Magnetické biokompozitní materiály pro odstranění významných xenobiotik z vodních systémů

Ing. Eva BALDÍKOVÁ

Doctoral thesis

Magnetic biocomposite materials for removal of significant xenobiotics from water systems

Abstract:

Teoretická část předložené dizertační práce poskytuje ucelený pohled na problematiku přípravy a následného využití magnetických derivátů biologických materiálů pro separace xenobiotik z vod. Pozornost je zaměřena zejména na magnetickou modifikaci odpadních materiálů či vedlejších produktů zemědělského a potravinářského průmyslu, které reprezentují široce dostupné materiály za minimální cenu, a také na mikrobiální buňky. Kromě popisu přípravy magnetických částic a jednotlivých dostupných technik magnetické modifikace je zde uvedena stručná charakteristika vybraných polutantů a rozsáhlý tabulkový přehled využití biomateriálů s adekvátní magnetickou odezvou pro biosorpce organických barviv, těžkých kovů, farmaceutických preparátů a přípravků osobní péče společně s všudypřítomnými průmyslovými endokrinními disruptory a v neposlední řadě také ropných derivátů. Experimentální část se zabývá přípravou a optimalizací nových typů magnetických materiálů. Důraz je kladen na využití jednoduchých, rychlých a zároveň cenově přijatelných magnetizačních technik (např. postmagnetizace magnetickými oxidy železa připravenými pomocí mikrovlnného záření či jednokroková modifikace magnetickými kapalinami). Vybrané rostlinné materiály (ječná a žitná sláma) byly chemicky modifikovány za účelem významného (až pětinásobného) navýšení maximálních adsorpčních kapacit pro testovaná barviva. Veškeré připravené biomateriály vykazovaly dobrou magnetickou odezvu a zároveň relativně vysokou adsorpční kapacitu pro vybraná xenobiotika v testovaných podmínkách. Byly studovány faktory významně ovlivňující adsorpci, jako je pH, počáteční koncentrace, inkubační doba či teplota. Adsorpční rovnovážná data byla vyhodnocena pomocí Langmuirova, Freundlichova či Sipsova modelu. Experimentální data z časové závislosti byla analyzována pomocí vybraných kinetických modelů, konkrétně modelu pseudo-prvního a pseudo-druhého řádu a intračásticového difúzního modelu. Termodynamické parametry (Gibbsova volná energie, entalpie a entropie) popisující povahu adsorpce byly taktéž zahrnuty do studie.

Abstract:

The theoretical part of this doctoral thesis provides a comprehensive overview on the topic of preparation and subsequent utilization of magnetic derivatives of biological materials for xenobiotic separation from water. Main attention is paid to magnetic modification of waste materials and by-products originating from agricultural and food industry, which represent widely available and low-cost materials, and also to magnetic modification of microbial cells. In addition to the description of magnetic particle preparation and individual developed techniques of magnetic modification, a brief characterization of selected pollutants and a detailed table overview on utilization of magnetically responsive biomaterials for biosorption of organic dyes, heavy metals, pharmaceutical and personal care products together with ubiquitous industrial endocrine disruptors and also of crude oil derivatives is presented. Experimental part of this thesis is focused on the preparation and optimization of new types of magnetic materials. Emphasis is placed on the employment of simple, fast and simultaneously low-cost magnetic modification techniques (e.g., postmagnetization using microwave-synthesized magnetic iron oxides or one-step modification by magnetic fluids). Selected plant materials (barley and rye straw) were chemically modified to significantly (up to five-times) increase the maximum adsorption capacities for tested dyes. All prepared biomaterials exhibited a great magnetic response and simultaneously relatively high adsorption capacity for selected xenobiotics under experimental conditions used. Factors substantially affecting adsorption process, such as pH, initial concentration, incubation time or temperature were also studied. Adsorption equilibrium data were assessed using Langmuir, Freundlich or Sips isotherm models. Experimental data from time dependence study were analyzed by chosen kinetic models, namely the pseudo-first-order and pseudo-second-order ones and by intraparticle diffusion model. Thermodynamic parameters (Gibbs free energy, enthalpy and entropy) describing the nature of adsorption were also included in study.

Keywords

adsorpce, rostlinná biomasa, magnetické částice, magnetická modifikace, magnetická separace, magnetický biokompozit, mikrobiální biomasa, odstranění xenobiotik

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 8. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 19. 9. 2017

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Agriculture

Doctoral programme / field:
Chemie / Agricultural chemistry