Studium biosorpce Cr(VI) z průmyslových odpadních vod pomocí Acidithiobacillus ferrooxidans a Acetobacter aceti.

Martina Nováčková

Doctoral thesis

Biosorption Study of Cr (VI) from Industrial Wastewater Using Acidophilic Bacteria Acidithiobacillus Ferrooxidans and Acetobacter Aceti.

Abstract:

Odstranění a obnova těžkých kovů z odpadních vod jsou aktuálním tématem studia nejen díky tržním hodnotám vybraných kovů, ale hlavně pro jejich dopad na životní prostředí. Konvenční metody využívané k odstraňování těžkých kovů z odpadních vod prokazují určité nevýhody především při koncentracích pod 100 mg l-1. Biosorpce je efektivní alternativní metoda využívající levné biologické adsorbenty k odstraňování kovů z roztoků právě v takto nízkých koncentracích. Disertační práce se zabývá možností odstranění Cr(VI) z průmyslových odpadních vod pomocí acidofilních bakterií Acidithiobacillus ferrooxidans a Acetobacter aceti. V rámci stanovení optimálních podmínek procesu byl studován efekt teploty (20 °C a 40 °C), vstupní koncentrace biomasy (0,2 mg l−1 a 0,8 mg l−1), pH vodného roztoku (pH 1 a 5 pro Acidithiobacillus ferrooxidans, resp. pH 2 a 6 pro Acetobacter aceti) a rychlosti otáček (200 ot min-1 a 400 ot min-1) na proces biosorpce pomocí 24 faktoriálního návrhu. Díky své acidofilní povaze dokázala bakteriální biomasa adsorbovat Cr(VI) na vysoké úrovni. Největší vliv na biosorpci měla hodnota pH, přičemž nejvyšší učinnosti odstranění Cr(VI) bylo dosaženo v silně kyselém prostředí. Kinetika adsorpce byla hodnocena na základě dvou modelů a to kinetického modelu pseudo-prvního řádu a kinetického modelu pseudo-druhého řádu. Rovnováha adsorpce nastala po 80 min (Acidithiobacillus ferrooxidans), resp. 100 min (AAcetobacter aceti). Nelineární Langmuirův model adsorpční izotermy poskytl nejlepší korelaci experimentálních dat, maximální adsorpce Cr(VI) dosáhla hodnoty 1 458,3 mg g-1 v případě biomasy Acidithiobacillus ferrooxidans a hodnoty 2 994,3 mg g−1 v případě biomasy Acetobacter aceti. Výsledky tedy prokázaly vhodnost použití neživé biomasy Acetobacter aceti. Účinnost odstranění Cr(VI) ze vzorku reálné průmyslové odpadní vody ze zbrojařské výroby fy Česká zbrojovka a.s., Uherský Brod dosáhla hodnoty 82,5 %. Biomasa Acidithiobacillus ferrooxidans prokazovala ve srovnání s biomasou Acetobacter aceti poloviční účinnost a tedy byla vyhodnocena jako nevhodná pro odstraňování Cr(VI).

Abstract:

There have been a number of studies considering the possibility of removing and recovering heavy metals from diluted solutions. These are due, principally, because of the commercial value of some metals as well as in the environmental impact caused by them. The traditional methods for removing have several disadvantages, especially when metals are present in concentrations lower than 100 mg l-1. Biosorption, which uses biological materials as adsorbents, has been considered as an alternative method. In this dissertation work, two different species of bacterial biomass were used as biosorbents to remove Cr(VI) from aqueous solutions. Batch experiments were conducted to study the effects of temperature (20 °C and 40 °C), initial concentration of biosorbent (0,2 mg l−1 and 0,8 mg l−1), pH of solution (1 and 5 for Acidithiobacillus ferrooxidans, resp. 2 and 6 for Acetobacter aceti) and agitation speed (200 ot min-1 and 400 ot min-1) on biosorption. Due to their acidophilic nature, bacterial biomass was able to adsorb Cr(VI) at a very high level. The 24 factorial design was used to optimalize the parameters of biosorption. The main effect on the biosorption process had a pH value. The removal rate of Cr(VI) was enhanced by very acid conditions. The kinetics of the adsorption was discussed on the basis of two kinetic models, i. e., the pseudo-first-order and the pseudo-second-order. Equilibrium was reached after 80 min for Acidithiobacillus ferrrooxidans, respectively 100 min for Acetobacter aceti. The pseudo-second-order kinetic model described the adsorption of Cr(VI) on bacterial biomass better then pseudo-first-order kinetic model. The non-linear Langmuir model provided the best correlation of experimental data, maximum adsorption capacity of Cr(VI) was 1 458,3 mg g-1 for Acidithiobacillus ferrooxidans and 2 994,3 mg g−1 for Acetobacter aceti. These results demonstrated the suitability of using Acetobacter aceti biomass. The removal efficiency of Cr(VI) from real industrial wastewater from arms production of company Česká zbrojovka a.s., Uherský Brod reached 82,5 %. Biomass Acidithiobacillus ferrooxidans has demonstrated half efficiency in comparison with biomass Acetobacter aceti and therefore was evaluated to be unsuitable for the removal of Cr(VI).

Keywords

Biosorpce, odpadní vody, chrom (VI), acidofilní bakterie, adsorpční kapacita, adsorpční izoterma, kinetika biosorpce.

Keywords

Biosorption, wastewater, chromium (VI), acidophilic bacteria, adsorption capacity, adsorption isotherms, biosorption kinetics.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 6. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 5. 11. 2015
• Supervisor: Vojtech Dirner
• Reader: Dagmar Samešová, Juraj Ladomerský, Emília Hroncová

VŠB - Technical University of Ostrava

Hornicko-geologická fakulta

Doctoral programme / field:
Nerostné suroviny / Úpravnictví