Numerical modeling of Cu2+ and Mn2+ ions biosorption by aspergillus niger fungal biomass in a continuous reactor

• Autorzy: Shabani K. S. , Aredejani F. D. , Singh R. N. , Marandi R. , Soleimanyfar H.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne biosorpcji jonów Cu2+ i Mn2+ przez biomasę składającą się z grzyba Aspergillus Niger w reaktorze ciągłym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper attempts to model the biosorption of copper and manganese ions from acid mine drainage (AMD) at Sarcheshme porphyry copper mine using Aspergillus Niger fungal. A numerical finite volume model has been developed using PHOENICS multi-purpose commercial software. The model was first calibrated using analytical equation. The contaminant transport model consists of advection and dispersion processes without adsorption and taking linear adsorption into consideration. The numerical model was then used to simulate a mass transport problem including non-linear adsorption process with Langmuir isotherm and Yoon-Nelson pseudo second order kinetics model. The results obtained from the numerical model were compared with the breakthrough curves of a Lab test at three different flow rates of 2, 4 and 6 (mL/min) in a continuous reactor. In the non-linear adsorption case, there exist a good fitting between numerical model and laboratory breakthrough curves. The results show that the increase in the flow rate, increased the contact time between biomass and AMD flow in the reactor and accordingly biomass (adsorbent) was saturated faster in increasing flow rate; leading to increase the fitting between modeling and experimental breakthrough curves. A sensitivity analysis of the major parameters that influence the biosorption process has been carried out in this paper. It was found that the biosorption process is most sensitive to the maximum adsorption capacity. Its lower values resulted in steeper breakthrough curves and causing delays in biosorption mechanisms. The model is also sensitive to the reactor length. The increase in the reactor length considerably increases the biosorption process. The results of model presented here can be used in designing an appropriate remediation strategy based on adsorption process for treatment of AMD containing toxic metals.

PL

W pracy podjęto próbę modelowania procesu biosorpcji jonów miedzi i manganu z kwaśnych wód kopalnianych (AMD) w kopani porfiru i miedzi w Sarchesme, przy użyciu grzybów Aspergillus Niger. Opracowano numeryczny model z wykorzystaniem metody objętości skończonych przy pomocy wielozadaniowego komercyjnego programu PHOENICS. Model został następnie skalibrowany w oparciu o równania analityczne. Model transportu zanieczyszczeń obejmuje procesy adwekcji i dyspersji bez adsorpcji, z uwzględnieniem adsorpcji liniowej. Model numeryczny został następnie wykorzystany do symulacji procesów transportu masy, łącznie z procesami adsorpcji nieliniowej opisanej izotermą Langmuira i modelem kinetycznym pseudo-drugiego rzędu Yoon-Nelsona. Wyniki modelowania numerycznego zostały następnie porównane z krzywą bazową otrzymaną w badaniach laboratoryjnych dla trzech wartości natężenia przepływu: 2, 4, 6 mL/min w reaktorze ciągłym. W przypadku adsorpcji nieliniowej, obserwujemy dobrą zgodność modelu numerycznego z krzywymi sorpcji otrzymanymi a z badań laboratoryjnych. Wyniki wskazują, że zwiększenie natężenia przepływu powoduje wydłużenie czasu kontaktu pomiędzy biomasą a kwaśnymi wodami kopalnianymi w reaktorze a biomasa (adsorbent) szybciej ulega nasyceniu przy zwiększonych natężeniach przepływu, dając lepszą zgodność pomiędzy krzywymi otrzymanymi z modelowania i z badań laboratoryjnych. Przeprowadzono analizę wrażliwości głównych parametrów wpływających na przebieg procesu biosorpcji. Stwierdzono, że proces biosorpcji wykazuje największą wrażliwość na zmiany maksymalnej zdolności adsorpcyjnej. Jej niższe wartości dają bardziej stromo nachylone krzywe, co oznacza opóźnienia mechanizmu biosorpcji. Model jest także wrażliwy na zmiany długości reaktora. Znaczne zwiększenie długości reaktora prowadzi do zwiększenia procesu biosorpcji. Przedstawione w pracy wyniki modelowania mogą być wykorzystane przy projektowaniu strategii oczyszczania kwaśnych wód kopalnianych zawierających metale toksyczne w oparciu o procesy adsorpcji.

Słowa kluczowe

EN

numerical modelling; finite volume method; biosorption; Cu2+ and Mn2+ ions; Aspergillus Niger fungal; acid mine drainage

PL

modelowanie numeryczne; metoda objętości skończonych; biosorpcja jonów Cu2+ i Mn2+; grzyb Aspergillus Niger; kwaśne wody kopalniane

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 56, no 3
• Strony: 461--476
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., wykr.

Twórcy

autor

Shabani K. S.

autor

Aredejani F. D.

autor

Singh R. N.

autor

Marandi R.

autor

Soleimanyfar H.

• Mining Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran

Bibliografia

• Ani E.C., Wallis S., Kraslawski A., Serban Agachi P., 2009. Development, calibration and evaluation of two mathematical models for pollutant transport in a small river. Environmental Modeling & Software, 24, 1139-1152.
• Bani Assadi A., Doulati Ardejani F., Karami G.H., Dahr Azma B., Atash Dehghan R., Alipour M., 2008. Heavy metal pollution problems in the vicinity of heap leaching No. 3 of Sarcheshmeh porphyry copper mine. 10th International Mine Water Association Congress, June 2-5, Karlovy Vary, Czech Republic, 355-358.
• Chen M., Soulsby C., Younger P.L., 1999. Modeling the evolution of mine water pollution at Polkemmet Colliery, Almond catchment, Scotland. Quarterly, Engineering Geology, 32 (4), 351-362.
• Domenico, P.A., Schwartz, F.W., 1990. Physical and chemical hydrogeology. 1st edition, John Wiley & Sons, Inc., New York, 824 p.
• Doulati Ardejani F., Badii Kh., Yousefi Limaee N., Mahmoodi N.M., Arami M., Shafaei S.Z., Mirhabibi, A.R., 2007. Numerical modelling and laboratory studies on the removal of Direct Red 23 and Direct Red 80 dyes from textile effluents using orange peel, a low-cost adsorbent. Dyes and Pigment, 73 (2), 178-185.
• Doulati Ardejani F., Sing R.N., Baafi E.Y., 2004a. Use of PHOENICS for solving one dimensional mine pollution problems. The PHOENICS Journal: Computational Fluid Dynamics & its applications, 16, CHAM, UK, p 23.
• Doulati Ardejani, F., Singh, R.N., Baafi , E.Y., 2004b. Numerical modeling of ion-exchanging solute transport in groundwater systems. The PHOENICS Journal: Computational Fluid Dynamics and its Applications, Volume 16, CHAM, UK, 18P.
• Equeenuddin Sk. Md., Tripathy S., Sahoo P.K., Panigrahi M.K., 2009. Hydrogeochemical characteristics of acid mine drainage pollution at Makum Coalfield, India. Geochemical Exploration, Accepted Manuscript, 4, 1-32.
• Gin K.Y., Tang Y.Z., Aziz, M.A., 2002. Derivation and application of a new model for heavy metal biosorption by algae. Water Research, 36-1313-1323.
• Green S.R., Clothier B.E., 1994. Simulation water and chemical movement into unsaturated soils. The PHOENICS Journal: Computational Fluid Dynamics and its Applications, 7 (1), 76-92.
• Guangyu Y., Viraraghaven T., 2001. Heavy metal removal in biosorption Column by immobilized M.rouxii biomass. Bioresource Technology, 78, 243-249.
• Hachem C., Bocquillon F., Zahraa O., Bouchy M., 2001. Decolourization of textile industry wastewater by the photocatalytic degradation process. Dyes and Pigments, 49, 117-25.
• Navarro-Torres V.F., Singh R.N., Pathan A.G., 2008. Mine Water Sustainability and the Management of Sustainable Mining Practices with Special Reference to Tungsten Mining. Archive of Mining Science, 53 (1), 75-85.
• Patankar, S.V., 1980. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Taylor & Francis, USA, 197p.
• Pickens, J.F., Lennox W.C., 1976. Numerical simulation of waste movement in steady groundwater flow systems. Water Resources Research, 12 (2), 171-180.
• Putti, M., Yen W.W.G., Mulder W.A., 1990. A triangular finite volume approach with high-resolution upwind terms for the solution of groundwater transport equations. Water Resources Research, 26 (12), 2865-2880.
• Raghavana K.V., Jegana J., Palanivelub K., Velan M., 2004. Removal of nickel (II) ions from aqueous solution using crab shell particle a packed bed up-flow column. Journal of .Hazardous Materials, 113, 223-230.
• Ramovski R., Sciban M., 2007. Biosorption of Cr (IV) and Cu (II) by waste tea fungal biomass. Ecological Engineering, 34 (2), 179-186.
• Reddi L.N., Inyang H.I., 2000. Geoenvironmental Engineering, principles and applications. Marcel Dekker, Inc., New York, 494p.
• Rubio R.F., Lorca D.F., 1993. Mine water drainage. Journal of Mine Water and the Environment, 12, 107-130.
• Sheng D., Smithe D.W., 1997. Analytic solutions to the advective contaminant transport equation with non-linear sorption. Research Report No.158. 12.
• Singh R., Doulati Ardejani F., 2004. Finite volume discretisation for solving acid mine drainage problems. Archive of Mining Science, 49 (4), 531-556.
• U.S. Environmental Protection Agency, 1994. Technical Document: Acid Mine Drainage Prediction. EPA 730-R-94-036, Office of Solid Waste, Special Waste Branch, Washington D. C.
• Vegilo F.A., Esposito A., Reverberi A.P., 2003. Standardization of heavy metal biosorption test: equilibrium and modeling study. Process Biochemistry, 38, 953-961.
• Versteeg H.K., Malalasekera W., 1995. An introduction to computational fluid dynamics, the finite volume method. Prentice Hall, UK, 257p.
• Volesky B., 1990. Biosorption of heavy metals. CRC Press, Florida.
• Wang H.F., Anderson M.P., 1982. Introduction to groundwater modeling, finite difference and finite element methods. W.H. Freeman and Company, San Francisco, 237 p.