθανόν εξαιτίας της δέσµευσης του µετάλλου. Εξάλλου, στις περιοχές αυτές ανιχνεύθηκε µεγαλύτερη ποσότητα χρωµίου από ότι στην υπόλοιπη µε εστίαση του µικροαναλυτή στην επιφάνεια της βιοµάζας. Σχήµα 63. Φωτογραφία SEM της Aeromonas caviae που χρησιµοποιήθηκε για την αποµάκρυνση του Cr(VΙ) σε θερµοκρασία 20 o C Μελέτη της επίδρασης της ποσότητας της βιοµάζας και της θερµοκρασίας στη βιορρόφηση του Cr(VI) Στα πειράµατα ισορροπίας η αρχική συγκέντρωση του µετάλλου µεταβαλλόταν από 1 έως 320 mg L -1, καθώς η ποσότητα της βιοµάζας παρέµενε σταθερή, ενώ τα πειραµατικά αποτελέσµατα συσχετίστηκαν µε τα µοντέλα προσρόφησης Langmuir και Freundlich. Οι σταθερές που προκύπτουν, καθώς και οι συντελεστές συσχέτισης δίνονται στον πίνακα 22. Το µοντέλο προσρόφησης Langmuir προσοµοιάζει Κεφάλαιο 6. ΒΙΟΡΡΟΦΗΣΗ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ AEROMONAS CAVIAE 191