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Klaiani b·丰塔纳Giane Goncalves兰兹,艾丽卡r . l . r .渡边欧文卡明斯基兰兹,朱莉安娜a . m . t . Pietrobelli爱德华多·s·查维斯, ”生物吸附和扩散建模麦芽甘蔗渣的Pb (II)”,国际化学工程杂志》上, 卷。2016年, 文章的ID4210561, 11 页面, 2016年。 https://doi.org/10.1155/2016/4210561
生物吸附和扩散建模麦芽甘蔗渣的Pb (II)
文摘
从水中移除Pb (II)通过生物吸附过程到麦芽蔗渣调查获得的动力学和热力学参数;另外一个扩散提出了建模。麦芽甘蔗渣是由红外光谱的表征和SEM / EDS。批处理系统的实验和基于实验设计响应面方法申请搅拌速度和pH值的优化。生物吸附跟着pseudo-second-order动力学模型和过程的温度影响生物吸附能力。弗朗缪尔等温线模型,和Elovich朗缪尔模型显示,更好的适应和g估计生物吸附容量为29.1毫克−1。对获得的负值和积极的价值观分别确认,自发和吸热的过程。扩散模型进行了基于实验没有搅拌的影响调查的biosorbent Pb (II)离子的吸附过程。
1。介绍
水的污染等有毒元素镉(Cd),水星(Hg)和铅(Pb)一般工业废物是有害人类的健康和生态系统1- - - - - -4]。考虑到水生系统的污染,铅是一种最有毒和有问题的元素。铅对人体健康的影响包括肾脏损害,抑制血红蛋白的形成,不育,精神发育迟滞(5]。工业废水处理通常是由传统的沉淀和污泥分离等过程,除了一些过程包括化学氧化和/或还原、电化学处理、离子交换、反渗透也可以执行。然而,这些方法是昂贵的和低效率的治疗,关于金属去除(6]。因此,替代方法,如生物吸附过程,对金属去除废水研究了(7- - - - - -11]。
生物材料从农业自然资源或产品已申请预先富集的金属和吸附去除重金属废水的生物吸附过程(11]。biosorbents的例子是天然蜘蛛丝(11],橄榄树修剪浪费[7),红色微藻(9],橙皮[8),和甘蔗蔗渣[10]。一个潜在的新的低成本biosorbent麦芽甘蔗渣,主要从啤酒生产过程获得子积;大约14到20公斤的麦芽蔗渣通常为每个100升的啤酒生产(12]。纺织从水溶液、麦芽蔗渣被发现是一个很好的biosorbent由于去除能力,低成本,使用的可能性没有以前的治疗(13]。
从这个角度来看,这项工作的目的是探讨麦芽蔗渣在铅离子的效率(Pb (II))去除生物吸附过程。一些实验的影响参数对铅的吸附(II)到麦芽蔗渣进行评估。此外,获得的热力学和动力学参数和扩散研究的生物吸附过程。关于最后一点及其对吸附过程的影响,我们认为Pb (II)离子的吸附的水没有搅拌时的接触表面涂以麦芽蔗渣。
2。材料和方法
2.1。仪表
麦芽甘蔗渣干在烤箱与强迫空气循环(Solab)。麦芽蔗渣为特征的生物吸附过程之前和之后的傅里叶变换红外(FTIR)光谱(瓦里安7000)和扫描电子显微镜(SEM) (Tescan,织女星3 LMU)与能量分散能谱(EDS)(牛津,阿兹特克能源X-Act)。吸附实验进行了使用代谢瓶浴系统(Solab)和pH值调整进行pHmeter(阿克)。生物吸附过程后的样品在离心机离心(Fanem)。剩下的铅浓度的解决方案使用原子吸收光谱仪测定(珀金埃尔默)装备火焰原子化。铅浓度监测,Pb共振线283.3 nm和使用空气乙炔火焰。
2.2。试剂和解决方案
吸附实验进行解决方案由足够的稀释(Pb(没有股票的解决方案3)2包含1000毫克L)(研究)−1。Pb股票获得的校准标准解决方案包含200毫克L−1(Specsol)。硝酸(0.1摩尔L−1)和氢氧化钠(0.1摩尔L−1)用于pH值调整。所有的稀释和解决方案都准备用超纯水(18 MΩ厘米电阻率),纯化系统(主2000,Gehaka)。
2.3。麦芽甘蔗渣制备
吸附实验进行的麦芽啤酒公司提供的蔗渣样品低角Grossa城市,巴拉那州。样本在不同的温度下干(303、313和323 K),压碎,已筛,不同粒径分数分离。
2.4。批生物吸附实验
实验进行了一式三份,结果显示为平均值。吸附过程进行批处理系统中使用大量的麦芽蔗渣从30到225毫克,直接加权50毫升锥形烧瓶。然后一个整除的25毫升的100毫克L−1Pb (II)的解决方案是添加和pH值在2.0到4.5范围调整。的混合物搅拌速度范围从0到200转,在确定温度和接触时间。生物吸附过程后的麦芽蔗渣被离心分离解决方案在4000 rpm(3分钟),其余Pb决心集中在F原子吸收光谱仪。
以下方程应用于获得生物吸附能力(): 在哪里解决方案(L)的体积,是初始浓度(毫克L−1Pb (II)),可以被定义为Pb (II)在平衡浓度(毫克L−1),麦芽蔗渣(g)的数量。
2.5。实验设计和优化
操作参数对铅的吸附重金属的影响(2)离子在麦芽蔗渣进行了分析使用一个中央复合的阶乘。这个阶乘设计的一般形式加上一个明星配置,一个中心点,代表的数量因素和2是两个级别的工作(23]。
被定义为水平低水平(−1),高水平(+ 1),中央点(0),由两个外点。
独立的变量和分别代表pH值和搅拌速度,而因变量(反应变量)是Pb (II)去除百分比。每个因素定义的最小和最大水平的基础上,从先前的实验结果。独立变量的设置(表1)如下(低/高价值):pH值从2到4.5和搅拌速度从0到200 rpm。在这项工作中,22full-factorial中心合成设计4轴向(明星配置)和3中央点,导致11实验,应用。因此,允许的近似纯误差,设计的中心点进行了一式三份。
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pH值的最优条件和搅拌速度对Pb (II)去除百分比获得使用响应面方法的预测模型(RSM),这是造成数学和统计方程申请流程优化(24]。
两个独立因素响应面计算使用软件Statistica 7.0从Statsoft公司(25)和模型评估了方差分析(方差分析),验证如果模型复制的实验数据范围的研究。
2.6。动力学的研究
实验进行了使用125毫克的biosorbent 25毫升100毫克L−1Pb (II)溶液pH值与控制温度和搅拌速度170转(295、305和315 (±2)K)。样本收集、离心和稀释和Pb (II)浓度测定在不同的接触时间。
2.7。平衡研究
平衡实验biosorbent重量范围从30到225毫克,使用25毫升的Pb 100毫克L (II)的解决方案−1在pH值和选择的温度K和170 rpm的搅拌速度联系时间为180分钟。然后样本离心机和Pb (II)浓度在每个解决方案确定。
2.8。扩散模型
扩散进行了研究使用1.25 g的麦芽甘蔗渣和Pb (II)解决方案的250毫升100毫克L−1没有激动。biosorbent完全把最后的接受者充满了Pb (II)的解决方案。实验被意识到K和整除的上层清液的解决方案被剩下的Pb (II)的浓度的解决方案是在预定义的时间决定的,在5990分钟。
3所示。结果与讨论
3.1。表征Biosorbent
麦芽蔗渣卸载(a)和Pb (II))下载(b)是由傅里叶变换红外(FTIR)光谱特征;介绍了光谱图1。可以观察到有官能团,指示生物的复杂性质(15]。在3314厘米−1强吸收峰可以观察到麦芽蔗渣Pb(2)生物吸附过程,之前和之后的结果-哦和nh团体的存在。吸光度为2928和2845 cm−1是由于ch2和ch3组。乐队在1732年和1656厘米−1签名的C = O伸展振动(13]。峰值为1732厘米−1Pb (II))下载显示了一个强度增加相比,麦芽蔗渣卸载。其他两谱峰出现在1049厘米−1由于羧基组切断拉伸和弯曲振动带羟基的26]。然而,对于频谱Pb (II))下载,生物质造成强度降低。
麦芽甘蔗渣的特性也进行了扫描电镜(SEM)配备能量分散能谱(EDS)。SEM显微图和eds谱(a)和(b)卸载Pb (II))下载图所示2。为观察麦芽蔗渣纤维形态(图2(一个)生物吸附过程(图)和之后2 (b))没有明显的麦芽蔗渣形态学的变化。然而,一个聚合的小颗粒的表面可以观察到在生物质与Pb (II))下载。Pb的EDS光谱显示没有卸载后生物量和生物吸附过程Pb可以明确确定的信号。
(一)
(b)
3.2。粒子大小和麦芽蔗渣干燥温度
麦芽蔗渣颗粒大小的影响和干燥温度对吸附重金属离子的Pb (II)调查。吸附能力是获得使用麦芽蔗渣没有任何治疗和粒度在0.12和2.00毫米之间。移除Pb (II)范围从99.5到100%,表明颗粒大小没有显著影响吸附重金属离子铅(II)。干燥温度的影响在麦芽蔗渣并不影响biosorbent表面和Pb (II)去除能力。结果显示没有显著影响去除百分比从评估温度从91.7到97.7%。
3.3。实验设计和优化
pH值的影响参数和搅拌速度对Pb (II)用RSM去除水溶液中进行调查。表1显示了独立变量组合的实验结果得到了实验的设计。此外,每个实验的编码和解码的变量的值。
可以观察到表中1,有一个明显的反应在Pb (II)的解决方案,麦芽蔗渣在不同操作参数组合,达到最大值(91.2%)pH值4.5和搅拌速度100转。表2提出了统计学意义的变量及其交互作用在不同级别的概率和回归系数的二阶多项式模型Pb(2)删除。
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多项式模型(),是常系数,是线性系数,是二次系数,是双因素交互作用系数。 |
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的值表示每个参数的作用强度。考虑一个置信水平为95%,可以显著的一个因素值< 0.05。从每个模型的值(表3),它可以确定常数项的回归系数,线性和,二次和和双因素交互项显著影响了Pb(2)删除。
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RSM表达回归的应用(2Pb)是一个经验关系删除()和测试变量。 在哪里是响应,也就是说,Pb (II)去除百分比,然后呢和pH值的编码值和搅拌速度,分别。
评价了模型的统计显著性方差分析(方差分析)如表所示3。之间的比例均方回归()和均方残差(),- - - - - -是应用于建立模型的统计学意义。之间的比例均方缺乏合适的(纯粹)和均方误差(),,被用来评估如果模型调整的观察。计算F- - - - - -(144.708)高于28倍F- - - - - -在95%置信区间(与实际),代表一个好的协议规则,模型具有统计学意义的计算F价值至少三到五倍的列的值(27]。此外,从方差分析分析和模型实验数据,计算F- - - - - -(12.115)低于临界F- - - - - -(在95%置信区间。的质量模型的适应也检查多个相关系数()。在这种情况下,价值的是0.9931,这表明这个回归显著,只有0.69%的总变化不是用模型来解释。
独立和相关的变量之间的关系说明了在三维响应面(图的表示3)。响应曲面图被用来确定吸附金属的百分比在互动变量pH值和搅拌速度。移除Pb (II)的增加而增加溶液的pH值从2.0到4.5以及搅拌速度从0到200 rpm。
数篇论文报道的负面影响金属切削被吸附在低pH值。这种行为可能是由于这样的事实:高浓度和高流动性的H +离子导致的优先吸附氢离子而不是金属离子。另一方面,吸附效率显著提高与pH值增加(8]。然而,在pH值高于5.0,Pb (II)物种的降水观测;因此pH值范围4.5被选中在这项研究中为了避免吸附重金属的沉淀过程的影响的结果。
搅拌速度是一个重要的参数优化在吸附过程中,因为它可能会影响溶液中溶质分布和外部边界层的形成28]。Pb (II)的吸附麦芽蔗渣增加高速搅拌。因此在pH = 4.5和速度搅拌170 rpm,最大消除这些最优能力实现和参数用于以下生物吸附实验。
3.4。动力学的研究
动力学研究的结果总结在图4。在最初的时间,观察高吸附率评估条件。可以观察到,生物吸附过程的动力学曲线表明,Pb (II)由麦芽蔗渣青睐随温度增加。在更短的时间内达成平衡(60分钟)评价最高的温度(315 K),指示的吸热特性Pb (II)由麦芽蔗渣生物吸附过程。
Pb(2)吸附的动力学行为麦芽甘蔗渣是评估通过符合一级,pseudo-second-order, Elovich模型。符合一级模型可以由(29日] 符合一级速率常数是由在哪里(最低−1)和参数和是Pb (II)的吸附量(mg g−1在平衡和时间t(最低),分别。
pseudo-second-order模型可以给出的 在哪里是pseudo-second-order速率常数(g毫克1最小值−1)。最初的吸附率(毫克g−1最小值−1)是获得使用pseudo-second-order速率常数()。流程的初始吸附率可以表示为(30.]
Elovich模型是基于动力学原理考虑多层吸附(31日]。Elovich方程可以表示为32] 在参数和是最初的吸附率(mg g1最小值−1)和解吸常数(g毫克−1),分别。
在表4参数和相关系数()符合一级、pseudo-second-order Elovich动力学模型在计算温度。Pb(2)吸附重金属的实验数据由麦芽蔗渣好pseudo-second-order所描述的模型,根据相关系数最高(> 0.999)计算温度(图5)。此外,计算值与实验一致值。增加温度,常数pseudo-second-order率值从3.410−3到10.4103g毫克1最小值−1。
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(一)
(b)
(c)
在吸附过程中,离子的Pb (II)解决方案必须克服一个充满活力的障碍是由麦芽蔗渣吸附;这个过程发生所需的最小动能的定义是活化能()。可以通过拟合动力学常数计算从pseudo-second-order模型在不同的温度下阿伦尼乌斯方程(33]: 在哪里(J摩尔−1)是活化能,(g毫克−1最小值−1阿伦尼乌斯常数,(8.314 J摩尔−1K−1)是理想气体常数,(K)的温度的解决方案。
Pb (II)吸附重金属被策划评估与。从5到40 kJ摩尔的值−1来预计为物理吸附和从40到800 kJ摩尔−1化学吸附(34]。在目前的研究中,获得的价值42.2 kJ摩尔−1,这个值非常接近建立限制用于定义机制。因此,Pb (II)的机制过程中麦芽蔗渣不能只有这个参数定义的。
3.5。吸附等温线
Pb(2)吸附重金属的麦芽蔗渣由朗缪尔评估,弗伦德里希,Temkin等温线模型。
朗缪尔模型是其中一个最适用于平衡数据评估和假设吸附发生在单层膜(35]。朗缪尔等温线模型的线性形式可以表示为(36] 在哪里是单层吸附重金属的能力biosorbent (mg g−1),是朗缪尔常数(L毫克−1)与吸附能量。的线性图与用于和计算。
朗缪尔等温线的基本品质可以通过无量纲获得恒定的分离因子(),它被定义为
值表明,生物吸附过程是有利的(),不利的()、线性()或不可逆()[32]。恒定值获得了生物吸附的Pb (II)麦芽甘蔗渣为0.035,表明吸附过程是有利的。
弗伦德里希方程给出了(11] 弗伦德里希常数由哪里和,它被定义为生物吸附容量和吸附强度,分别。策划与,如果弗伦德里希方程,可以得到一条直线的斜率和通过拦截。
Temkin等温线模型考虑间接的影响生物吸附等温线吸附剂和被吸附物之间的相互作用,给出了自由能吸附到表面覆盖的37]。Temkin模型被定义为 在哪里是平衡结合常数(L毫克−1),(g J毫克1摩尔−1)是Temkin吸附等温线常数相关的热量。
等温线模型获得的参数应用于吸附重金属离子铅(II),分别线性相关系数()展示在表5。
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最贫穷的健康是由Temkin等温线模型,证实了最小值的相关系数(0.9179)。然而,最高价值的相关系数(0.9820)得到了朗缪尔模型,表明该模型可以准确地描述生物吸附由麦芽蔗渣Pb (II)。获得的最大吸附容量(g)在这个过程中是29.1毫克−1;这个值是与Pb吸附重金属生物吸附能力获得的文献,如表所示6。
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比较文学,麦芽的蔗渣不是最高;然而,它应该提到麦芽蔗渣可以使用低成本biosorbent和没有以前的治疗。因此,麦芽蔗渣可以被认为是一个很好的选择biosorbent移除Pb (II)离子从溶液。
3.6。热力学研究
热力学参数制品应用于确定一个生物吸附过程将自发地发生。吉布斯自由能的变化()、焓(),熵()吸附过程是通过以下方程: 在哪里被定义为铅的浓度(2)吸附平衡。焓(ΔH°)和熵(Δ年代°)可以计算范霍夫的斜率和截距方程与T(35,38]。负的ΔG°在不同的温度下,总结在表7表明,Pb (II)吸附是一个自发的过程。标准自由焓的变化,,4.27 kJ摩尔−1和积极的价值表明吸附重金属的Pb (II)麦芽甘蔗渣是一个吸热的过程。Δ的积极价值年代°(0.039 kJ摩尔−1)表明,随机性在接口麦芽甘蔗渣/解决方案在吸附过程中增加。
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295和315 K之间的测量。 |
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3.7。扩散模型
现在,我们考虑到Pb (II)均匀分布的批量和系统缺乏运动。通过这种方式,我们打算分析扩散动力学过程的影响,也就是说,Pb (II)的吸附过程的biosorbent出现在收件人的结束。获得的实验数据是应用程序之前描述的部分2。8和图所示6。
为了描述图中给出的实验数据5的扩散过程,我们认为Pb (II)的大部分是由扩散方程(39]: 在哪里扩散系数,代表了大部分Pb (II)的浓度,和给了Pb (II)的数量作为时间的函数。方程(13)是受到初始条件为了代表Pb (II)最初大量均匀分布。边界条件,从实验中,获得 注意,边界条件考虑进去有粒子通量biosorbent和散装通量是缺席。这个函数连接到Pb (II)的数量,这些biosorbent。
通过求解扩散方程与以前的边界条件,得到的解决方案,在拉普拉斯空间(39),是由 并进行集成,得到 在哪里代表了Pb (II)的初始数量的体积。为了确定的时间依赖性在这个场景中,我们使用了实验数据表现出图5。图中给出的实验数据5是安装的一阶模型;也就是说,正如前面介绍的那样。通过连接的数量模型的参数出现在扩散模型,我们得到和。这种联系让我们观察的影响扩散过程的吸附过程由biosorbent Pb (II);也就是说,吸附过程取决于扩散时间。此外,它可以验证温度增加,因为一般(Einstein-Smoluchowski关系)在扩散过程中,暗示还一个金额,因此,吸附率增加。
4所示。结论
麦芽蔗渣被发现是一种很有前途的biosorbent Pb的移除从水溶液(II),由于去除效果,成本低,没有以前的治疗和使用的能力。傅里叶变换红外光谱证实biosorbent-Pb (II)离子的相互作用。朗缪尔模型显示更好的适应和g估计生物吸附容量为29.1毫克−1(K)。温度变化的范围295 - 315 K的吸附能力的影响。生物吸附跟着pseudo-second-order动力学模型和吉布斯自由能的负值,,显示良好的生物吸附的Pb (II)麦芽甘蔗渣和焓的积极价值,显示,吸热吸附的性质。我们调查了一个实验场景,扩散可能发挥重要作用,也就是说,没有搅拌的吸附过程。对于这种情况,我们认为Pb (II)扩散的大部分是由(13)和验证,这种物质的吸附过程是由一阶模型建模。在场的弛豫时间在这个模型是连接到扩散时间证明,在这种情况下,扩散对吸附过程有着直接的影响。
命名法
| 参数的初始吸附率(mg g−1最小值−1) | |
| : | 阿伦尼乌斯常数(g / mg min) |
| : | 参数解吸常数(g毫克−1) |
| : | Temkin等温线常数(g kJ毫克−1摩尔−1) |
| : | 浓度(毫克升−1) |
| : | 在溶液中吸附物的平衡浓度(毫克L−1) |
| 和: | 初始和最终Pb (II)的浓度(毫克L−1) |
| : | 扩散系数 |
| : | 活化能(J摩尔−1) |
| : | 最初的吸附率 |
| : | 符合一级速率常数(最低−1) |
| : | Pseudo-second-order速率常数(g毫克−1最小值−1) |
| : | 吸附平衡常数(L g−1) |
| : | 弗伦德里希常量 |
| : | 朗缪尔常数(L毫克−1) |
| : | 平衡结合常数(L毫克−1) |
| : | 长度(米) |
| : | 在平衡吸附量(mg g−1) |
| : | 吸附量在时间(mg g−1) |
| : | 生物吸附最大容量(mg g−1) |
| : | 数量的Pb (II)作为时间的函数(毫克)。 |
| : | 时间(分钟) |
| : | 温度(K) |
| : | 解决方案的体积(左) |
| : | 吉布斯能量的变化(kJ摩尔−1) |
| : | (kJ摩尔焓变化−1) |
| : | 熵的变化(kJ摩尔−1K−1)。 |
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者要感谢Fundacao南洋杉,Sanepar, CNPq部分财政支持和舒尔茨棺材Microcervejaria请提供麦芽蔗渣。
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