Wyznaczanie efektywnego współczynnika dyfuzji soli kadmu w biosorbencie alginianowym

• Autorzy: Kwiatkowska-Marks S. , Kopinski L. , Wójcik M.

Warianty tytułu

EN

Determination of the effective diffusivity of cadmium salts in aliginate biosorbent

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Sorpcja na materiałach pochodzenia biologicznego jest uznawana za jedną z najbardziej obiecujących technik usuwania metali ciężkich ze ścieków. Bardzo efektywnymi biosorbentami jonów metali ciężkich są alginiany, (odnosi się to szczególnie do rozcieńczonych roztworów wodnych) , a ich dodatkową zaletą jest możliwość ponownego użycia po regeneracji. Przez odpowiednią obróbkę można otrzymać żele alginianów w postaci kulistych granulek. Szybkość sorpcji jonów metali ciężkich na granulkach alginianowych jest z reguły limitowana szybkością dyfuzji wewnętrznej, którą charakteryzuje efektywny współczynnik dyfuzji De. Istniejące metody wyznaczania De związane są ze stosowaniem pracochłonnych procedur analitycznych przy pomiarze stężenia jonów metali ciężkich. Opracowano nową metodę wyznaczania efektywnego współczynnika dyfuzji metali ciężkich w granulkach biosorbentu, która polega na zastosowaniu konduktometru do wyznaczania zmian stężenia danego metalu w roztworze i powiązaniu tych pomiarów z efektywnym współczynnikiem dyfuzji. Do badań używano alginianu sodu o niskiej lepkości, pochodzącego z firmy Sigma-Aldrich. Granulki alginianowe otrzymano przez wkraplanie roztworu biopolimeru do 0,05M chlorku wapnia, uzyskując granulki alginianu wapnia o zawartości alginianu: 1,5, 3,7 i 5,7% suchej masy. Otrzymane granulki zanurzano w O, IM roztworze siarczanu lub chlorku kadmu w celu zastąpienia jonów wapniowych kadmowymi. Badania prowadzono w układzie zamkniętym w stałej temperaturze 25°C. Sole kadmu znajdujące się w porach granulek alginianowych dyfundowały do wody destylowanej, a o szybkości procesu decydował efektywny współczynnik dyfuzji. Wzrost stężenia soli kadmu w roztworze prowadził do wzrostu przewodnictwa, które mierzono w odpowiednich odstępach czasu, używając konduktometru CPC-551 firmy Elmetron. Wyznaczony nową metodą efektywny współczynnik dyfuzji De soli kadmu w granulkach alginianowych wynosił od 0,37 do 0,73-10-9 [m2/s]. Wzrost zawartości alginianu w granulkach prowadził do zmniejszenia się wartości De i współczynnika spowolnienia, zgodnie z mechanizmem dyfuzji w porowatych nośnikach.

EN

Sorption by material of biological origin is recognized as an emerging technique for elimination of heavy metals from polluted streams. Very effective biosorbents of heavy metal ions are alginates, especially in the case of the diluted aqueous solutions. The alginate gels are obtained in the form of spherical beads by a suitable treatment. The rate of the heavy metal ions sorption by alginate beads is as a rule limited by the rate of internal diffusion characterized by the effective diffusivity De. Commonly used methods of De determination apply the labour-consuming procedures allowing to measure the heavy metal ions concejitration. In this work a method was developed which depends on using a con-ductometer to determine the changes of cadmium salts concentrations in solution and connection of these determinations with effective diffusivity. Sodium alginate purchased from Sigma-Aldrich was used in preparation of alginate biosorbent. In the first step the calcium alginate beads were obtained by dripping the sodium alginate solution into 0.05M CaCl2. By this procedure biosorbent beads of three different concentrations (1.5, 3.7 and 5.7% w/w) were prepared. In the next step the beads were soaked in 0.1 M CdSO4or CdCl2 solutions to replace calcium with cadmium ions. The determination of effective diffusity was carried out in a closed system, at a constant temperature 25°C. Cadmium salts diffused from the pores of beads to distilled water and the process was limited by diffusion. The increase of CdSO4 or CdCl2 concentration in solution causes the increase of conductivity. At selected time intervals conductMry of sołution was measured by microcomputer conductometer CPC-551 from Elmetron. These data were used for calculation of effective diffusivity De which ranged from 0,37-10 9 to 0,73-10 9 [m2/s]. The effective diffusivity decrease with the increase of alginate concentration. It is in accordance with a mechanism of diffusion in porous carriers.

Słowa kluczowe

PL

biomateriał; metale ciężkie; alginian; współczynnik dyfuzji; kadm

EN

biomaterial; heavy metals; alginate; diffusivity coefficient; cadmium ions

• Wydawca: Bydgoskie Towarzystwo Naukowe
• Czasopismo: Ekologia i Technika
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 19, nr 1
• Strony: 3--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kwiatkowska-Marks S.

autor

Kopinski L.

autor

Wójcik M.

• Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J.J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej, Katedra Inżynierii Chemicznej i Bioprocesowej, 85-326 Bydgoszcz, ul. Seminaryjna 3

Bibliografia

• 1. Dyrektywa 2006/11/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 15 lutego 2006r. w sprawie zanieczyszczenia spowodowanego przez niektóre substancje niebezpieczne odprowadzane do środowiska wodnego Wspólnoty.
• 2. Kula L. Ugurlu M., Karaoglu H., Celik A., 2008, Adsorption of Cd(II) ions from aqueous solutions using activated carbon prepared from olive stone by ZnCl2 activation. Bioresource Technology, 99, 492-501.
• 3. Wyszkowska J., Kucharski M., Kucharski J., 2008, Przebieg procesu nitryfikacji w glebie zanieczyszczonej kadmem. Ekologia i Technika, vol.XVI nr 5A, 195-200.
• 4. Kwiatkowska-Marks S., Milek J., Wójcik M., 2008, The effect of pH on the sorption of copper ions by alginates. Polish Journal of Chemical Technology, 10, 28-30.
• 5. Kwiatkowska-Marks S., Wójcik M., 2004, Równowagi sorpcyjne dla sorpcji jonów miedzi i kadmu na alginianach. Inżynieria Chemiczna i Procesowa, 2s, 1237-1242.
• 6. Kwiatkowska S., Wójcik M., Grubecki I., 2001, Wyznaczanie równowag sorpcyjnych dla sorpcji jonów Cu(II) przez granulki alginianowe. Inżynieria Chemiczna i Procesowa, 22, 3C, 849-854.
• 7. Kwiatkowska S., Wójcik M., 2000, Usuwanie miedzi z roztworów wodnych za pomocą sorpcji na alginianie wapnia. Ekologia i Technika, Vol. VIII, nr 3, 69-72.
• 8. Kwiatkowska S., Wójcik M., 1999, Zastosowanie alginianów do sorpcji jonów Cu(II). Zeszyty naukowe Politechniki Łódzkiej. Inżynieria Chemiczna i Procesowa, nr 26, 75-78.
• 9. Chen D., Lewandowski Z., Roe F., Surapaneni P., 1993, Diffusivity of Cu(II) in Calcium Alginate Gel Beads. Biotechnology and Bioengineering, 41, 755-760.
• 10. Jang K.L., 1994, Diffusivity of Cu2+ in Calcium Alginate Gel Beads. Biotechnology and Bioengineering, 43, 183-185.
• 11. Apel M. L., Torma A. E., 1993, Determination of Kinetics and Diffusion Coefficients of Metal Sorption on Ca-Alginate Beads. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 71, 652-656.
• 12. Tabiś B., 2000, Zasady inżynierii reaktorów chemicznych. WNT Warszawa.
• 13. Levenspiel O.: Chemical Reaction Engineering. John Wiley & Sons, Inc. London 1972.
• 14. Yang J., Volesky B., 1996, Intraparticle diffusivity of Cd ions in a new biosorbent material. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 66,355-364
• 15. Kwiatkowska-Marks S.: Badania nad sorpcją jonów Cu(II) przez alginiany. Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej Politechniki Szczecińskiej , Szczecin 2004r. (praca doktorska).
• 16. Klimiuk E., Kuczajowska-Zadrożna M., 2002, The Effect of Poly(vinyl Alcohol) on Cadmium Adsorption and Desorption from Alginate Adsorbents. Polish Journal of Environmental Studies, 11, 375-384.
• 17. Yolesky B., 2003, Biosorption process simulation tools. Hydrometallurgy 71, 179-190.
• 18. Papageorgiou S.K., Kouvelos E.P., Katsaros F.K., Nolan J.W., Le Delt H., Kanellopoulos N.K., 2006, Heavy metal sorption by calcium alginate beads from Laminaria digitata. Journal of Hazardous Materials B137, 1765-1772.
• 19. Papageorgiou S.K., Kouvelos E.P., Katsaros F.K., 2008, Calcium alginate beads from Laminaria digitata for the removal of Cu+2 and Cd+2 from dilute aqueous solutions. Desalination 224, 293-306.
• 20. Lagoa R., Rodrigues J.R., 2007, Evaluation of Dry Protonated Calcium Alginate Beads for Biosorption Applications and Studies of lead Uptake. Appl Biochem Biotechnology, 143, 115-128.