Surface Stress Induced By Adatoms Adsorption On Solid Surfaces

Based on the statistical thermodynamics theory, a theoretical model of adsorbate induced surface stress of adatoms adsorption on solid surface is presented. For the low coverage, the interaction between the adsorbed molecules is entirely negligible and the adsorption induced surface stress is found to be the function of the coverage and the adsorption energy change with strain. For the high coverage, the adsorbate-adsorbate interaction contributes to the adsorption-induced surface stress effectively. In the case of carbon adsorption on the Ni(100) surface, the value of 0.5 is obtained as a characteristic coverage to decide whether to take the interaction between the adsorabtes into consideration and the results also show that the adsorption induces a compressive surface stress.

Quantum Monte Carlo study of the CO interaction with a dimer model surface for Cr(110)

The chemisorption of CO on a Cr( 110) surface is investigated using the quantum Monte Carlo method in the diffusion Monte Carlo (DMC) variant and a model Cr2CO cluster. The present results are consistent with the earlier ab initio HF study with this model that showed the tilted/ near-parallel orientation as energetically favoured over the perpendicular arrangement. The DMC energy difference between the two orientations is larger (1.9 eV) than that computed in the previous study. The distribution and reorganization of electrons during CO adsorption on the model surface are analysed using the topological electron localization function method that yields electron populations, charge transfer and clear insight on the chemical bonding that occurs with CO adsorption and dissociation on the model surface.

Measurement of Electron Density Profile Behind Strong Shock Waves with a Langmuir Probe

At the shock velocity range of 7~9km/s, the variations of electron density behind strong normal shock waves are measured in a low-density shock tube by using the Langmuir electrostatic probe technique. The electron temperature, calculated based on Park’s three-temperature model, is used in interpreting the probe current data. The peak electron densities determined in the present experiment are shown to be in a good agreement with those predicted by Lin’s calculation. The experimentally obtained ratios of the characteristic ionization distance to the mean free path of freestream ahead of the shock wave are found to be in a good agreement with the existing experiments and Park’s calculation.

Adsorption of Pb(II) and Cu(II) on α-quartz from aqueous solutions: influence of pH, ionic strength, and complexing ligands

Adsorption of aqueous Pb(II) and Cu(II) on α-quartz was studied as a function of time, system surface area, and chemical speciation. Experimental systems contained sodium as a major cation, hydroxide, carbonate, and chloride as major anions, and covered the pH range 4 to 8. In some cases citrate and EDTA were added as representative organic complexing agents. The adsorption equilibria were reached quickly, regardless of the system surface area. The positions of the adsorption equilibria were found to be strongly dependent on pH, ionic strength and concentration of citrate and EDTA. The addition of these non-adsorbing ligands resulted in a competition between chelation and adsorption. The experimental work also included the examination of the adsorption behavior of the doubly charged major cations Ca(II) and Mg(II) as a function of pH.

The theoretical description of the experimental systems was obtained by means of chemical equilibrium-plus-adsorption computations using two adsorption models: one mainly electrostatic (the James-Healy Model), and the other mainly chemical (the Ion Exchange-Surface Complex Formation Model). Comparisons were made between these two models.

The main difficulty in the theoretical predictions of the adsorption behavior of Cu(II) was the lack of the reliable data for the second hydrolysis constant(*β_2) The choice of the constant was made on the basis of potentiometric titratlons of Cu^(2+)

The experimental data obtained and the resulting theoretical observations were applied in models of the chemical behavior of trace metals in fresh oxic waters, with emphasis on Pb(II) and Cu(II).

Biossorção de tório e urânio pela macroalga marinha sargassum filipendula

Por ser um material de baixo custo e apresentar propriedades ligantes, a macroalga marinha Sargassum filipendula vem sendo utilizada como material biossorvente no processo de biossorção de metais. No presente trabalho a alga marrom foi utilizada no estudo cinético e de equilíbrio dos íons de tório e urânio individuais e os resultados comparados à biossorção desses metais em sistema binário. Os testes foram realizados nas concentrações 1 e 10 mg/L e pH= 1,0 e 4,0 na temperatura de 25 1C. A melhor condição para biossorção de tório foi encontrada para 1 mg/L e pH= 1,0, enquanto que para urânio foi em 1 mg/L e pH= 4,0. O estudo cinético de biossorção de tório mostrou que o modelo de segunda ordem descreve melhor os dados experimentais em 1 mg/L (R2= 0,9987) e 10 mg/L (R2= 0,9919) em pH= 1,0 e 1 mg/L (R2= 0,9976) em pH= 4,0, enquanto em 10 mg/L (R2= 0,9787) pH= 4,0 a curva encontrada representou uma cinética de primeira ordem. Para a cinética de urânio os dois modelos se adequaram bem aos dados em ambas as condições experimentais. O estudo de equilíbrio mostrou um perfil crescente de captação de tório, com uma remoção de 96% e 54% do metal em pH= 1,0 e 4,0, respectivamente, a partir da Co= 1 mg/L. A melhor eficiência de captação dos íons de urânio foi de 33% para Co= 100 mg/L em pH= 1,0 e 71% para Co= 1 mg/L em pH= 4,0. Os dados experimentais da isoterma de tório mostraram-se mais adequados ao modelo de Freundlich para pH= 1,0, enquanto que para o pH= 4,0 esses foram melhor representados pelo modelo de Langmuir, com valores de coeficiente de determinação superiores. Em relação à isoterma do urânio, o modelo de Freundlich representou bem os dados experimentais. Os parâmetros de equilíbrio calculados a partir do modelo de Langmuir (kL, qmax ) e Freundlich (kF, n) indicaram uma maior afinidade da biomassa pelos íons de tório em ambas as condições experimentais. O estudo de equilíbrio do sistema binário mostrou que a biossorção dos íons de tório não é afetada pela presença do urânio em solução. Por outro lado, a sorção do urânio foi fortemente afetada pela coexistência com os íons de tório.

Ensaios dinâmicos de biossorção de cobre com macroalgas em leitos-fixos contendo materiais adsorventes de natureza não-biológica

A biossorção é o termo aplicado à tecnologia de adsorção de íons metálicos em solução, por meio de materiais de natureza biológica inativa, comparável à adsorção utilizando-se adsorventes convencionais. A biossorção depende da temperatura, pH, concentração inicial do íon metálico, e tipo de biosorvente. O objetivo principal dessa dissertação é estudar e comparar os processos de adsorção de cobre iônico a partir de soluções aquosas utilizando Sargassum sp., alginato de cálcio úmido e desidratado e carvão ativo em pó e granular, em regime de batelada e contínuo. O alginato de cálcio foi preparado através de uma solução 4% (m/v) de alginato de sódio gotejada em solução 37% (m/v) de cloreto de cálcio dihidratado. O alginato de cálcio apresentou uma umidade de 89% após secagem em estufa a 100C por 24 horas. Os parâmetros da biossorção foram fixados em: a dose de adsorventes de 2 g/L; a temperatura em 30C; pH da solução em 5,0; e velocidade de rotação da chapa rotatória em 150 rpm. Para os estudos de cinética e equilíbrio, os ensaios foram feitos em regime de batelada. Nos ensaios cinéticos para duas concentrações medias (0,16 e 3,15 mmol/L) variou-se o tempo de contato (1 a 120 min) para se atingir o equilíbrio. Nos ensaios de equilíbrio variou-se as concentrações (0,16 a 15,72 mmol/L) utilizando o tempo de equilíbrio determinado nos ensaios cinéticos. Foram utilizadas duas modelagens cinéticas (a de pseudo-primeira ordem e a de segunda ordem) e duas modelagens do equilíbrio (Langmuir e Freundlich). O modelo cinético de segunda ordem ajustou melhor os resultados. O tempo de equilíbrio para adsorção do cobre foi de 60 minutos para Sargassum sp. e pellets de alginatos de cálcio úmido e desidratado. Para os carvões ativos os tempos de equilíbrio para a adsorção do cobre foram mais rápidos, mas a capacidade de remoção do cobre foram muito baixas. Com base nos resultados desfavoráveis obtidos para os carvões ativos eles foram descartados para se prosseguir com os ensaios de equilíbrio. A isoterma de Freundlich melhor ajusta os dados experimentais para Sargassum sp. e alginato de cálcio úmido. A capacidade de adsorção máxima calculada pelo modelo de Freundlich: na concentração de equilíbrio de 11,66 0,06 mmol/L foi de 1,97 0,07 mmol/g para Sargassum sp.; e na concentração de equilíbrio de 12,12 0,03 mmol/L foi de 1,69 0,04 mmol/g para alginato de cálcio úmido. O processo de biossorção em regime contínuo, com alturas de leito variável de 10 a 40 cm, teve melhor desempenho com a altura de 40 cm. Em regime de batelada, o desempenho da Sargassum sp. foi superior ao dos alginatos de cálcio (úmido melhor que o desidratado), que por sua vez foram superiores ao desempenho dos carvões ativos em pó e granular (em pó melhor que o granular). O sistema contínuo com concentração inicial de cobre de 8,5 mmol/L deve ser operado com altura de leito igual ou superior a 40 cm, ou com sistemas multicolunas para soluções mais concentradas

Desenvolvimento e avaliação de novas abordagens de modelagem de processos de separação em leito móvel simulado

O Leito Móvel Simulado (LMS) é um processo de separação de compostos por adsorção muito eficiente, por trabalhar em um regime contínuo e também possuir fluxo contracorrente da fase sólida. Dentre as diversas aplicações, este processo tem se destacado na resolução de petroquímicos e principalmente na atualidade na separação de misturas racêmicas que são separações de um grau elevado de dificuldade. Neste trabalho foram propostas duas novas abordagens na modelagem do LMS, a abordagem Stepwise e a abordagem Front Velocity. Na modelagem Stepwise as colunas cromatográficas do LMS foram modeladas com uma abordagem discreta, onde cada uma delas teve seu domínio dividido em N células de mistura interligadas em série, e as concentrações dos compostos nas fases líquida e sólida foram simuladas usando duas cinéticas de transferência de massa distintas. Essa abordagem pressupõe que as interações decorrentes da transferência de massa entre as moléculas do composto nas suas fases líquida e sólida ocorram somente na superfície, de forma que com essa suposição pode-se admitir que o volume ocupado por cada molécula nas fases sólida e líquida é o mesmo, o que implica que o fator de residência pode ser considerado igual a constante de equilíbrio. Para descrever a transferência de massa que ocorre no processo cromatográfico a abordagem Front Velocity estabelece que a convecção é a fase dominante no transporte de soluto ao longo da coluna cromatográfica. O Front Velocity é um modelo discreto (etapas) em que a vazão determina o avanço da fase líquida ao longo da coluna. As etapas são: avanço da fase líquida e posterior transporte de massa entre as fases líquida e sólida, este último no mesmo intervalo de tempo. Desta forma, o fluxo volumétrico experimental é utilizado para a discretização dos volumes de controle que se deslocam ao longo da coluna porosa com a mesma velocidade da fase líquida. A transferência de massa foi representada por dois mecanismos cinéticos distintos, sem (tipo linear) e com capacidade máxima de adsorção (tipo Langmuir). Ambas as abordagens propostas foram estudadas e avaliadas mediante a comparação com dados experimentais de separação em LMS do anestésico cetamina e, posteriormente, com o fármaco Verapamil. Também foram comparados com as simulações do modelo de equilíbrio dispersivo para o caso da Cetamina, usado por Santos (2004), e para o caso do Verapamil (Perna 2013). Na etapa de caracterização da coluna cromatográfica as novas abordagens foram associadas à ferramenta inversa R2W de forma a determinar os parâmetros globais de transferência de massa apenas usando os tempos experimentais de residência de cada enantiômero na coluna de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Na segunda etapa os modelos cinéticos desenvolvidos nas abordagens foram aplicados nas colunas do LMS com os valores determinados na caracterização da coluna cromatográfica, para a simulação do processo de separação contínua. Os resultados das simulações mostram boa concordância entre as duas abordagens propostas e os experimentos de pulso para a caracterização da coluna na separação enantiomérica da cetamina ao longo do tempo. As simulações da separação em LMS, tanto do Verapamil quando da Cetamina apresentam uma discrepância com os dados experimentais nos primeiros ciclos, entretanto após esses ciclos iniciais a correlação entre os dados experimentais e as simulações. Para o caso da separação da cetamina (Santos, 2004), a qual a concentração da alimentação era relativamente baixa, os modelos foram capazes de predizer o processo de separação com as cinéticas Linear e Langmuir. No caso da separação do Verapamil (Perna, 2013), onde a concentração da alimentação é relativamente alta, somente a cinética de Langmuir representou o processo, devido a cinética Linear não representar a saturação das colunas cromatográficas. De acordo como o estudo conduzido ambas as abordagens propostas mostraram-se ferramentas com potencial na predição do comportamento cromatográfico de uma amostra em um experimento de pulso, assim como na simulação da separação de um composto no LMS, apesar das pequenas discrepâncias apresentadas nos primeiros ciclos de trabalho do LMS. Além disso, podem ser facilmente implementadas e aplicadas na análise do processo, pois requer um baixo número de parâmetros e são constituídas de equações diferenciais ordinárias.

Interações do lantânio com células livres e imobilizadas em alginato em regimes de batelada e contínuo

Este trabalho teve como objetivo descrever o potencial de biossorção de lantânio pelas microalgas Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. livres e pellets de alginato de cálcio, com e sem as microalgas imobilizadas, a partir de soluções aquosas. Para isso foram realizados estudos em regime batelada e em coluna de leito fixo. Modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e de segunda ordem e isotermas de equilíbrio de Langmuir e de Freundlich foram utilizados para a descrição quantitativa e a previsão do comportamento de adsorção do metal pelas biomassas livres e imobilizadas no sistema descontínuo. Os dados foram mais bem ajustados pelo modelo cinético de segunda ordem, com coeficientes de determinação (r2) maiores que 0,98. Foram obtidos tempos de equilibrio muito curtos, na faixa de 1-30 minutos. A isoterma de Langmuir foi a que melhor se ajustou aos dados experimentais, com valores de r2 maiores que 0,94. Foram observados valores de qmáx, isto é, a quantidade máxima de metal captado pelo biossorvente, entre 0,96 e 10,43 mmol/g. As células livres mostraram-se mais eficientes do que os pellets caracterizados com e sem os micro-organismos. Os pellets mostraram melhor potencial quando contendo microalgas imobilizadas, em comparação com eles puros. No estudo dinâmico, 12 L de solução contendo uma concentração de La (III) de 150 mmol/L ascenderam pela coluna contendo Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. imobilizadas e pellets de alginato de cálcio puros durante 8 horas. No último minuto, os três biossorventes ainda apresentaram cerca de 80% de eficiência de remoção. Desta forma, o ponto de satuação não foi atingido. A rápida e alta capacidade de adsorção das microalgas revelou que sua aplicação em escala superior é possível em ambos os processos estudados, uma vez que a imobilização desses biomateriais não mudou a sua capacidade de sorção e nem o rápido contato entre o adsorvente e o soluto no processo de biossorção de lantânio

Recuperação do íon amônio gerado durante a evaporação de lixiviados de aterros utilizando resinas poliméricas de troca iônica

O lixiviado gerado em aterro sanitário possui substâncias de difícil degradação e amônia, que dificulta o tratamento biológico. O tratamento do lixiviado gerado em aterros sanitários requer uma série de processos de elevado custo e, outras técnicas de tratamento têm sido investigadas no intuito de reduzir custos e aumentar a eficiência do tratamento. A evaporação do lixiviado é uma técnica que aproveita o gás de aterro como fonte de calor, e é utilizada na redução do volume a tratar; porém as emissões atmosféricas geradas durante essa evaporação indicam a presença de amônia, o que pode causar impactos negativos em torno do aterro. Desta forma, é importante a realização de estudos que aprimorem esta técnica, para que a evaporação torne-se ambientalmente e economicamente viável. A amônia presente em amostras com pH em torno de 8,0 e temperatura em torno de 25C, está na forma de íon amônio, o que favorece ao processo de troca iônica. A troca iônica é um processo que tem sido estudado por muitos pesquisadores e consiste na troca de um ou mais constituintes de uma fase fluida para a superfície de uma fase sólida (resinas poliméricas). Este trabalho apresenta a eficiência de quatro tipos diferentes de resinas poliméricas: Amberlyst 15 Wet, Lewatit VPOC 1800, Dowex Mac-3 e Purolite MN250 na remoção e posterior, recuperação do íon amônio presente nos vapores condensados da evaporação de lixiviados. A princípio foi investigado a quantidade e o momento em que o amônio é lançado durante o processo de evaporação. Em seguida, caracterizaram-se as resinas quanto à eficiência de remoção, o tempo de contato e a quantidade ideal da resina. Estão apresentadas neste estudo as isotermas de adsorção de Langmuir, Freundlich e Temkin em diferentes temperaturas (298-318 K) e as condições ideais do processo. Os resultados apontaram duas resinas com eficiência de remoção, em torno de 40%, para concentrações acima de 1000 mg dm-3 de amônio, utilizando 0,5 g de resina e um tempo de contato de 20 minutos. Diferentes modelos cinéticos foram aplicados: Pseudo-Primeira Ordem, Pseudo-Segunda Ordem, difusão intrapartícula, Elovich e o modelo cinético de difusão externa e os resultados discutidos. Foi possível tratar Através da condensação dos vapores emitidos durante a evaporação do lixiviado, foi possível tratar foi possível obter uma recuperação em torno de 70% do íon amônio contido no vapor condensado proveniente da evaporação do lixiviado.

Metal Retention Experiments for the Design of Soil-Mix Technology Permeable Reactive Barriers

Soil-mix technology is effective for the construction of permeable reactive barriers (PRBs) for in situ groundwater treatment. The objective of this study was to perform initial experiments for the design of soil-mix technology PRBs according to (i) sorption isotherm, (ii) reaction kinetics and (iii) mass balance of the contaminants. The four tested reactive systems were: (i) a granular zeolite (clinoptilolite-GZ), (ii) a granular organoclay (GO), (iii) a 1:1-mixture GZ and model sandy clayey soil and (iv) a 1:1:1-mixture of GZ, GO and model soil. The laboratory experiments consisted of batch tests (volume 900mL and sorbent mass 18g) with a multimetal solution of Pb, Cu, Zn, Cd and Ni. For the adsorption experiment, the initial concentrations ranged from 0.01 to 0.5mM (2.5 to 30mg/L). The maximum metal retention was measured in a batch test (300mg/L for each metal, volume 900mL, sorbent mass 90-4.5g). The reactive material efficiency order was found to be GZ>GZ-soil mix>GZ-soil-GO mix>GO. Langmuir isotherms modelled the adsorption, even in presence of a mixed cations solution. Adsorption was energetically favourable and spontaneous in all cases. Metals were removed according to the second order reaction kinetics; GZ and the 1:1-mix were very similar. The maximum retention capacity was 0.1-0.2mmol/g for Pb in the presence of clinoptilolite; for Cu, Zn, Cd and Ni, it was below 0.05mmol/g for the four reactive systems. Mixing granular zeolite, organoclay and model soil increased the chemisorption. Providing that GZ is reactive enough for the specific conditions, GZ can be mixed to obtain the required sorption. Granular clinoptilolite addition to soil is recommended for PRBs for metal contaminated groundwater. The laboratory experiments consisted of batch tests with a multimetal solution of Pb, Cu, Zn, Cd and Ni. The four reactive materials chosen were granular zeolite, clinoptilolite and model sandy clayey soil, granular organoclay and a mix of clinoptilolite, model soil and organoclay. The reactive material efficiency order was found to be granular clinoptilolite>clinoptilolite-soil mix>clinoptilolite-soil-organoclay mix>granular organoclay. © 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Comparison between granular pillared, organo- and inorgano-organo-bentonites for hydrocarbon and metal ion adsorption

Granular reactive materials have higher permeability and are therefore desirable for in situ groundwater pollution control. Three granular bentonites were prepared: an Al-pillared bentonite (PBg), an organo-bentonite (OBg) using a quaternary ammonium cation (QAC), and an inorgano-organo-bentonite (IOBg), using both the pillaring agent and the QAC. Powdered IOB (IOBp) was also prepared to test the effect of particle size. The modified bentonites were characterised with X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR), thermal gravimetric analysis (TGA) and uniaxial compression tests. The d-spacing increased only with QAC intercalation. The Young's modulus of IOBg was twice as high as OBg. Batch adsorption tests were performed with aqueous multimetal solutions of Pb2+, Cu2+, Cd2+, Zn2+ and Ni2+ ions, with liquid dodecane and with aqueous dodecane solutions. Metal adsorption fit the Langmuir isotherm. Adsorption occurred within 30min for PBg, while the granular organo-bentonite needed at least 12h to reach equilibrium. IOBp had the maximum adsorption capacity at higher metal concentration and lower adsorbent content (Cu2+: 2.2, Ni2+: 1.7, Zn2+: 1.4, Cd2+: 0.9 and Pb2+: 0.7 all in mmolg-1). The dual pillaring of the QAC and Al hydroxide increased the adsorption. The adsorption of liquid dodecane was in the order IOBg>OBg>PBg (3.2>2.7>1.7mmolg-1). Therefore IOBg has potential for the removal of toxic compounds found in soil, groundwater, storm water and wastewater. © 2012 Elsevier B.V.

A comprehensive study of lysozyme adsorption using dual polarization interferometry and quartz crystal microbalance with dissipation.

Protein adsorption plays a crucial role in biomaterial surface science as it is directly linked to the biocompatibility of artificial biomaterial devices. Here, elucidation of protein adsorption mechanism is effected using dual polarization interferometry and a quartz crystal microbalance to characterize lysozyme layer properties on a silica surface at different coverage values. Lysozyme is observed to adsorb from sparse monolayer to multilayer coverage. At low coverage an irreversibly adsorbed layer is formed with slight deformation consistent with side-on orientation. At higher coverage values dynamic re-orientation effects are observed which lead to monolayer surface coverages of 2-3 ng/mm² corresponding to edge-on or/and end-on orientations. These monolayer thickness values ranged between 3 and 4.5 nm with a protein density value of 0.60 g/mL and with 50 wt% solvent mass. Further increase of coverage results formation of a multilayer structure. Using the hydration content and other physical layer properties a tentative model lysozyme adsorption is proposed.

A comprehensive study of lysozyme adsorption using dual polarization interferometry and quartz crystal microbalance with dissipation

Protein adsorption plays a crucial role in biomaterial surface science as it is directly linked to the biocompatibility of artificial biomaterial devices. Here, elucidation of protein adsorption mechanism is effected using dual polarization interferometry and a quartz crystal microbalance to characterize lysozyme layer properties on a silica surface at different coverage values. Lysozyme is observed to adsorb from sparse monolayer to multilayer coverage. At low coverage an irreversibly adsorbed layer is formed with slight deformation consistent with side-on orientation. At higher coverage values dynamic re-orientation effects are observed which lead to monolayer surface coverages of 2-3 ng/mm2 corresponding to edge-on or/and end-on orientations. These monolayer thickness values ranged between 3 and 4.5 nm with a protein density value of 0.60 g/mL and with 50 wt% solvent mass. Further increase of coverage results formation of a multilayer structure. Using the hydration content and other physical layer properties a tentative model lysozyme adsorption is proposed. © 2012 Elsevier Ltd.

Palm frond biochar production and characterisation

Palm oil has been the world's main source of oil and fats since 2004, producing over 45 million tonnes in 2009. Malaysia alone has over 4·5 million hectares planted with oil palm and, based on common practice, ~300 palm fronds are pruned per hectare per year. This agricultural waste is currently either being used as roughage feed or, more frequently, being left between rows of palm trees to prevent soil erosion, or for nutrient recycling purposes. This paper proposes an alternative use for palm frond as a source of biochar. A traditional method commonly use by gardeners in Malaysia to improve soil fertility was used to produce the biochar. A shallow earth pit was dug in the ground for the carbonisation process. The process is described and the impact of carbonisation on the earth wall is analysed and presented. The process was later re-assessed by using TGA-FTIR. Most of the hemicelluloses had fully disintegrated, but the depolymerisation of the cellulose was still incomplete at the carbonisation temperature. Most of the lignin aromatic structure was still present in the biochar. The carbonisation process was repeated in the laboratory and biochar was characterised by using BET, SEM and FTIR. An adsorption isotherm study was conducted and the experimental data were fitted to the Langmuir model. The model predicted Pb2+ adsorption rates of 83·3 mg/g, Cu2+ 41·4 mg/g, Ni2+ 13·0 mg/g and Zn2+ 19·7 mg/g. Copyright © The Royal Society of Edinburgh 2012.

Hydrodynamics in an expanded bed of large size ion-exchange resin, and natural product adsorption

Successful applications of expanded bed adsorption (EBA) technology have been widely reported in the literature for protein purification. Little has been reported on the recovery of natural products and active components of Chinese herbal preparations using EBA technology. In this study, the hydrodynamic behavior in an expanded bed of cation resin, 001 x 7 Styrene-DVB, was investigated. Ephedrine hydrochloride (EH) was used as a model natural product to test the dynamic binding capacity (DBC) in the expanded bed. EBA of EH directly from a feedstock containing powdered herbs has also been investigated. These particles are different from commercially available expanded bed adsorbents by virtue of their large size (20S to 1030 gm). When the adsorbent bed is expanded to approximately 1.3 to 1.5 times its settled bed height, the axial liquid-phase dispersion coefficient was found to be of the order 10(-5) m(2) s(-1), which falls into the range 1.0 x 10(-6) to 1.0 X 10(-5) m(2) s(-1) observed previously in protein purification. Because of the favorable column efficiency (low axial dispersion coefficient), the recovery yield and purification factor values of EH directly from a feedstock reached 86.5% and 18, respectively. The results suggest that EBA technology holds promise for the recovery of natural products and active components of Chinese herbal preparations.