Аналіз адсорбції іонів Cr(III) на поверхні водоростей: наслідки для видалення іонів важких металів з води

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.237532

Ключові слова:

водорості, Spirulina platensis, іони Cr(III), ступінь видалення, адсорбція, електрокінетичний потенціал

Анотація

Для цілеспрямованого управління процесом адсорбції необхідне комплексне вивчення властивостей вихідних клітин і впливу на них іонів металів. У зв'язку з цим були вивчені особливості адсорбції іонів Cr(III) на поверхні клітин водоростей Spirulina platensis. Фур'є-спектроскопія показала, що основними функціональними групами, відповідальними за зв'язування іонів Cr (III), є карбоксильні, гідроксильні, аміно- і фосфатні групи на поверхні водоростей. Дані про адсорбцію оброблені з використанням моделей Ленгмюра і Фрейндліха. Показано, що максимальна адсорбція іонів Cr (III) на поверхні клітин водоростей становить 31,25 мг/г. Постійна Фрейндліха 1/n складає 0,65.Вивчення впливу концентрації іонів Cr(III) на електрокінетичний потенціал клітин водоростей виявило аномальне збільшення від'ємного значення ζ-потенціалу при 10-5 моль/л, викликане вивільненням на поверхню додаткової кількості аніонних функціональних груп. Подальше збільшення концентрації іонів Cr(III) у суспензії водоростей призводить до зниження ζ-потенціалу і перезарядки поверхні при C>10-2 моль/л. Було виявлено, що адсорбція іонів Cr(III) також впливає на морфологію поверхні клітин. Якщо до контакту з іонами Cr(III) поверхня клітин водоростей являє собою однорідну зелену сітку, то після адсорбції іонів Cr(III) поверхня стає зелено-коричневою, з набряклими спіралями. Вивчення впливу рН на процеси адсорбції і десорбції показує збільшення десорбції іонів Cr(III) з поверхні водоростей при підкисленні середовища. Адсорбція досягає максимального значення в діапазоні рН 6–7. В області оптимальних співвідношень іонів Cr(III)/біосорбенту ступінь вилучення Cr(III) досягає 98,5–99,3 %.

Біографії авторів

Zhadra Tattibayeva, Al-Farabi Kazakh National University

Postgraduate Student

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Sagdat Tazhibayeva, Al-Farabi Kazakh National University

Doctor of Chemical Sciences, Professor

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Wojciech Kujawski, Nicolaus Copernicus University in Torun

Doctor of Chemical Sciences, PhD, Professor

Department of Physical Chemistry and Physical Chemistry of Polymers

Bolatkhan Zayadan, Al-Farabi Kazakh National University

Doctor of Biological Sciences, Professor

Department of Biotechnology

Kuanyshbek Мusabekov, Al-Farabi Kazakh National University

Doctor of Chemical Sciences, Professor

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Akbota Adilbekova, Al-Farabi Kazakh National University

PhD, Associate Professor

Department of Analytical, Colloid Chemistry and Technology of Rare Elements

Посилання

  1. Mustapha, M. U., Halimoon, N. (2015). Microorganisms and Biosorption of Heavy Metals in the Environment: A Review Paper. Journal of Microbial & Biochemical Technology, 7 (5). doi: http://doi.org/10.4172/1948-5948.1000219
  2. Barakat, M. A. (2011). New trends in removing heavy metals from industrial wastewater. Arabian Journal of Chemistry, 4 (4), 361–377. doi: http://doi.org/10.1016/j.arabjc.2010.07.019
  3. Ayangbenro, A., Babalola, O. (2017). A New Strategy for Heavy Metal Polluted Environments: A Review of Microbial Biosorbents. International Journal of Environmental Research and Public Health, 14 (1), 94. doi: http://doi.org/10.3390/ijerph14010094
  4. Suresh Kumar, K., Dahms, H.-U., Won, E.-J., Lee, J.-S., Shin, K.-H. (2015). Microalgae – A promising tool for heavy metal remediation. Ecotoxicology and Environmental Safety, 113, 329–352. doi: http://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2014.12.019
  5. Li, P.-S., Tao, H.-C. (2013). Cell surface engineering of microorganisms towards adsorption of heavy metals. Critical Reviews in Microbiology, 41 (2), 140–149. doi: http://doi.org/10.3109/1040841x.2013.813898
  6. Farhan, S. N., Khadom, A. A. (2015). Biosorption of heavy metals from aqueous solutions by Saccharomyces Cerevisiae. International Journal of Industrial Chemistry, 6 (2), 119–130. doi: http://doi.org/10.1007/s40090-015-0038-8
  7. Yin, K., Wang, Q., Lv, M., Chen, L. (2019). Microorganism remediation strategies towards heavy metals. Chemical Engineering Journal, 360, 1553–1563. doi: http://doi.org/10.1016/j.cej.2018.10.226
  8. Ramírez Calderón, O. A., Abdeldayem, O. M., Pugazhendhi, A., Rene, E. R. (2020). Current Updates and Perspectives of Biosorption Technology: an Alternative for the Removal of Heavy Metals from Wastewater. Current Pollution Reports, 6 (1), 8–27. doi: http://doi.org/10.1007/s40726-020-00135-7
  9. Samuel, R. T., Menon, L. P., Bhavana, V., Sathya, P. (2019). Studies on Phycoremediation of Chlorpyrifos and Heavy Metal Chromium Using Algae. International Journal of Pharmacy and Biological Sciences, 9, 2230–7605. Available at: https://www.researchgate.net/publication/330619850
  10. Shokri Khoubestani, R., Mirghaffari, N., Farhadian, O. (2014). Removal of three and hexavalent chromium from aqueous solutions using a microalgae biomass-derived biosorbent. Environmental Progress & Sustainable Energy, 34 (4), 949–956. doi: http://doi.org/10.1002/ep.12071
  11. Asnaoui, H., Khalis, M., Laaziri, A., Elbougarrani, O. (2014). Decontamination of a solution of chromium IV by marine algae (ulva-lactuca). International Journal of Innovative Research in Advanced Engineering, 1, 62.
  12. Prasad, A., Singh, A. K., Chand, S., Chanotiya, C. S., Patra, D. D. (2010). Effect of Chromium and Lead on Yield, Chemical Composition of Essential Oil, and Accumulation of Heavy Metals of Mint Species. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 41 (18), 2170–2186. doi: http://doi.org/10.1080/00103624.2010.504798
  13. Bulgariu, D., Bulgariu, L. (2012). Equilibrium and kinetics studies of heavy metal ions biosorption on green algae waste biomass. Bioresource Technology, 103 (1), 489–493. doi: http://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.10.016
  14. Hassan, S. W., Kassas, H. Y. (2012). Biosorption of cadmium from aqueous solutions using a local fungus Aspergillus cristatus (Glaucus Group). African Journal of Biotechnology, 11 (9), 2276–2286. doi: http://doi.org/10.5897/ajb11.3140
  15. Jencarova, J., Luptakova, A. (2012). The elimination of heavy metal ions from waters by biogenic iron sulphide. Chemical Eng. Transaction, 28, 205–210. doi: https://doi.org/10.3303/CET1228035
  16. Ali, H. S., Kandil, N. F. E. S., Ibraheem, I. B. M. (2020). Biosorption of Pb2+ and Cr3+ ions from aqueous solution by two brown marine macroalgae: an equilibrium and kinetic study. Desalination and water treatment, 206, 250–262. doi: http://doi.org/10.5004/dwt.2020.26314
  17. Hu, Q., Liu, Y., Gu, X., Zhao, Y. (2017). Adsorption behavior and mechanism of different arsenic species on mesoporous MnFe 2 O 4 magnetic nanoparticles. Chemosphere, 181, 328–336. doi: http://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.04.049
  18. Tavengwa, N., Cukrowska, E., Chimuka, L. (2014). Synthesis of bulk ion-imprinted polymers (IIPs) embedded with oleic acid coated Fe3O4 for selective extraction of hexavalent uranium. Water SA, 40 (4), 623–630. doi: http://doi.org/10.4314/wsa.v40i4.7
  19. Tounsadi, H., Khalidi, A., Abdennouri, M., Barka, N. (2015). Biosorption potential of Diplotaxis harra and Glebionis coronaria L. biomasses for the removal of Cd(II) and Co(II) from aqueous solutions. Journal of Environmental Chemical Engineering, 3 (2), 822–830. doi: http://doi.org/10.1016/j.jece.2015.03.022
  20. Rahman, M. S., Sathasivam, K. V. (2015). Heavy Metal Adsorption ontoKappaphycussp. from Aqueous Solutions: The Use of Error Functions for Validation of Isotherm and Kinetics Models. BioMed Research International, 2015, 1–13. doi: http://doi.org/10.1155/2015/126298
  21. Dmytryk, A., Saeid, A., Chojnacka, K. (2014). Biosorption of Microelements bySpirulina: Towards Technology of Mineral Feed Supplements. The Scientific World Journal, 2014, 1–15. doi: http://doi.org/10.1155/2014/356328
  22. Marzbali, M. H., Mir, A. A., Pazoki, M., Pourjamshidian, R., & Tabeshnia, M. (2017). Removal of direct yellow 12 from aqueous solution by adsorption onto spirulina algae as a high-efficiency adsorbent. Journal of Environmental Chemical Engineering, 5 (2), 1946–1956. doi: http://doi.org/10.1016/j.jece.2017.03.018
  23. Chojnacka, K., Chojnacki, A., Górecka, H. (2005). Biosorption of Cr3+, Cd2+ and Cu2+ ions by blue–green algae Spirulina sp.: kinetics, equilibrium and the mechanism of the process. Chemosphere, 59 (1), 75–84. doi: http://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2004.10.005
  24. Lakhbayeva, Zh., Kurmangazhy, G., Tazhibayeva, S., Artykova, D., Musabekov, K. (2019). Possibility of water purification from Cu2+, Pb2+ and Cr3+ by using vermiculite. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 54 (3), 603–609.
  25. Rezaei, H. (2016). Biosorption of chromium by using Spirulina sp. Arabian Journal of Chemistry, 9 (6), 846–853. doi: http://doi.org/10.1016/j.arabjc.2013.11.008
  26. Leusbrock, I., Metz, S. J., Rexwinkel, G., Versteeg, G. F. (2010). The solubilities of phosphate and sulfate salts in supercritical water. The Journal of Supercritical Fluids, 54 (1), 1–8. doi: http://doi.org/10.1016/j.supflu.2010.03.003
  27. Maignan, A., Bréard, Y., Guilmeau, E., Gascoin, F. (2012). Transport, thermoelectric, and magnetic properties of a dense Cr2S3 ceramic. Journal of Applied Physics, 112 (1), 013716. doi: http://doi.org/10.1063/1.4736417
  28. Gojkovic, Z., Shchukarev, A., Ramstedt, M., Funk, C. (2020). Cryogenic X-ray photoelectron spectroscopy determines surface composition of algal cells and gives insights into their spontaneous sedimentation. Algal Research, 47, 101836. doi: http://doi.org/10.1016/j.algal.2020.101836
  29. Hadjoudja, S., Deluchat, V., Baudu, M. (2010). Cell surface characterisation of Microcystis aeruginosa and Chlorella vulgaris. Journal of Colloid and Interface Science, 342 (2), 293–299. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcis.2009.10.078
  30. Sigel, A., Sigel, H., Sigel, R. K. O. (2011). Metal Ions in Life Sciences. Royal Society of Chemistry, 8.
  31. Gupta, V. K., Nayak, A., Agarwal, S. (2015). Bioadsorbents for remediation of heavy metals: Current status and their future prospects. Environmental Engineering Research, 20 (1), 1–18. doi: http://doi.org/10.4491/eer.2015.018
  32. Monteiro, C. M., Castro, P. M. L., Malcata, F. X. (2012). Metal uptake by microalgae: Underlying mechanisms and practical applications. Biotechnology Progress, 28 (2), 299–311. doi: http://doi.org/10.1002/btpr.1504
  33. Bishnoi, N. R., Kumar, R., Kumar, S., Rani, S. (2007). Biosorption of Cr(III) from aqueous solution using algal biomass spirogyra spp. Journal of Hazardous Materials, 145 (1-2), 142–147. doi: http://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.10.093
  34. Bertagnolli, C., da Silva, M. G. C., Guibal, E. (2014). Chromium biosorption using the residue of alginate extraction from Sargassum filipendula. Chemical Engineering Journal, 237, 362–371. doi: http://doi.org/10.1016/j.cej.2013.10.024
  35. Podolskaya, V. I., Voytenko, E. Yu., Yakubenko, L. N., Ulberg, Z. R., TSyganovich, E. A., Ermakov, V. N., Grischenko, N. I. (2010). Vliyanie slabogo impulsnogo elektricheskogo polya na vzaimodeystvie nekotorykh mikroorganizmov c ionami serebra i medi. Nanostrukturnoe materialovedenie, 2, 64–72. Available at: http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/62715
  36. Kőnig-Péter, A., Kilár, F., Felinger, A., Pernyeszi, T. (2015). Biosorption characteristics of Spirulina and Chlorella cells to accumulate heavy metals. Journal of the Serbian Chemical Society, 80 (3), 407–419. doi: http://doi.org/10.2298/jsc140321060p
  37. Rehman, A., Shakoori, F. R., Shakoori, A. R. (2008). Heavy metal resistant freshwater ciliate, Euplotes mutabilis, isolated from industrial effluents has potential to decontaminate wastewater of toxic metals. Bioresource Technology, 99 (9), 3890–3895. doi: http://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.08.007
  38. Gagrai, M. K., Das, C., Golder, A. K. (2013). Reduction of Cr(VI) into Cr(III) by Spirulina dead biomass in aqueous solution: Kinetic studies. Chemosphere, 93 (7), 1366–1371. doi: http://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.08.021
  39. Zhang, R., Tian, Y. (2020). Characteristics of natural biopolymers and their derivative as sorbents for chromium adsorption: a review. Journal of Leather Science and Engineering, 2 (1). doi: http://doi.org/10.1186/s42825-020-00038-9
  40. Lodi, A., Soletto, D., Solisio, C., Converti, A. (2008). Chromium(III) removal by Spirulina platensis biomass. Chemical Engineering Journal, 136 (2-3), 151–155. doi: http://doi.org/10.1016/j.cej.2007.03.032
  41. Jobby, R., Jha, P., Yadav, A. K., Desai, N. (2018). Biosorption and biotransformation of hexavalent chromium [Cr(VI)]: A comprehensive review. Chemosphere, 207, 255–266. doi: http://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.05.050

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-08-30

Як цитувати

Tattibayeva, Z., Tazhibayeva, S., Kujawski, W., Zayadan, B., Мusabekov K., & Adilbekova, A. (2021). Аналіз адсорбції іонів Cr(III) на поверхні водоростей: наслідки для видалення іонів важких металів з води. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(10(112), 14–23. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.237532

Номер

Том 4 № 10(112) (2021): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Zhadra Tattibayeva, Sagdat Tazhibayeva, Wojciech Kujawski, Bolatkhan Zayadan, Kuanyshbek Мusabekov, Akbota Adilbekova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.