Preconcentration of heavy metals in environmental samples by biosorption and determination by atomic spectrometry

Abstract

Çevre kalitesinin değerlendirilmesi açısından önceliğe sahip alanlardan biri de ağır metal kirliliğinin belirlenmesidir. Bu çalışmada, bir siyanobakteri olan Spirulina platensis'in, çevre numunelerindeki Pb, Cd, Ni'nin atomik spektrometrik yöntemlerle tayin edilmesi öncesinde, biyosorbent olarak kullanılması hedeflenmektedir. Bu amaçla, biyosorpsiyona etki edebilecek pH, çalkalama zamanı, metal iyonları başlangıç derişimi, biyosorbent miktarı, sıcaklık, sorpsiyon kinetiği, biyosorbentin tekrar kullanılabilirliği ve iyon aktivitesi gibi parametreler incelenmiştir.Kinetik sonuçlar tutunma tepkimesinin ikinci-dereceden hız denklemine uyduğunu göstermektedir. Ayrıca Freundlich, Dubinin Radushkevich ve Temkin izoterm modelleri uygulanmış, sorpsiyon sistem tasarımını tanımlamak amacıyla Freundlich izotermi kullanılmıştır. Termodinamik parametreler (?G0, ?S0 ve ?H0) hesaplanmış ve sorpsiyonun ürünler yönünde ve endotermik olduğu belirlenmiştir. Pb2+'nın sorpsiyon kinetiğinin Cd2+ ve Ni2+'ya oranla daha hızlı olduğu belirlenmiştir. Buna göre Ea değerleri hesaplanmış ve Pb2+, Cd2+ and Ni2+ için sırasıyla 44 kJmol-1, -16 kJmol-1 and 54 kJmol-1 olarak bulunmuştur. Biyosorbentin tekrar kullanılabilirliği test edilmiş ve Spirulina platensis'in üç metal iyonuna karşı yüksek kapasiteye sahip olduğu saptanmıştır. Söz konusu metal iyonlarının bir arada olduğu sistemler incelendiğinde, 100.0 mgL-1 başlangıç derişiminde Pb2+ sorpsiyonunun hala yüksek olduğu (%85), ancak derişim arttıkça Cd2+ ve Ni2+ için sorpsiyon değerlerinin %20'nin altına düştüğü görülmüştür. Bu sonuç, Spirulina platensis'in Pb2+'ya karşı göreceli olarak daha seçici davrandığını göstermektedir.Sonuç olarak, Spirulina platensis'in serbest halde ve çeşitli katı yüzeylere (aljinat, silikat, karboksimetilselüloz ve polisülfon) sabitlenmiş olarak ağır metallerin numune matriksinden ayrılmasında kullanılması planlanmıştır.

In the assessment of environmental quality, one of the priorities must be given to the determination of heavy metals. In the present study, Spirulina platensis, a cyanobacteria (or blue-green alga) was suggested to be used as a biosorbent prior to the atomic spectrometric determination of Pb, Cd and Ni in some environmental samples. For this purpose, the parameters which might be effective on the biosorption were investigated such as pH, time, initial metal ion concentration, biosorbent amount, temperature, kinetics of sorption, repetitive reactivity and ionic competition.According to the sorption kinetics, results obeyed well the pseudo second-order model. Freundlich, Dubinin Radushkevich and Temkin isotherm models were applied in describing the equilibrium partition of the ions. Freundlich isotherm was applied to describe the design of a single-stage batch sorption system. Thermodynamic parameters (?G0, ?H0 and ?S0) were calculated and the sorption process was found to be largely driven towards the products and it had an endothermic nature. Faster adsorption kinetics was observed for Pb2+ ions in comparison to Cd2+ and Ni2+ ions. Based on kinetic modeling, the apparent activation energy, Ea, was calculated to be 44 kJmol-1, -16 kJmol-1 and 54 kJmol-1 for Pb2+, Cd2+and Ni2+, respectively.The measurements of the repetitive reusability of Spirulina platensis indicated a large capacity towards the three metal ions. Sorption activities in a three metal ion system were studied and at an initial metal concentration of 100.0 mgL-1, % Pb2+ was found to be still high (85%).However, it decreased to less than 20% for Cd2+ and Ni2+ indicating the relative selectivity of the biosorbent towards Pb2+.Finally, the use of Spirulina platensis, in its natural form or after being immobilized onto various matrices (alginate, silicate, carboxymethylcellulose and polysulfone) was planned for the separation of heavy metals from the sample matrix.