Prediction of Intrinsic kinetics in diffusion disguised immobilized enzyme systems

When immobilized enzyme kinetics are disguised by inter- and intraparticle diffusion effects, an approximate mathematical procedure is indicated whereby experimental data obtained in the limiting ranges of first- and zeroth-order Michaelis-Menten kinetics could be used for the prediction of the kinetic constants.

Removal of toxic metals in a multi metal system using sorbents for potential application to urban stormwater treatment

In the context of increasing demand for potable water and the depletion of water resources, stormwater is a logical alternative. However, stormwater contains pollutants, among which metals are of particular interest due to their toxicity and persistence in the environment. Hence, it is imperative to remove toxic metals in stormwater to the levels prescribed by drinking water guidelines for potable use. Consequently, various techniques have been proposed, among which sorption using low cost sorbents is economically viable and environmentally benign in comparison to other techniques. However, sorbents show affinity towards certain toxic metals, which results in poor removal of other toxic metals. It was hypothesised in this study that a mixture of sorbents that have different metal affinity patterns can be used for the efficient removal of a range of toxic metals commonly found in stormwater. The performance of six sorbents in the sorption of Al, Cr, Cu, Pb, Ni, Zn and Cd, which are the toxic metals commonly found in urban stormwater, was investigated to select suitable sorbents for creating the mixtures. For this purpose, a multi criteria analytical protocol was developed using the decision making methods: PROMETHEE (Preference Ranking Organisation METHod for Enrichment Evaluations) and GAIA (Graphical Analysis for Interactive Assistance). Zeolite and seaweed were selected for the creation of trial mixtures based on their metal affinity pattern and the performance on predetermined selection criteria. The metal sorption mechanisms employed by seaweed and zeolite were defined using kinetics, isotherm and thermodynamics parameters, which were determined using the batch sorption experiments. Additionally, the kinetics rate-limiting steps were identified using an innovative approach using GAIA and Spearman correlation techniques developed as part of the study, to overcome the limitation in conventional graphical methods in predicting the degree of contribution of each kinetics step in limiting the overall metal removal rate. The sorption kinetics of zeolite was found to be primarily limited by intraparticle diffusion followed by the sorption reaction steps, which were governed mainly by the hydrated ionic diameter of metals. The isotherm study indicated that the metal sorption mechanism of zeolite was primarily of a physical nature. The thermodynamics study confirmed that the energetically favourable nature of sorption increased in the order of Zn < Cu < Cd < Ni < Pb < Cr < Al, which is in agreement with metal sorption affinity of zeolite. Hence, sorption thermodynamics has an influence on the metal sorption affinity of zeolite. On the other hand, the primary kinetics rate-limiting step of seaweed was the sorption reaction process followed by intraparticle diffusion. The boundary layer diffusion was also found to limit the metal sorption kinetics at low concentration. According to the sorption isotherm study, Cd, Pb, Cr and Al were sorbed by seaweed via ion exchange, whilst sorption of Ni occurred via physisorption. Furthermore, ionic bonding is responsible for the sorption of Zn. The thermodynamics study confirmed that sorption by seaweed was energetically favourable in the order of Zn < Cu < Cd < Cr . Al < Pb < Ni. However, this did not agree with the affinity series derived for seaweed suggesting a limited influence of sorption thermodynamics on metal affinity for seaweed. The investigation of zeolite-seaweed mixtures indicated that mixing sorbents have an effect on the kinetics rates and the sorption affinity. Additionally, the theoretical relationships were derived to predict the boundary layer diffusion rate, intraparticle diffusion rate, the sorption reaction rate and the enthalpy of mixtures based on that of individual sorbents. In general, low coefficient of determination (R2) for the relationships between theoretical and experimental data indicated that the relationships were not statistically significant. This was attributed to the heterogeneity of the properties of sorbents. Nevertheless, in relative terms, the intraparticle diffusion rate, sorption reaction rate and enthalpy of sorption had higher R2 values than the boundary layer diffusion rate suggesting that there was some relationship between the former set of parameters of mixtures and that of sorbents. The mixture, which contained 80% of zeolite and 20% of seaweed, showed similar affinity for the sorption of Cu, Ni, Cd, Cr and Al, which was attributed to approximately similar sorption enthalpy of the metal ions. Therefore, it was concluded that the seaweed-zeolite mixture can be used to obtain the same affinity for various metals present in a multi metal system provided the metal ions have similar enthalpy during sorption by the mixture.

Behaviour of natural zeolites used for the treatment of simulated and actual coal seam gas water

Coal seam gas operations produce significant quantities of associated water which often require demineralization. Ion exchange with natural zeolites has been proposed as a possible approach. The interaction of natural zeolites with solutions of sodium chloride and sodium bicarbonate in addition to coal seam gas water is not clear. Hence, we investigated ion exchange kinetics, equilibrium, and column behaviour of an Australian natural zeolite. Kinetic tests suggested that the pseudo first order equation best simulated the data. Intraparticle diffusion was part of the rate limiting step and more than one diffusion process controlled the overall rate of sodium ion uptake. Using a constant mass of zeolite and variable concentration of either sodium chloride or sodium bicarbonate resulted in a convex isotherm which was fitted by a Langmuir model. However, using a variable mass of zeolite and constant concentration of sodium ions revealed that the exchange of sodium ions with the zeolite surface sites was in fact unfavourable. Sodium ion exchange from bicarbonate solutions (10.3 g Na/kg zeolite) was preferred relative to exchange from sodium chloride solutions (6.4 g Na/kg zeolite). The formation of calcium carbonate species was proposed to explain the observed behaviour. Column studies of coal seam gas water showed that natural zeolite had limited ability to reduce the concentration of sodium ions (loading 2.1 g Na/kg zeolite) with rapid breakthrough observed. It was concluded that natural zeolites may not be suitable for the removal of cations from coal seam gas water without improvement of their physical properties.

Abatement of fluoride from water using manganese dioxide-coated activated alumina

Batch adsorption of fluoride onto manganese dioxide-coated activated alumina (MCAA) has been studied. Adsorption experiments were carried out at various pH (3–9), time interval (0–6 h), adsorbent dose (1–16 g/l), initial fluoride concentration (1–25 mg/l) and in the presence of different anions. Adsorption isotherms have been modeled using Freundlich, Langmuir and Dubinin–Raduskevich isotherms and adsorption followed Langmuir isotherm model. Kinetic studies revealed that the adsorption followed second-order rate kinetics. MCAA could remove fluoride effectively (up to 0.2 mg/l) at pH 7 in 3 h with 8 g/l adsorbent dose when 10 mg/l of fluoride was present in 50 ml of water. In the presence of other anions, the adsorption of fluoride was retared. The mechanism of fluoride uptake by MCAA is due to physical adsorption as well as through intraparticle diffusion which was confirmed by kinetics, Dubinin–Raduskevich isotherm, zeta-potential measurements and mapping studies of energy-dispersive analysis of X-ray.

Enhanced adsorption capacity of activated alumina by impregnation with alum for removal of As(V) from water

Alum-impregnated activated alumina (AIAA) was investigated in the present work as an adsorbent for the removal of As(V) from water by batch mode. Adsorption study at different pH values shows that the efficiency of AIAA is much higher than as such activated alumina and is suitable for treatment of drinking water. The adsorption isotherm experiments indicated that the uptake of As(V) increased with increasing As(V) concentration from 1 to 25 mg/l and followed Langmuir-type adsorption isotherm. Speciation diagram shows that in the pH range of 2.8–11.5, arsenate predominantly exists as H2AsO4− and HAsO42− species and hence it is presumed that these are the major species being adsorbed on the surface of AIAA. Intraparticle diffusion and kinetic studies revealed that adsorption of As(V) was due to physical adsorption as well as through intraparticle diffusion. Effect of interfering ions revealed that As(V) sorption is strongly influenced by the presence of phosphate ion. The presence of arsenic on AIAA is depicted from zeta potential measurement, scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive analysis of X-ray (EDAX) mapping study. Alum-impregnated activated alumina successfully removed As(V) to below 40 ppb (within the permissible limit set by WHO) from water, when the initial concentration of As(V) is 10 mg/l.

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.

Retention of toxic chromium from aqueous phase by H3PO4-activated lignin: Effect of salts and desorption studies

In this study, the feasibility of using H₃PO₄-activated lignin for hexavalent chromium adsorption has been investigated. The composite of activated lignin was characterized using FTIR, XRD and SEM with EDAX analysis. It was observed that the pH had a strong effect on the adsorption capacity; adsorption of Cr(VI) was more favorable at acidic pH with maximum uptake at pH 2. The adsorption equilibrium data were best represented by Koble-Corrigan isotherm. The monolayer sorption capacity obtained from the Langmuir model was found to be 77.85 mg/g. Adsorption showed pseudo-second order rate kinetics and the process involving the rate-controlling step is complex as it involves both film and intraparticle diffusion processes. The NaOH desorbing agent was able to release approximately 84% of metal ions. Thermodynamic parameters showed that the sorption process is exothermic and non-spontaneous. The overall Cr(VI) retention on the activated lignin surface perhaps includes both the physical adsorption of Cr(VI) and the consequent reduction of Cr(VI) to Cr(III). (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Biosorption of toxic chromium from aqueous phase by lignin: mechanism, effect of other metal ions and salts

Surface reaction methodology was implicated in the optimization of hexavalent chromium removal onto lignin with respect to the process parameters. The influence of altering the conditions for removal of chromium(VI), for instance; solution pH, ionic strength, initial concentration, the dose of biosorbent, presence of other metals (Zn and Cu), presence of salts and biosorption-desorption studies, were investigated. It was found that the biosorption capacity of lignin depends on solution pH, with a maximum biosorption capacity for chromium at pH 2. Experimental equilibrium data were fitted to five different isotherm models by non-linear regression method, however, the biosorption equilibrium data were well interpreted by the Freundlich isotherm. The maximum biosorption capacities (q(max)) obtained using Dubinin-Radushkevich and Khan isotherms for Cr(VI) biosorption are 31.6 and 29.1 mg/g. respectively. Biosorption showed pseudo second order rate kinetics at different initial concentrations of Cr(VI). The intraparticle diffusion study indicated that film diffusion may be involved in the current study. The percentage removal of chromium on lignin decreased significantly in the presence of NaHCO3 and K2P2O7 salts. Desorption data revealed that nearly 70% of the Cr(VI) adsorbed on lignin could be desorbed using 0.1 M NaOH. It was evident that the biosorption mechanism involves the attraction of both hexavalent chromium (anionic) and trivalent chromium (cationic) onto the surface of lignin. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Efeito da presença de outros metais na remoção de mercúrio com cortiça

O Homem sempre utilizou processos produtivos com o intuito de satisfazer as suas necessidades básicas. Com o aumento da população mundial, atualmente superior a sete mil milhões de indivíduos, a quantidade de resíduos produzidos pela atividade humana, através da atividade industrial e descarga de resíduos domésticos e agrícolas, tomou dimensões desmesuradas, que são responsáveis por gerar um elevado volume de resíduos contendo diversos elementos e compostos prejudiciais ao ambiente, e, consequentemente, para a saúde humana, entre os quais se incluem alguns metais. O presente trabalho tem como principais objetivos estudar a remoção de mercúrio pela cortiça em águas sintéticas (agua MilliQ) e naturais (água de abastecimento público), na presença de outros metais (Cd, Pb e Cu) e avaliar a influência destes metais no processo de remoção. Os resultados permitiram verificar que 2,5mg/L de cortiça é uma quantidade adequada para remover mercúrio de uma solução com concentração inicial de 50μg/L de metal (percentagem de remoção de 70%), na ausência de outros contaminantes (cádmio, chumbo e cobre). Nestas condições, a quantidade máxima de mercúrio removido pela cortiça após 96 horas de contacto foi de 11,6mg de mercúrio por grama de cortiça. A presença de chumbo e cobre ou uma mistura deles reduziu a taxa de remoção de mercúrio pela cortiça e a velocidade inicial de remoção; a presença de cádmio afetou a velocidade inicial de remoção. Mesmo com a adição de outros contaminantes, como cádmio, chumbo e cobre e na presença de água de abastecimento público, observou-se que a cortiça apresenta capacidade de remoção de mercúrio. O modelo de pseudo segunda ordem foi o que apresentou um melhor ajuste aos resultados obtidos e o processo de remoção de mercúrio pela cortiça aparenta ser controlado quer pela difusão no filme quer pela difusão no poro.

Extraction and purification of triterpenic acids from eucalypt bark

A indústria da pasta e do papel é um sector importante da economia mundial, particularmente a que assenta em espécies de Eucalyptus. No entanto, essas indústrias geram quantidades significativas de correntes secundárias de subprodutos e resíduos de biomassa que podem ser exploradas em aplicações de valor acrescentado em vez de serem queimadas para produção de energia. Um exemplo nobre pode ser a produção de ácidos triterpénicos com estruturas dos tipos lupano, oleanano e ursano, dada a sua abundância em alguns destes resíduos, em particular na casca, adotando o conceito de biorrefinaria integrada numa fábrica de pasta. Estes compostos são conhecidos pelas suas inúmeras actividades biológicas, por exemplo, antioxidante, anti-inflamatória e antitumoral, e podem encontrar aplicações em produtos de elevado valor, tais como cosméticos, nutracêuticos ou farmacêuticos. Neste sentido, o estudo das potencialidades das cascas das espécies de eucalipto mais exploradas enquanto fontes de compostos triterpénicos é um tópico relevante. Por conseguinte, foram analisados e comparados em pormenor os teores e composições em ácidos triterpénicos (TTAs) das cascas externas de várias espécies de eucalipto (E. globulus, E. grandis, E. urograndis, E. maidenii e E. nitens). Os teores dos principais TTAs identificados nestas espécies variaram entre 4.5 g/kg no E. urograndis e 21.6 g/kg no E. nitens. Observou-se que as cascas externas de Eucalyptus de zonas temperadas e Mediterrânicas, nomeadamente E. nitens e E. globulus, são mais ricas em TTAs que as espécies de regiões tropicais e subtropicais. Além disso, a casca externa do E. globulus é claramente a mais rica em ácidos com estruturas do tipo ursano enquanto a do E. nitens é a mais rica em ácidos do tipo oleanano e lupano. Estes resultados levaram-nos a estudar a extração dos TTAs da casca de Eucalyptus, bem como a sua posterior concentração e purificação, a qual foi efetuada por extração sólido-líquido convencional combinada com a precipitação de solutos, e por extração com fluidos supercríticos (SFE). No que diz respeito à primeira abordagem referida, foi desenvolvido neste trabalho um método patenteado que permite obter extratos enriquecidos em TTAs das cascas de eucalipto baseado em tecnologias disponíveis no imediato. Em relação à segunda abordagem, e de forma a apostar em processos de baixo impacto ambiental exigidos pelas biorrefinarias do futuro, a SFE surge como uma opção natural. Assim, foi efetuada a SFE da casca caduca do E. globulus com dióxido de carbono puro e modificado para recuperar a fração de TTAs, e os resultados foram comparados com os obtidos por extração em Soxhlet com diclorometano. Foram realizados estudos preliminares sobre a influência da pressão (100-200 bar), a adição de co-solvente (0, 5 e 8% m/m de etanol), e operação em múltiplos passos a fim de avaliar a aplicabilidade da alternativa supercrítica para a sua produção eficiente e selectiva. Os resultados destacaram a influência da pressão e o importante papel resumo (cont.) desempenhado pelo co-solvente neste processo, cujo efeito foi mais relevante do que o aumento da pressão em várias dezenas de bar. Este trabalho foi depois otimizado, usando o planeamento factorial de experiências e a metodologia de superfícies de resposta, para analisar a influência da temperatura (40-60 ºC), pressão (100-200 bar), e teor de etanol (0.0-5.0% m/m) na recuperação dos TTAs e respectiva concentração nos extractos. Nestes intervalos, as melhores condições de operação encontradas foram 200 bar, 40 °C e 5% de etanol, para as quais os modelos de regressão estatisticamente validados previram um rendimento de extração de 1.2% com 50% de concentração em TTAs, correspondendo ao rendimento em TTAs de 5.1 g/kg de casca e uma recuperação de 79.2% comparativamente ao valor do Soxhlet. Os TTAs livres e acetilados apresentaram tendências de extracção bastante distintas devido às suas diferentes afinidades para o CO2 causadas pelas diferentes polaridades: os derivados acetilados aproximam-se de um patamar máximo a cerca de 200 bar e 5% de etanol, enquanto a extração dos TTAs livres apresenta uma tendência sempre crescente no intervalo de condições estudado. Foram também medidas curvas cumulativas de SFE da casca do E. globulus de forma a analisar o comportamento cinético do processo em termos de rendimento total, rendimento em TTAs, rendimento em TTAs livres, rendimento em TTAs acetilados, e concentração dos TTAs nos extractos. Foi analisada a influência da pressão, temperatura, teor de co-solvente e caudal do dióxido de carbono sobre as respostas anteriores. Os dados experimentais foram modelados com os modelos Logístico, de Dessorção, de Placa Plana Simples, e de Difusão. Na globalidade, os resultados confirmaram que a pressão e o teor de etanol têm um efeito significativo sobre as curvas de extração, os rendimentos finais e as concentrações dos extratos, e mostraram a presença de limitações externas à transferência de massa em alguns ensaios. Mais uma vez, as famílias individuais de TTAs livres e acetilados apresentaram diferentes tendências de extracção. A modelação permitiu-nos confirmar não só o importante papel desempenhado pela difusão intraparticular na SFE, mas também a contribuição da resistência no filme em alguns ensaios. Após a análise de todos os resultados, foi efetuado um ensaio em duas etapas em série, possibilitando o enriquecimento do teor em TTAs no extracto devido às diferentes condições adotadas em cada etapa. Por último, um éster metílico de um ácido triterpénico do tipo oleanano - morolato de metilo - foi identificado pela primeira vez enquanto componente da casca de Eucalyptus na casca externa do Eucalyptus grandis x globulus, onde ocorre em teores elevados. A sua extração com CO2 supercrítico foi também realizada, visando a conceção de uma alternativa de extração ambientalmente benigna para este composto. A 200 bar e 60 ºC, a remoção do morolato de metilo atingiu um patamar às 6 h para 5.1 kg h-1 de CO2 / kg de casca. Em geral, e de forma semelhante à SFE da casca do E. globulus, os TTAs acetilados foram mais significativamente extraídos quando comparados com os seus ácidos livres, o que está diretamente relacionado com a natureza menos polar destas moléculas. O trabalho apresentado nesta tese é uma contribuição para a valorização de uma corrente de biomassa com baixo valor na indústria de pasta em duas vertentes complementares. Por um lado, aumentou o conhecimento da composição lipofílica das cascas de Eucalyptus spp. com interesse comercial para a produção de pasta, destacando o seu potencial enquanto fontes de ácidos triterpénicos. Por outro lado, foram desenvolvidos dois processos alternativos e facilmente integráveis numa fábrica de pasta para a sua exploração a partir da casca: um baseado em tecnologias convencionais bem estabelecidas a nível industrial, prevendo a sua aplicação a curto prazo, e um outro baseado na SFE, seguindo as tendências das futuras biorrefinarias.

Adsorção dos íons cobre, cobalto e níquel na superfície organofuncionalizada 3(2-Amino-1,3,4-Tiadiazol) sílica gel, ATDSG

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Adsorção de íons metálicos em meio aquoso, etanólico e cetônico utilizando silsesquioxanos organofuncionalizados

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Adsorção de antibióticos em meio aquoso utilizando diferentes adsorventes

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Estudo da adsorção de níquel (II) e zinco (II) em soluções aquosas por lama vermelha natural e ativada: influência do PH, isotermas, cinética e termodinâmica

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)