DE202022100603U1 - A system of synthetic and natural Humiresin for the remediation of metallic water contamination - Google Patents

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Abstract

Ein System für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserverunreinigungen, wobei das System umfasst:
einen ersten Behälter zur Herstellung von Stammlösungen von 1 mg/ml Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) unter Verwendung von Cr2O3, CrO3, Cd(NO3)2, HgCl2 und SrCl2, während die übrigen Lösungen unter Verwendung von destilliertem Wasser in einem zweiten Behälter hergestellt und durch Standardanalyseverfahren standardisiert werden;
ein radioaktiver Tracer zur Untersuchung der Rückgewinnung und des Verlusts einer Mikrokomponente, bei dem ein radioaktiv markiertes Element oder eine Verbindung, die chemisch mit der Mikrokomponente identisch ist, der Probe vor der Anreicherung zugesetzt wird und dessen Verhalten durch eine empfindliche, schnelle und selektive Radioaktivitätsmessung verfolgt wird;
eine Extraktionsanlage zur Extraktion von Huminsäure (HA) aus trockenem Kuhmistpulver (DCP) (100 mesh), und es werden angemessene Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um jegliche Kontamination zu vermeiden;
einem Ofen zum Trocknen von DCP nach Entfernung von HA und gründlichem Waschen mit destilliertem Wasser gemäß dem Standardprotokoll, wobei sich für die vergleichende Biosorption die Maschenweite 100 als optimal erwiesen hat und daher ausgewählt wurde;
einen mechanischen Rührer zum Mischen von Humiresin mit 10 ml einer Lösung, die Radiotracer und 1 mg/ml Trägerlösung enthält, wobei der pH-Wert eingestellt und das resultierende Aliquot 10 Minuten lang mit dem mechanischen Rührer äquilibriert und dann zentrifugiert wird; und
ein Einkanal-Gammastrahlenspektrometer vom Typ NaI(TI)-Well, das für die Messung der Aktivität im Überstand für Gammastrahler konfiguriert ist, und einen Geiger-Muller-Zähler vom Endfenster-Typ in Verbindung mit einem Dekaden-Skalar, einem Zeitgeber und einer Hochspannungseinheit für den Betastrahler.

Figure DE202022100603U1_0000
A synthetic and natural humiresin system for the remediation of metallic water contaminants, the system comprising:
a first container for preparing stock solutions of 1 mg/ml Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) using Cr 2 O 3 , CrO 3 , Cd(NO 3 ) 2 , HgCl 2 and SrCl 2 while the remaining solutions are prepared using distilled water in a second container and standardized by standard analytical methods;
a radioactive tracer to study the recovery and loss of a microcomponent, in which a radioactively labeled element or compound chemically identical to the microcomponent is added to the sample prior to enrichment and its behavior is followed by a sensitive, rapid and selective radioactivity measurement will;
an extraction plant for the extraction of humic acid (HA) from dry cow manure powder (DCP) (100 mesh) and adequate precautions are taken to avoid any contamination;
an oven for drying DCP after removal of HA and thorough washing with distilled water according to the standard protocol, for which the 100 mesh size was found to be optimal for the comparative biosorption and was therefore selected;
a mechanical stirrer to mix Humiresin with 10 mL of a solution containing radiotracer and 1 mg/mL carrier solution, adjusting the pH and making the resulting aliquot 10 equilibrated for minutes with the mechanical stirrer and then centrifuged; and
a single channel NaI(TI)-well type gamma ray spectrometer configured to measure activity in the supernatant for gamma emitters, and an end window type Geiger-Muller counter in conjunction with a decade scalar, a timer and a high voltage unit for the beta emitter.
Figure DE202022100603U1_0000

Description

BEREICH DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf ein System für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserverunreinigungen.The present disclosure relates to a synthetic and natural humiresin system for the remediation of metallic water contaminants.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Huminstoffe (HSs) sind in allen Systemen allgegenwärtig und stellen die wichtigste Verbindung aller nicht lebenden natürlichen organischen Stoffe dar. Es handelt sich um ein heterogenes Gemisch morphologisch veränderter Abbauprodukte von Biomolekülen, die bei der Befeuchtung zu einer Familie amorpher, polyelektrolytischer, polydisperser und kolloidaler Verbindungen führen. Die Humifizierung ist sehr empfindlich gegenüber pH-Wert, Temperatur und klimatischen Bedingungen. Sie besitzen einen einzigartigen konjugierten Chelatanteil (Keto-Enol), der die Struktur der Huminsäuren in Abhängigkeit von ihrer Umgebung verändert. HSs haben eine große Anzahl hydrophiler funktioneller Gruppen: Carboxyl (-COOH), Phenol- und/oder Hydroxyl (-OH), Carbonyl (>C = O) und Amingruppen (-NH2). Hydroxyl- und Carboxylgruppen verleihen HS typische Eigenschaften. Der Anteil der -COOH-Gruppen beträgt oft mehr als 50 %. Huminstoffe (HS) setzen sich aus Huminsäure (HA), Fulvosäure (FA) und anderen organischen Resten zusammen.Humic substances (HSs) are ubiquitous in all systems and represent the most important compound of all non-living natural organic matter. It is a heterogeneous mixture of morphologically altered breakdown products of biomolecules which, when wetted, form a family of amorphous, polyelectrolytic, polydisperse and colloidal compounds to lead. Humification is very sensitive to pH, temperature and climatic conditions. They possess a unique conjugated chelate moiety (keto-enol) that alters the structure of humic acids depending on their environment. HSs have a large number of hydrophilic functional groups: carboxyl (-COOH), phenolic and/or hydroxyl (-OH), carbonyl (>C=O), and amine groups (-NH2). Hydroxyl and carboxyl groups give HS typical properties. The proportion of -COOH groups is often more than 50%. Humic substances (HA) are composed of humic acid (HA), fulvic acid (FA) and other organic residues.

HA ist die Fraktion der Huminstoffe, die unter sauren Bedingungen (pH < 2) in Wasser unlöslich ist und ein polydisperses Makromolekül darstellt, dass aus Aminosäuren, Aminozuckern, Peptiden und aliphatischen Verbindungen usw. besteht. HA interagiert nachweislich mit über 50 Elementen des Periodensystems, karzinogenen Bestandteilen, Nährstoffen, Radionukliden, toxischen Metallen und anthropogenen Verbindungen. Bei niedrigem pH-Wert bildet es Aggregate aus länglichen Faserbündeln, bei hohem pH-Wert eine offene und flexible Struktur, die von Hohlräumen durchzogen ist. Die Hohlräume können sowohl organische als auch anorganische Stoffe einschließen und adsorbieren, wenn die Ladungen komplementär sind. Diese inhärente Eigenschaft verleiht HA die Eigenschaften eines natürlichen Adsorptionsmittels. HA bindet anthropogene organische Verbindungen, wirkt photosensibilisierend auf chemische Reaktionen und bildet Komplexe mit Schwermetallen sowie mit Karzinogenen.HA is the fraction of humic substances that is insoluble in water under acidic conditions (pH < 2) and is a polydisperse macromolecule composed of amino acids, amino sugars, peptides and aliphatic compounds, etc. HA has been shown to interact with over 50 elements of the periodic table, carcinogenic compounds, nutrients, radionuclides, toxic metals and anthropogenic compounds. At low pH it forms aggregates of elongated fiber bundles, at high pH it forms an open and flexible structure with cavities running through it. The voids can encapsulate and adsorb both organic and inorganic materials when the charges are complementary. This inherent property gives HA the properties of a natural adsorbent. HA binds anthropogenic organic compounds, has a photosensitizing effect on chemical reactions and forms complexes with heavy metals and carcinogens.

Synthetische Huminstoffe, Na- oder K-Salze von HA oder FA, die bisher für die Bioremediation eingesetzt wurden, werden meist aus der abiotischen Nische der Lithosphäre und der Hydrosphäre gewonnen, da sie biologisch abbaubare Stoffe humifizieren. HA aus der tiefen Lithosphäre (Braunkohle) enthält minderwertige Kohle, die unerwünscht ist und sich schlecht als Wachstumsstimulator eignet. Oberflächen-HA auf Lithosphärenbasis (Leonardit) enthält Verunreinigungen wie Ton, Schiefer, Kieselsäure, Gips und andere anthropogene Schadstoffe. HA auf Hydrosphärenbasis (Meeres- oder Flusswasser) enthält einen sehr geringen Anteil an HA, eine reichhaltige unerwünschte Mikroflora und Wasserschadstoffe. Auch die Vor- und Nachbereitung der HA-Konzentration ist zeitaufwendig und erfordert einen höheren Reinigungsgrad. Dies führt dazu, dass viele unerwünschte chemische Schritte anfallen, die die Kosten des eigentlichen Extraktionsprozesses erhöhen und die gesetzlichen Normen für die Umweltsicherheit in Frage stellen. In der Praxis erfordern diese Materialien ein gewisses Maß an vor- oder nachgelagerter physikalischer und chemischer Verbesserung, um als Adsorptionsmittel optimiert zu werden, was die Wirtschaftlichkeit des gesamten Adsorptionsprozesses weiter erhöht. Außerdem muss nach Abschluss der Sorption eine sichere und einfache Entsorgungsmethode für den Schlamm entwickelt werden, um als umweltfreundliches Adsorptionsmittel zu gelten.Synthetic humic substances, Na or K salts of HA or FA, which have hitherto been used for bioremediation, are mostly obtained from the abiotic niche of the lithosphere and the hydrosphere because they humify biodegradable substances. HA from the deep lithosphere (lignite) contains low-grade carbon, which is undesirable and poorly suited as a growth stimulator. Lithospheric-based (leonardite) surface HA contains contaminants such as clay, shale, silica, gypsum, and other anthropogenic pollutants. Hydrosphere-based HA (sea or river water) contains very low levels of HA, rich unwanted microflora and water pollutants. The preparation and post-processing of the HA concentration is also time-consuming and requires a higher degree of purification. This results in many unwanted chemical steps, increasing the cost of the actual extraction process and challenging regulatory environmental safety standards. In practice, these materials require some degree of upstream or downstream physical and chemical improvement to be optimized as adsorbents, further increasing the economics of the overall adsorption process. Also, once sorption is complete, a safe and easy disposal method for the sludge needs to be developed in order to be considered an environmentally friendly adsorbent.

Ein Überblick über die Bioremediation verschmutzter Gewässer zeigt, dass es eine Vielzahl natürlicher und synthetischer Biomasse biotischen und abiotischen Ursprungs sowie pflanzlichen und tierischen Ursprungs oder sogar aus Industrieabfällen gibt, die erfolgreich zur Beseitigung toxischer Metallschadstoffe eingesetzt werden. Die Verfügbarkeit ist ein wichtiger Faktor, der bei der Auswahl von Biomasse für Sanierungszwecke berücksichtigt werden muss. Die Ökonomie der Umweltsanierung diktiert, dass die Biomasse aus der Natur stammen muss oder sogar ein Abfallmaterial sein muss, und hat durch das Konzept „Abfall ist die Ware“ neue Perspektiven erhalten.An overview of the bioremediation of polluted waters shows that there are a variety of natural and synthetic biomasses of biotic and abiotic origin, as well as plant and animal origin or even from industrial waste, which are successfully used to remove toxic metal pollutants. Availability is an important factor to consider when selecting biomass for remediation purposes. The economics of environmental remediation dictates that the biomass must come from nature or even be a waste material and has been given new perspectives by the concept of 'waste is the commodity'.

In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass ein System für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserverunreinigungen erforderlich ist.In view of the foregoing, it is clear that a synthetic and natural humiresin system is required for the remediation of metallic water contamination.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Offenlegung zielt darauf ab, ein System zur biosorptiven Profilierung von Humiresin sowohl natürlichen als auch synthetischen Ursprungs für die Abwassersanierung bereitzustellen.The present disclosure aims to provide a system for biosorptive profiling of humiresin of both natural and synthetic origin for wastewater remediation.

In einer Ausführungsform wird ein System für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserverunreinigungen offenbart. Das System umfasst einen ersten Behälter zur Herstellung von Stammlösungen von 1 mg/ml Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) unter Verwendung von Cr2O3, CrO3, Cd(NO3)2, HgCl2 und SrCl2, während die verbleibenden Lösungen unter Verwendung von destilliertem Wasser in einem zweiten Behälter hergestellt und durch Standard-Analyseverfahren standardisiert werden. Das System umfasst ferner einen radioaktiven Tracer zur Untersuchung der Rückgewinnung und des Verlusts einer Mikrokomponente, wobei ein radioaktiv markiertes Element oder eine Verbindung, die chemisch mit der Mikrokomponente identisch ist, der Probe vor der Anreicherung zugesetzt wird und ihr Verhalten durch eine empfindliche, schnelle und selektive Radioaktivitätsmessung verfolgt wird. Das System umfasst ferner eine Extraktionseinheit zur Extraktion von Huminsäure (HA) aus trockenem Kuhmistpulver (DCP) (100 mesh), wobei angemessene Vorkehrungen getroffen werden, um jegliche Kontamination zu vermeiden. Das System umfasst ferner einen Ofen zum Trocknen von DCP nach der Entfernung von HA und gründlichem Waschen mit destilliertem Wasser gemäß dem Standardprotokoll, wobei sich für die vergleichende Biosorption die Maschengröße 100 als optimal erwiesen hat und daher ausgewählt wurde. Das System umfasst ferner einen mechanischen Rührer zum Mischen von Humiresin mit 10 ml einer Lösung, die Radiotracer und 1 mg/ml Trägerlösung enthält, wobei der pH-Wert eingestellt und das resultierende Aliquot 10 Minuten lang mit dem mechanischen Rührer äquilibriert und dann zentrifugiert wird. Das System umfasst ferner ein Einkanal-Gammastrahlenspektrometer vom Typ NaI(TI)-Well, dass für die Messung der Aktivität im Überstand für Gammastrahler konfiguriert ist, und einen Geiger-Muller-Zähler vom Endfenster-Typ in Verbindung mit einem Dekaden-Skalar, einem Zeitgeber und einer Hochspannungseinheit für den Betastrahler.In one embodiment, a synthetic and natural humiresin system for remediating metallic water contaminants is disclosed. The system includes a first tank for preparing stock solutions of 1 mg/mL Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) using Cr 2 O 3 , CrO 3 , Cd(NO 3 ) 2 , HgCl 2 and SrCl 2 while the remaining solutions are prepared using distilled water in a second container and standardized by standard analytical methods. The system also includes a radioactive tracer to study the recovery and loss of a microcomponent, where a radioactively labeled element or compound chemically identical to the microcomponent is added to the sample prior to enrichment and its behavior is monitored by a sensitive, rapid and selective radioactivity measurement is pursued. The system also includes an extraction unit for extracting humic acid (HA) from dry cow manure powder (DCP) (100 mesh), taking reasonable precautions to avoid any contamination. The system further includes an oven for drying DCP after HA removal and thorough washing with distilled water according to the standard protocol, for comparative biosorption the 100 mesh size was found to be optimal and was therefore selected. The system further includes a mechanical stirrer to mix Humiresin with 10 ml of a solution containing radiotracer and 1 mg/ml carrier solution, adjust the pH and equilibrate the resulting aliquot for 10 minutes with the mechanical stirrer and then centrifuge. The system further includes a single-channel NaI(TI)-well gamma-ray spectrometer configured to measure activity in the supernatant for gamma emitters, and an end-window-type Geiger-Muller counter in conjunction with a decade scalar, a timer and a high voltage unit for the beta emitter.

In einer anderen Ausführungsform bietet die Tracer-Technik einige einzigartige Vorteile wie hohe Empfindlichkeit, zerstörungsfreies Muster, Freiheit von Reagenzienrohlingen und dergleichen.In another embodiment, the tracer technique offers some unique advantages such as high sensitivity, non-destructive patterning, freedom from blank reagents, and the like.

In einer anderen Ausführungsform werden Radiotracer für die einfache Überwachung des Prozesses verwendet, bei der auf die Aliquotierung der Probe unmittelbar die Zählung des Radionuklids folgt, wobei Radiotracer den einzigartigen Vorteil haben, dass sie keine Reagenzienleerstellen und ein zerstörungsfreies Analysemuster erfordern.In another embodiment, radiotracers are used for simple monitoring of the process where sample aliquoting is immediately followed by radionuclide counting, radiotracers have the unique advantage of requiring no reagent voids and a non-destructive analysis pattern.

In einer anderen Ausführungsform wird ein vergleichender Biosorptionstest mit Chargenäquilibrierung durchgeführt, bei dem die Aufnahme von Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) mit Hilfe der entsprechenden Radiotracer Cr-51, Cd-115m, Hg-203 und Sr-90 untersucht wird.In another embodiment, a comparative biosorption test with batch equilibration is carried out in which the uptake of Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) using the corresponding radiotracers Cr-51, Cd-115m, Hg-203 and Sr-90 is examined.

In einer anderen Ausführungsform werden alle fünf Humiresine vor der Verwendung ordnungsgemäß getrocknet, um eine Oxidation durch Säure aufgrund des Vorhandenseins eines Gemischs von Alkoholen, falls vorhanden, zu verhindern, wobei die Abwesenheit von Alkohol in DCP durch eine FTIR-Analyse von DCP bestätigt wird, die keine charakteristische Alkoholbande aufweist.In another embodiment, all five Humiresins are properly dried prior to use to prevent acid oxidation due to the presence of a mixture of alcohols, if present, the absence of alcohol in DCP being confirmed by FTIR analysis of DCP, which does not show a characteristic alcohol band.

In einer anderen Ausführungsform wird die Wirkung verschiedener experimenteller Parameter wie pH-Wert (von 1-10), Metallionenkonzentration (0.5-20 mg/ml), Kontaktzeit (0-30 min), Rührgeschwindigkeit (0-5000 rpm), Adsorptionsmittelmenge (50-1000 mg), Temperatur (273-373 K), Adsorptionskapazität und Interferenz verschiedener Salze untersucht, um die Parameter für die Entwicklung eines effizienten Adsorptionsprozesses zu optimieren.In another embodiment, the effect of different experimental parameters such as pH (from 1-10), metal ion concentration (0.5-20 mg/ml), contact time (0-30 min), stirring speed (0-5000 rpm), amount of adsorbent (50 -1000 mg), temperature (273-373 K), adsorption capacity and interference of different salts to optimize the parameters for the development of an efficient adsorption process.

In einer anderen Ausführungsform wird die im Überstand vorhandene Aktivität gemessen, nachdem der Überstand abgetrennt und das Adsorbens mit 5 ml destilliertem Wasser gewaschen wurde.In another embodiment, the activity present in the supernatant is measured after separating the supernatant and washing the adsorbent with 5 ml distilled water.

Gegenstand der vorliegenden Veröffentlichung ist die Untersuchung des biosorptiven Profils von Humiresin sowohl natürlichen als auch synthetischen Ursprungs für die Abwassersanierung.The subject of the present publication is the investigation of the biosorptive profile of humiresin of both natural and synthetic origin for wastewater remediation.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist die Bewertung der biologischen Sanierungseffizienz natürlicher Huminstoffe im Vergleich zu ihren synthetischen Gegenstücken.Another objective of the present disclosure is to evaluate the bioremediation efficiency of natural humic substances compared to their synthetic counterparts.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist die Durchführung eines vergleichenden Chargen-Equilibrations-Biosorptionstests unter Verwendung von Radiotracern auf verschiedenen Humi-Harzen.Another objective of the present disclosure is to perform a comparative batch equilibration biosorption test using radiotracers on different Humi resins.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein schnelles und kostengünstiges System für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserverunreinigungen bereitzustellen.Another object of the present invention is to provide a rapid and inexpensive synthetic and natural humiresin system for the remediation of metallic water contamination.

Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.In order to further clarify the advantages and features of the present disclosure, a more detailed description of the invention is provided by reference to specific embodiments that are illustrated in the accompanying figures. It is understood that these figures represent only typical embodiments of the invention and therefore should not be considered as limiting the scope of the invention. The invention will be described and illustrated with additional specificity and detail with the accompanying figures.

Figurenlistecharacter list

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

  • 1 ein Blockdiagramm eines Systems für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserverunreinigungen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 2 die Auswirkung des pH-Wertes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 3 veranschaulicht Tabelle 1, die den biosorptiven Test von Elementen auf verschiedene Humiresine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
  • 4 zeigt Tabelle 2, in der die optimierten Prozessparameter für die Biosorption von DCP in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind;
  • 5 zeigt Tabelle 3, in der die thermodynamische Modellierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist;
  • 6 zeigt die Tabelle 4, die die kinetische Modellierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
  • 7 zeigt Tabelle 5, die die isotherme Modellierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
  • 8 zeigt Tabelle 6, in der nicht störende und störende Liganden mit optimierten Biosorptionsprozessparametern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind.
These and other features, aspects, and advantages of the present disclosure will be better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying figures, in which like characters represent like parts throughout the figures, wherein:
  • 1 Figure 10 shows a block diagram of a synthetic and natural humiresin system for remediation of metallic water contaminants in accordance with an embodiment of the present disclosure;
  • 2 Figure 12 shows the effect of pH according to an embodiment of the present disclosure;
  • 3 Table 1 illustrates the biosorptive testing of elements for various Humiresins according to an embodiment of the present disclosure;
  • 4 Table 2 shows the optimized process parameters for the biosorption of DCP in accordance with an embodiment of the present disclosure;
  • 5 Figure 3 shows Table 3 depicting thermodynamic modeling in accordance with an embodiment of the present disclosure;
  • 6 FIG. 4 shows Table 4 depicting kinetic modeling according to an embodiment of the present disclosure; FIG.
  • 7 Figure 5 shows Table 5, which illustrates isothermal modeling according to an embodiment of the present disclosure; and
  • 8th Figure 6 shows Table 6 presenting noninterfering and interfering ligands with optimized biosorption process parameters according to an embodiment of the present disclosure.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.Those skilled in the art will understand that the elements in the figures are presented for simplicity and are not necessarily drawn to scale. For example, the flow charts illustrate the method of key steps to enhance understanding of aspects of the present disclosure. In addition, one or more components of the device may be represented in the figures by conventional symbols, and the figures only show the specific details relevant to understanding the embodiments of the present disclosure, not to encircle the figures with details to overload, which are easily recognizable to those skilled in the art familiar with the present description.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.For the purposes of promoting an understanding of the invention, reference will now be made to the embodiment illustrated in the figures and specific language will be used to describe the same. It should be understood, however, that no limitation on the scope of the invention is intended, and such alterations and further modifications to the illustrated system and such further applications of the principles of the invention set forth therein are contemplated as would occur to those skilled in the art invention would normally come to mind.

Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory of the invention and are not intended to be limiting.

Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.When this specification refers to "an aspect,""anotheraspect," or the like, it means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is present in at least one embodiment included in the present disclosure. Therefore, the phrases "in one embodiment,""in another embodiment," and similar phrases throughout this specification may or may not all refer to the same embodiment.

Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte einschließt, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.The terms "comprises," "including," or other variations thereof are intended to cover non-exclusive inclusion, such that a method or method that includes a list of steps includes not only those steps, but may also include other steps that are not expressly stated or pertaining to any such process or method. Likewise, any device or subsystem or element or structure or component preceded by "comprises...a" does not, without further limitation, exclude the existence of other devices or other subsystem or other element or other structure or other component or additional device or additional subsystems or additional elements or additional structures or additional components.

Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which this invention pertains. The system, methods, and examples provided herein are for purposes of illustration only and are not intended to be limiting.

Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.Embodiments of the present disclosure are described in detail below with reference to the attached figures.

In 1 ist ein Blockdiagramm eines Systems für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserschadstoffen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das System 100 umfasst einen ersten Behälter 102 zur Herstellung von Stammlösungen von 1 mg/ml Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) unter Verwendung von Cr2O3, CrO3, Cd(NO3)2, HgCl2 und SrCl2, während die übrigen Lösungen unter Verwendung von destilliertem Wasser in einem zweiten Behälter 104 hergestellt und durch Standardanalyseverfahren standardisiert werden.In 1 1 is a block diagram of a synthetic and natural humiresin system for remediation of metallic water pollutants according to an embodiment of the present disclosure. The system 100 includes a first container 102 for preparing stock solutions of 1 mg/ml Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) using Cr 2 O 3 , CrO 3 , Cd(NO 3 ) 2 , HgCl 2 and SrCl 2 , while the remaining solutions are prepared using distilled water in a second container 104 and standardized by standard analysis methods.

In einer Ausführungsform wird ein radioaktiver Tracer 106 mit radioaktiver Tracertechnik zur Untersuchung der Wiederfindung und des Verlusts einer Mikrokomponente eingesetzt, bei der ein radioaktiv markiertes Element oder eine Verbindung, die chemisch mit der Mikrokomponente identisch ist, der Probe vor der Anreicherung zugesetzt und ihr Verhalten durch eine empfindliche, schnelle und selektive Radioaktivitätsmessung verfolgt wird. Im Vergleich zum klassischen Ansatz bietet die Tracer-Technik einige einzigartige Vorteile wie hohe Empfindlichkeit, zerstörungsfreies Muster, Freiheit von Reagenzienleerstellen usw. Radiotracer werden für die einfache Überwachung des Prozesses verwendet, wobei auf die Aliquotierung der Probe sofort die Zählung des Radionuklids folgt. Außerdem haben Radiotracer den einzigartigen Vorteil, dass kein Reagenzienleerwert vorhanden ist und die Analyse zerstörungsfrei verläuft.In one embodiment, a radioactive tracer 106 is used with radioactive tracer technology to study the recovery and loss of a microcomponent in which a radioactively labeled element or compound chemically identical to the microcomponent is added to the sample prior to enrichment and its behavior is monitored by a sensitive, fast and selective radioactivity measurement is pursued. Compared to the classical approach, the tracer technique offers some unique advantages such as high sensitivity, non-destructive pattern, freedom from reagent voids, etc. Radiotracers are used for easy monitoring of the process, with sample aliquoting followed immediately by radionuclide counting. In addition, radiotracers have the unique advantage that there is no reagent blank and the analysis is non-destructive.

In einer Ausführungsform ist eine Extraktionseinheit 108 für die Extraktion von Huminsäure (HA) aus trockenem Kuhmistpulver (DCP) (100 Mesh) konfiguriert, und es werden angemessene Vorkehrungen getroffen, um jegliche Kontamination zu vermeiden.In one embodiment, an extraction unit 108 is configured for the extraction of humic acid (HA) from dry cow manure powder (DCP) (100 mesh) and reasonable precautions are taken to avoid any contamination.

In einer Ausführungsform wird ein Ofen 110 zum Trocknen von DCP nach Entfernung von HA und gründlichem Waschen mit destilliertem Wasser gemäß dem Standardprotokoll eingesetzt, wobei sich für die vergleichende Biosorption eine Maschenweite von 100 als optimal erwiesen hat und daher ausgewählt wird. Es hat sich herausgestellt, dass Harze mit einer Maschenweite von weniger als 100 lange brauchen, um sich nach dem Rühren abzusetzen, und dass eine Maschenweite von mehr als 100 nicht für ein gleichmäßiges Rühren geeignet ist.In one embodiment, an oven 110 is used to dry DCP after removal of HA and thorough washing with distilled water according to the standard protocol, for comparative biosorption a mesh size of 100 has been found to be optimal and is therefore chosen. It has been found that resins less than 100 mesh take a long time to settle after stirring, and more than 100 mesh is not suitable for smooth stirring.

In einer Ausführungsform wird ein mechanischer Rührer 112 mechanisch mit dem ersten und zweiten Behälter 102 und 104 verbunden, um Humiresin mit 10 ml Lösung, die Radiotracer und 1 mg/ml Trägerlösung enthält, zu mischen, wobei der pH-Wert eingestellt und das resultierende Aliquot 10 Minuten lang mit dem mechanischen Rührer 112 äquilibriert und dann zentrifugiert wird.In one embodiment, a mechanical stirrer 112 is mechanically connected to the first and second containers 102 and 104 to mix Humiresin with 10 mL of solution containing radiotracer and 1 mg/mL carrier solution, the pH adjusted and the resulting aliquot Equilibrate for 10 minutes with the mechanical stirrer 112 and then centrifuge.

In einer Ausführungsform ist ein Einkanal-Gammastrahlenspektrometer 114 vom Typ NaI(TI)-Well zur Messung der Aktivität im Überstand für Gammastrahler und ein Geiger-Müller-Zähler vom Typ Endfenster in Verbindung mit einem Dekadenskalar, einem Zeitgeber und einer Hochspannungseinheit für den Betastrahler konfiguriert.In one embodiment, a single-channel NaI(TI)-well gamma ray spectrometer 114 for measuring supernatant activity for gamma emitters and an end window Geiger-Muller counter is in Connection configured with a decade scalar, a timer and a high voltage unit for the beta emitter.

In einer anderen Ausführungsform bietet die Tracer-Technik einige einzigartige Vorteile wie hohe Empfindlichkeit, zerstörungsfreies Muster, Freiheit von Reagenzienrohlingen und dergleichen.In another embodiment, the tracer technique offers some unique advantages such as high sensitivity, non-destructive patterning, freedom from blank reagents, and the like.

In einer anderen Ausführungsform werden Radiotracer für die einfache Überwachung des Prozesses verwendet, bei der auf die Aliquotierung der Probe unmittelbar die Zählung des Radionuklids folgt, wobei Radiotracer den einzigartigen Vorteil haben, dass sie keine Reagenzienleerstellen und ein zerstörungsfreies Analysemuster erfordern.In another embodiment, radiotracers are used for simple monitoring of the process where sample aliquoting is immediately followed by radionuclide counting, radiotracers have the unique advantage of requiring no reagent voids and a non-destructive analysis pattern.

In einer anderen Ausführungsform wird ein vergleichender Biosorptionstest mit Chargenäquilibrierung durchgeführt, bei dem die Aufnahme von Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) mit Hilfe der entsprechenden Radiotracer Cr-51, Cd-115m, Hg-203 und Sr-90 untersucht wird.In another embodiment, a comparative biosorption test with batch equilibration is carried out in which the uptake of Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) using the corresponding radiotracers Cr-51, Cd-115m, Hg-203 and Sr-90 is examined.

In einer anderen Ausführungsform werden alle fünf Humiresine vor der Verwendung ordnungsgemäß getrocknet, um eine Oxidation durch Säure aufgrund des Vorhandenseins eines Gemischs von Alkoholen, falls vorhanden, zu verhindern, wobei die Abwesenheit von Alkohol in DCP durch eine FTIR-Analyse von DCP bestätigt wird, die keine charakteristische Alkoholbande aufweist.In another embodiment, all five Humiresins are properly dried prior to use to prevent acid oxidation due to the presence of a mixture of alcohols, if present, the absence of alcohol in DCP being confirmed by FTIR analysis of DCP, which does not show a characteristic alcohol band.

In einer anderen Ausführungsform wird die Wirkung verschiedener experimenteller Parameter wie pH-Wert (von 1-10), Metallionenkonzentration (0.5-20 mg/ml), Kontaktzeit (0-30 min), Rührgeschwindigkeit (0-5000 rpm), Adsorptionsmittelmenge (50-1000 mg), Temperatur (273-373 K), Adsorptionskapazität und Interferenz verschiedener Salze untersucht, um die Parameter für die Entwicklung eines effizienten Adsorptionsprozesses zu optimieren.In another embodiment, the effect of different experimental parameters such as pH (from 1-10), metal ion concentration (0.5-20 mg/ml), contact time (0-30 min), stirring speed (0-5000 rpm), amount of adsorbent (50 -1000 mg), temperature (273-373 K), adsorption capacity and interference of different salts to optimize the parameters for the development of an efficient adsorption process.

In einer anderen Ausführungsform wird die im Überstand vorhandene Aktivität gemessen, nachdem der Überstand abgetrennt und das Adsorbens mit 5 ml destilliertem Wasser gewaschen wurde.In another embodiment, the activity present in the supernatant is measured after separating the supernatant and washing the adsorbent with 5 ml distilled water.

In einer anderen Ausführungsform wurde DCP auf seine physikalischen und chemischen Eigenschaften hin untersucht. Die physikalische Charakterisierung umfasst die Primäranalyse, die Elementzusammensetzung mittels XRF, die C-, H-, N-, S- und O-Analyse mittels CHNSO-Analysator, die REM-Analyse zur Oberflächencharakterisierung, das thermische Profil von DCP mittels TGA und DTA und die analytische spektroskopische Analyse mittels FTIR (zur Bestimmung der funktionellen Gruppen), ESR (für das Vorhandensein freier Radikale und die magnetische Suszeptibilität) und EDAX-Spektroskopie (für die qualitative und quantitative Analyse). Die FTIR-Analyse bewies die Funktionalität von DCP als Combo-Humi-Harz aufgrund des Vorhandenseins verschiedener saurer und basischer funktioneller Gruppen wie -COOH, -OH, -NH2, etc. Das REM-Muster von DCP zeigte deutlich die Oberflächentextur und Porosität von DCP. Es wurden viele Poren und kleine Öffnungen auf der Oberfläche gefunden, die für die leichtere Diffusion während des Adsorptionsprozesses verantwortlich sind.In another embodiment, DCP was analyzed for its physical and chemical properties. Physical characterization includes primary analysis, elemental composition by XRF, C, H, N, S and O analysis by CHNSO analyzer, SEM analysis for surface characterization, thermal profile of DCP by TGA and DTA and analytical spectroscopic analysis using FTIR (for determination of functional groups), ESR (for the presence of free radicals and magnetic susceptibility) and EDAX spectroscopy (for qualitative and quantitative analysis). FTIR analysis proved the functionality of DCP as a combo-humi resin due to the presence of different acidic and basic functional groups like -COOH, -OH, -NH2, etc. The SEM pattern of DCP clearly showed the surface texture and porosity of DCP . Many pores and small openings were found on the surface, which are responsible for easier diffusion during the adsorption process.

In einer anderen Ausführungsform werden kinetische, thermodynamische und isotherme Modelle weiter untersucht, um das System so zu optimieren, dass es in der Praxis eingesetzt werden kann. In another embodiment, kinetic, thermodynamic and isothermal models are further explored to optimize the system so that it can be used in practice.

Alle experimentellen Daten werden in Tripletts gemessen und anhand der nachstehenden prozentualen Adsorptionsformel berechnet: % Adsorption= A ( i ) A ( f ) A ( i ) × 100

Figure DE202022100603U1_0001
wobei, A ( i ) = entnommene Aktivit a ¨ t , A ( f ) = Gesamtaktivit a ¨ t im U ¨ berstand .
Figure DE202022100603U1_0002
All experimental data are measured in triplets and calculated using the percent adsorption formula below: % adsorption= A ( i ) A ( f ) A ( i ) × 100
Figure DE202022100603U1_0001
whereby, A ( i ) = withdrawn activity a ¨ t , A ( f ) = total activity a ¨ Tim u ¨ survived .
Figure DE202022100603U1_0002

Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass beim Vergleich des biosorptiven Profils verschiedener Humiresine synthetischen und natürlichen Ursprungs DCP die verschiedenen Metallionen in beträchtlicher Weise entfernen kann und dass dies ein Hinweis auf die Durchführbarkeit des Prozesses ist, der das Prinzip der Grünen Chemie, ein Maximum mit einem Minimum zu ernten, unterstützt.This study concludes that when comparing the biosorptive profile of different humiresins of synthetic and natural origin, DCP can remove the different metal ions to a considerable extent and that this is an indication of the feasibility of the process, which maximizes the principle of green chemistry to harvest a minimum supports.

Thermodynamische Studien zeigen, dass die Adsorption aller untersuchten Metallionen auf DCP ein spontaner und exothermer Prozess mit hoher Affinität der Metallbindung ist. Die Änderung der freien Energie ist für jedes System negativ mit Werten von -2.6333, -2.837, -4.510, -4.242 und -5.560 kJ mol-1 für Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) bzw. Sr(II). Die Enthalpieänderung ist mit -5.499, -4.757, -10.302, -10.421 und -6.396 kJ mol-1 für Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) negativ. Der positive Entropiewert für Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) wurde mit 18.980, 16.640, 35.294, 35.673 bzw. 22.889 J mol-1 K-1 ermittelt.Thermodynamic studies show that the adsorption of all investigated metal ions onto DCP is a spontaneous and exothermic process with high metal binding affinity. The free energy change is negative for each system with values of -2.6333, -2.837, -4.510, -4.242 and -5.560 kJ mol-1 for Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II). ) or Sr(II). The enthalpy change is negative at -5,499, -4,757, -10,302, -10,421 and -6,396 kJ mol-1 for Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II). The positive entropy value for Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) was found to be 18,980, 16,640, 35,294, 35,673 and 22,889 J mol-1 K-1, respectively.

Das kinetische Modell pseudo-zweiter Ordnung von Ho & McKay hat sich als am besten geeignet erwiesen, da es für jedes System einen hohen Korrelationskoeffizienten R2 aufweist. Die Adsorptionskapazität für Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) wurde mit 19.31, 10.20, 8.00, 16.00 und 9.00 mg g-1 ermittelt. Die kinetische Studie sowie die EDAX-Spektralanalyse erklären, dass die Chemisorption einer der Hauptmechanismen ist, der in die Studie des Biosorptionsprozesses einbezogen ist. Das Isothermenmodell von Freundlich hat sich mit einem hohen Korrelationskoeffizienten R2-Wert für jedes System als am besten geeignet erwiesen.The Ho & McKay pseudo-second order kinetic model has been found to be the most suitable as it has a high correlation coefficient R 2 for each system. The adsorption capacity for Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) was found to be 19.31, 10.20, 8.00, 16.00 and 9.00 mg g -1 . The kinetic study as well as the EDAX spectral analysis explain that chemisorption is one of the main mechanisms involved in the study of the biosorption process. Freundlich's isotherm model has been found to be the most suitable for any system, with a high correlation coefficient R 2 value.

DCP hat also ein großes Potenzial im Bereich der Wasserdekontaminierung, der industriellen Wasseraufbereitung und der Bekämpfung der Wasserverschmutzung. Die Auswahl eines jeden Verfahrens sollte unter dem Gesichtspunkt seiner Durchführbarkeit erfolgen und dem 3A-Konzept der Erschwinglichkeit, Akzeptanz und Anpassungsfähigkeit entsprechen. Vor diesem Hintergrund beweist unsere Forschung mit DCP, dass es erschwinglich ist, weil es kostenlos und natürlich verfügbar ist, dass es durch das HSAB-Konzept und verschiedene Modellierungen akzeptabel ist und dass es anpassungsfähig ist, weil es eine Kombination aus Natur und heterogener Funktionalität ist, die sowohl harte als auch weiche Metallionen im Abwasser zusammen mit zahlreichen organischen und anorganischen Liganden sequestriert. Somit wird der Nutzen von DCP sicherlich dazu beitragen, Abfall in Reichtum, Müll in Ressourcen und Abfall in Geld umzuwandeln, das ultimative Ziel der Abfallmanagementstrategie.So, DCP has great potential in the field of water decontamination, industrial water treatment and water pollution control. The selection of any procedure should be based on its feasibility and the 3A concept of affordability, acceptability and adaptability. Against this background, our research with DCP proves that it is affordable because it is free and naturally available, that it is acceptable through the HSAB concept and various modeling, and that it is adaptable because it is a combination of nature and heterogeneous functionality , which sequesters both hard and soft metal ions in wastewater along with numerous organic and inorganic ligands. Thus, the utility of DCP will surely help turn waste into wealth, trash into resources, and waste into money, the ultimate goal of waste management strategy.

2 veranschaulicht die Auswirkung des pH-Wertes in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Ergebnisse bestätigen, dass Aldrich HA auf Leonarditbasis die Metallionen im sauren Bereich effizient adsorbiert. Loba HA auf Torf- oder Braunkohlebasis erwies sich bei der Entfernung toxischer Schwermetallionen im Vergleich zu allen anderen Harzen im sauren und nahezu neutralen Bereich als am besten. Extrahiertes HA aus DCP hat die gleiche Effizienz wie Aldrich HA. Behandelter Kuhmist ohne HA hat ebenfalls eine beträchtliche Adsorptionskapazität. DCP ist im gesamten pH-Bereich praktisch unlöslich und kann daher für Abwässer mit alkalischem und saurem Charakter verwendet werden. Um die Effizienz von DCP bei der Entfernung der untersuchten Metallionen zu bewerten, wurde ein vergleichender Biosorptionsversuch durchgeführt, bei dem die Prozessparameter wie in Tabelle 1 dargestellt optimiert wurden. 2 Figure 1 illustrates the effect of pH in accordance with an embodiment of the present disclosure. The results confirm that Leonardite-based Aldrich HA efficiently adsorbs the metal ions in the acidic range. Peat or lignite based Loba HA was found to be the best at removing toxic heavy metal ions compared to all other resins in the acidic and near neutral range. Extracted HA from DCP has the same efficiency as Aldrich HA. Treated cow manure without HA also has a significant adsorption capacity. DCP is practically insoluble in the entire pH range and can therefore be used for both alkaline and acidic wastewater. In order to evaluate the efficiency of DCP in removing the studied metal ions, a comparative biosorption experiment was performed, optimizing the process parameters as shown in Table 1.

Bei der Betrachtung der prozentualen Biosorptionswerte von Aldrich HA und extrahiertem HA können wir feststellen, dass beide in der Na-Humat-Form die Metallionen nur im sauren Bereich effizient adsorbieren, aber die Metallionen im nahezu neutralen Bereich oder im alkalischen Bereich nicht optimal binden können, verglichen mit den Gegenharzen. Das Ligninderivat Loba HA (wasserunlöslich) hat die höchste biosorptive Kapazität für alle ausgewählten Metallionen, kann aber nur im pH-Bereich von 2-6 wirken und löst sich im alkalischen Bereich auf. Daher müssen die Abwässer vor seiner Anwendung neutralisiert oder angesäuert werden. Dieser Schritt erhöht die Kosten und die Eignung für die tatsächlichen Anwendungen. Behandelter Kuhmist ohne HA hat ebenfalls eine beträchtliche Adsorptionskapazität. Dies ist auf das Vorhandensein vieler anderer aktiver funktioneller HSs-Gruppen von DCP, außer HA, zurückzuführen, was durch FTIR-Spektroskopie bestätigt wird. Anhand der Daten können wir erkennen, dass DCP im gesamten pH-Bereich praktisch unlöslich ist und daher sowohl für alkalische als auch für saure Abwässer effektiv eingesetzt werden kann.Looking at the percentage biosorption values of Aldrich HA and extracted HA, we can see that both in the Na-humate form efficiently adsorb the metal ions only in the acidic range, but cannot optimally bind the metal ions in the near-neutral range or in the alkaline range, compared to the counter resins. The lignin derivative Loba HA (water-insoluble) has the highest biosorptive capacity for all selected metal ions, but can only act in the pH range of 2-6 and dissolves in the alkaline range. Therefore, the waste water must be neutralized or acidified before its use. This step increases cost and suitability for actual applications. Treated cow manure without HA also has a significant adsorption capacity. This is due to the presence of many other active DCP HSs functional groups besides HA, which is confirmed by FTIR spectroscopy. From the data we can see that DCP is practically insoluble over the entire pH range and can therefore be used effectively for both alkaline and acidic effluents.

Die thermodynamische, kinetische und isotherme Modellierung der Biosorption bestätigt, dass die Biosorption auf DCP ein praktikabler, umweltfreundlicher und effizienter Prozess ist, um DCP für die Entfernung von Metallionen aus einem wässrigen Medium einzusetzen. Der Mechanismus der Biosorption auf DCP wird durch Desorptions- und Kinetikstudien gut erfasst. Sie bestätigen, dass der Chemisorptionsmechanismus am besten passt, was wiederum durch die geringe Menge an Rückextraktion oder Strippen von Metallionen aus verbrauchtem DCP unterstützt wird. Die beste Anpassung des Pseudo-Kinetikmodells zweiter Ordnung von Ho & McKay unterstützt ebenfalls den Chemisorptionsmechanismus. Die spektroskopische Analyse von DCP vor und nach der Biosorption mittels FTIR und EDAX erklärt effektiv die Art der Chemisorption.Thermodynamic, kinetic, and isothermal modeling of biosorption confirms that biosorption on DCP is a viable, environmentally friendly, and efficient process to use DCP for the removal of metal ions from an aqueous medium. The mechanism of biosorption on DCP is well captured by desorption and kinetic studies. They confirm that the chemisorption mechanism is the best fit, which in turn is supported by the low amount of back-extraction or stripping of metal ions from spent DCP. The best fit of the Ho & McKay pseudo second-order kinetic model also supports the chemisorption mechanism. Spectroscopic analysis of DCP before and after biosorption using FTIR and EDAX effectively explains the mode of chemisorption.

Da DCP heterogen ist, kann bei einer Veränderung des pH-Werts der Lösung die gesamte Oberflächenladung so verändert werden, dass eine maximale Adsorption erreicht wird. Das Verhalten der Metallionen könnte auf der Grundlage der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen dem entgegengesetzt geladenen Adsorbat und dem Adsorptionsmittel erklärt werden. Aus Tabelle 2 und 2 geht hervor, dass 100 mg DCP Cr(III) bei pH = 6, Cd(II) bei pH = 3 und Hg(II) bei pH = 3 zu 70-75 % und 80-85 % für Cadmium- und Quecksilberionen entfernt. Auch Cr(VI) wird bei pH = 1 mit 250 mg DCP zu 70-75 % entfernt. In ähnlicher Weise werden bei pH = 6 mit 350 mg DCP 90-95 % des Sr(II) sequestriert.Because DCP is heterogeneous, changing the pH of the solution can alter the overall surface charge to achieve maximum adsorption. The behavior of the metal ions could be explained on the basis of the electrostatic attractive force between the oppositely charged adsorbate and the adsorbent. From Table 2 and 2 shows that 100 mg DCP removes Cr(III) at pH = 6, Cd(II) at pH = 3 and Hg(II) at pH = 3 by 70-75% and 80-85% for cadmium and mercury ions. Cr(VI) is also removed by 70-75% at pH = 1 with 250 mg DCP. Similarly, at pH=6, 90-95% of the Sr(II) is sequestered with 350 mg DCP.

Nach der Biosorptionstheorie werden Metallionen mit höherem Oxidationszustand gegenüber solchen mit niedrigerem bevorzugt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass mit 100 mg DCP etwa 70-75 % der Cr(III)-Entfernung erreicht werden, während Cr(VI) nur zu 55-58 % entfernt wird und für eine 70-75 %ige Entfernung von Cr(VI) aus dem System 250 mg DCP erforderlich sind. Diese Diskrepanz kann auf den unterschiedlichen pH-Wert zurückzuführen sein, der die funktionellen Gruppen von DCP beeinflusst. Daher ist es zwingend erforderlich, dass für das gleiche Ausmaß an Sorption mehr als die doppelte Menge an DCP benötigt wird, um den +6-Zustand als den +3-Zustand des wässrigen Chromions aufzunehmen. Gemäß der biosorptiven Präferenz werden Metallionen mit kleinerem Ionenradius besser adsorbiert als solche mit größerem Ionenradius, und unsere Ergebnisse bestätigen dies ebenfalls. Das Sr(II)-Ion hat mit 112 pm die größte Größe im Vergleich zu anderen Ionen, weshalb eine vergleichsweise höhere DCP-Dosis erforderlich ist. Mit 100 mg werden nur 48-50 % der Sr(II)-Ionen entfernt. Da Adsorption ein Oberflächenphänomen ist, ist das Ausmaß der Adsorption direkt proportional zur verfügbaren Oberfläche. Mit zunehmender Menge des Adsorptionsmittels stieg der prozentuale Anteil der Adsorption aufgrund der größeren verfügbaren Adsorptionsfläche.According to the biosorption theory, metal ions with a higher oxidation state are preferred over those with a lower one. Our results show that with 100 mg DCP about 70-75% of Cr(III) removal is achieved, while Cr(VI) is only removed 55-58% and for 70-75% removal of Cr(VI ) from the system 250 mg DCP are required. This discrepancy may be due to the different pH affecting the functional groups of DCP. Therefore, it is imperative that for the same level of sorption, more than twice the amount of DCP is required to take up the +6 state than the +3 state of the aqueous chromium ion. According to the biosorptive preference, metal ions with smaller ionic radius are better adsorbed than those with larger ionic radius, and our results also confirm this. At 112 pm, the Sr(II) ion has the largest size compared to other ions, which is why a comparatively higher DCP dose is required. With 100 mg only 48-50% of the Sr(II) ions are removed. Because adsorption is a surface phenomenon, the extent of adsorption is directly proportional to the available surface area. As the amount of adsorbent increased, the percentage of adsorption increased due to the larger available adsorption area.

Es ist sehr wichtig, die thermodynamischen Eigenschaften des Biosorptionsprozesses zu bewerten. Thermodynamische Überlegungen sind notwendig, um festzustellen, ob der Prozess spontan ist oder nicht. Die Änderung der freien Gibb'schen Energie, ΔG0, ist ein Hinweis auf die Spontaneität einer chemischen Reaktion und daher ein wichtiges zu untersuchendes Kriterium.It is very important to evaluate the thermodynamic properties of the biosorption process. Thermodynamic considerations are necessary to determine whether the process is spontaneous or not. The change in Gibbs free energy, ΔG 0 , is an indication of the spontaneity of a chemical reaction and is therefore an important criterion to study.

Die freie Energie der Biosorptionsreaktion kann unter Berücksichtigung der Biosorptionsgleichgewichtskonstante Ka bewertet werden, die durch die folgende Gleichung gegeben ist. Δ G 0 = RT ln K a

Figure DE202022100603U1_0003
The free energy of the biosorption reaction can be evaluated considering the biosorption equilibrium constant K a given by the following equation. Δ G 0 = RT ln K a
Figure DE202022100603U1_0003

Dabei ist ΔG0 die Standardänderung der freien Energie (J), R die universelle Gaskonstante = 8.314 J/mol K und T die absolute Temperatur (K). Ka-Werte für thermodynamische Berechnungen werden aus den experimentellen Werten bestimmt, die als Cad / Cliq erhalten werden. Die freie Energieänderung für den Temperaturbereich von 293-308 K unter Verwendung von Gleichung (2) wird ausgewertet und hat die negativen Werte von ΔG0 für den gesamten Bereich erhalten, wie in Tabelle 3 gezeigt.where ΔG 0 is the standard change in free energy (J), R is the universal gas constant = 8.314 J/mol K, and T is the absolute temperature (K). K a values for thermodynamic calculations are determined from the experimental values obtained as C ad / C liq . The free energy change for the temperature range of 293-308 K using Equation (2) is evaluated and obtained the negative values of ΔG 0 for the entire range as shown in Table 3.

Bei jeder Reaktion, die bei einer bestimmten Temperatur spontan abläuft, ist ΔG0 immer eine negative Größe. Der negative Wert bestätigt auch die Durchführbarkeit des Prozesses und die spontane Natur des Biosorptionsprozesses. Die lineare Darstellung von In Ka gegen die Temperatur 1/T × 103, Vent Hoff's plot, bestimmt die Werte von ΔH0 und ΔS0 aus der Steigung bzw. dem Schnittpunkt der Darstellung. Der positive Wert der Entropieänderung deutet auf eine Zunahme der Zufälligkeit an der Fest-Flüssig-Grenzfläche hin und spiegelt die Affinität von DCP für die untersuchten Metallionen wider.For every reaction that occurs spontaneously at a certain temperature, ΔG 0 is always a negative quantity. The negative value also confirms the feasibility of the process and the spontaneous nature of the biosorption process. The linear plot of In K a versus temperature 1/T × 10 3 , Vent Hoff's plot, determines the values of ΔH 0 and ΔS 0 from the slope and intercept of the plot, respectively. The positive value of the entropy change indicates an increase in randomness at the solid–liquid interface and reflects the affinity of DCP for the metal ions under study.

Der negative Wert der freien Energieänderung und der Enthalpie bestätigt die Durchführbarkeit und den spontanen sowie exothermen Charakter des Biosorptionsprozesses aller Metallionen an DCP. Der positive Wert der Entropieänderung deutet auf eine Zunahme der Zufälligkeit an der Fest-Flüssig-Grenzfläche hin, was die Affinität von DCP für die Metallionen widerspiegelt. Auch die weichen Ionenwechselwirkungen führen zu einer hohen Enthalpie des Systems, was sich auch an den Werten für Hg(II) und Cd(II) zeigt. Die höheren Werte der Entropie für die zweiwertigen Kationen Hg, Cd und Sr bestätigen das Vorhandensein von HA in DCP. Der Hauptgrund für dieses Verhalten liegt in der bekannten Eigenschaft von HA, eine höhere Affinität zu zweiwertigen Metallionen zu haben.The negative value of the free energy change and the enthalpy confirms the feasibility and the spontaneous as well as exothermic character of the biosorption process of all metal ions on DCP. The positive value of the entropy change indicates an increase in randomness at the solid–liquid interface, reflecting the affinity of DCP for the metal ions. The soft ion interactions also lead to a high enthalpy of the system, which is also reflected in the values for Hg(II) and Cd(II). The higher entropy values for the divalent cations Hg, Cd, and Sr confirm the presence of HA in DCP. The main reason for this behavior lies in the well-known property of HA to have a higher affinity for divalent metal ions.

Für alle praktischen Anwendungen ist die Sorptionskinetik bei der Abwasserbehandlung sehr wichtig, da sie wertvolle Einblicke in die Reaktionswege, den beteiligten Mechanismus und die Aufnahme des gelösten Stoffes liefert, die wiederum die Verweilzeit an der Grenzfläche zwischen Lösung und Sorbat kontrolliert. So liefern kinetische Studien detaillierte Informationen über die Adsorbat-Aufnahmeraten und über geschwindigkeitskontrollierende Schritte wie externer Stofftransport, Intrapartikel-Stofftransport und biosorptive Reaktion(en). In den meisten Fällen der Biosorption wurden die kinetischen Pseudo-Gleichungen erster und zweiter Ordnung von Ho & McKay parallel angewandt, wobei die zweite Ordnung aufgrund der geringen Unterschiede im Korrelationskoeffizienten oft als besser gilt als die andere. Wir haben verschiedene kinetische Modelle wie erste Ordnung, zweite Ordnung, Ho & McKay Pseudo-erste Ordnung, Pseudo-zweite Ordnung und das Intrapartikeldiffusionsmodell untersucht. Von diesen Modellen passte das Pseudo-Modell zweiter Ordnung von Ho & McKay mit R2-Werten nahe 1 für alle fünf Systeme am besten, wie in Tabelle 4 gezeigt.For all practical applications, sorption kinetics is very important in wastewater treatment as it provides valuable insight into the reaction pathways, the mechanism involved and the uptake of the solute which in turn controls the residence time at the interface between solution and sorbate. Thus, kinetic studies provide detailed information about adsorbate uptake rates and rate-controlling steps such as external mass transport, intraparticle mass transport, and biosorptive reaction(s). In most cases of biosorption, the kinetic pseudo-equations became first and second th order by Ho & McKay are applied in parallel, with the second order often being considered better than the other due to the small differences in the correlation coefficient. We have studied different kinetic models such as first order, second order, Ho & McKay pseudo first order, pseudo second order and the intraparticle diffusion model. Of these models, the second-order pseudo-model by Ho & McKay, with R 2 values close to 1, fit best for all five systems, as shown in Table 4.

Die kinetischen Adsorptionsdaten können verarbeitet werden, um die Dynamik der Biosorptionsreaktion in Bezug auf die Ordnung der Geschwindigkeitskonstante zu verstehen. Die Werte des Korrelationskoeffizienten R2 lagen nahe bei 1, wie in Tabelle 4 dargestellt, was auf die Anwendbarkeit des Pseudo-Modells zweiter Ordnung auf das vorliegende System hinweist. Die Anwendbarkeit dieses Modells deutet darauf hin, dass die Biosorption des untersuchten Elements auf DCP auf einer chemischen Reaktion zwischen dem Metall und den aktiven Stellen des Biosorptionsmittels beruht. Die kinetischen Daten wurden mit dem kinetischen Pseudomodell zweiter Ordnung behandelt. Es wird im Allgemeinen wie folgt ausgedrückt: dq t / dt = k 2 ( q e q t ) 2

Figure DE202022100603U1_0004
The kinetic adsorption data can be processed to understand the dynamics of the biosorption reaction in terms of rate constant order. The values of the correlation coefficient R 2 were close to 1 as shown in Table 4, indicating the applicability of the second-order pseudo-model to the present system. The applicability of this model suggests that the biosorption of the element under study on DCP relies on a chemical reaction between the metal and the active sites of the biosorbent. The kinetic data were treated with the second-order kinetic pseudomodel. It is generally expressed as follows: dq t / German = k 2 ( q e q t ) 2
Figure DE202022100603U1_0004

Dabei sind qe und qt die Adsorptionskapazität bei Gleichgewicht bzw. zum Zeitpunkt t (mg g-1) und k2 die Adsorptionsgeschwindigkeitskonstante zweiter Ordnung (g mg-1 min-1).where q e and qt are the adsorption capacity at equilibrium and time t, respectively (mg g -1 ) and k 2 is the second-order adsorption rate constant (g mg -1 min -1 ).

Integriert man die Gleichung Gl. (3) für die Randbedingungen q=0 bis q=qt bei t=0 bis t=t erhält man die folgende Gleichung: ( t / q t ) = ( 1 / k 2 q e 2 ) + ( 1 / q e ) t

Figure DE202022100603U1_0005
Integrating the equation Eq. (3) for the boundary conditions q=0 to q=qt at t=0 to t=t one obtains the following equation: ( t / q t ) = ( 1 / k 2 q e 2 ) + ( 1 / q e ) t
Figure DE202022100603U1_0005

Die Darstellung von t/qt gegen t sollte eine lineare Beziehung zeigen, wenn die Kinetik zweiter Ordnung anwendbar ist. Die Gleichgewichtsgeschwindigkeitskonstante k2 und die Gleichgewichtskapazität oder Adsorptionskapazität qe wurden aus der Steigung und dem Schnittpunkt der Linie bestimmt.The plot of t/qt versus t should show a linear relationship if second order kinetics are applicable. The equilibrium rate constant k 2 and the equilibrium capacity or adsorption capacity q e were determined from the slope and the intersection of the line.

Die Geschwindigkeitskonstante aller Elemente deutet auf eine schnelle Kinetik hin und ist von praktischer Bedeutung, da diese Art von System ein kleineres Reaktorvolumen erfordert, was die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Prozesses gewährleistet. Die unterschiedliche Adsorptionskapazität erklärt die heterogene Natur von DCP und die bevorzugte Bindung verschiedener funktioneller Gruppen bei unterschiedlichen pH-Werten in Abhängigkeit von der Speziation bestimmter Metallionen im wässrigen Medium.The rate constant of all elements indicates fast kinetics and is of practical importance as this type of system requires a smaller reactor volume, which ensures the efficiency and economy of the process. The different adsorption capacity explains the heterogeneous nature of DCP and the preferential binding of different functional groups at different pH values depending on the speciation of certain metal ions in the aqueous medium.

Die meisten in der Literatur verwendeten mathematischen Biosorptionsmodelle beschreiben einfache Langmuir- oder Freundlich-Sorptionsisothermen, bei denen die Metallionenbindung als Funktion der Gleichgewichtskonzentration dieses Metallions in der Lösung bestimmt wird, ohne Bezugnahme auf den pH-Wert oder andere Ionen im selben Lösungssystem. Die Freundlich-Isotherme ist ursprünglich empirischer Natur, wurde aber als Sorption an Stellen mit einer Affinitätsverteilung interpretiert, d. h. es wird angenommen, dass die stärkeren Bindungsstellen zuerst besetzt werden und dass die Bindungsstärke mit zunehmendem Grad der Stellenbesetzung abnimmt. Zwar ist es möglich, eine gute Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen dieser Isothermen und der experimentell ermittelten Metallbindung zu erzielen, doch haben diese einfachen Gleichungen erhebliche Einschränkungen: Sie können die Auswirkungen des pH-Werts oder anderer Ionen in der Lösung nicht vorhersagen. Tabelle 5 gibt die beste Anpassung des Modells an unser System wieder.Most mathematical models of biosorption used in the literature describe simple Langmuir or Freundlich sorption isotherms, in which metal ion binding is determined as a function of the equilibrium concentration of that metal ion in solution, without reference to pH or other ions in the same solution system. The Freundlich isotherm is originally empirical in nature but has been interpreted as sorption at sites with an affinity distribution, i.e. H. it is assumed that the stronger binding sites are occupied first and that the binding strength decreases as the degree of site occupancy increases. While it is possible to get good agreement between the predictions of these isotherms and experimental metal binding, these simple equations have significant limitations: they cannot predict the effects of pH or other ions in the solution. Table 5 reflects the best fit of the model to our system.

Der Wert von Kf steht für die Biosorptionskapazität, und wie die Daten nahelegen, stimmen alle fünf Werte von Kf mit unseren Beobachtungen überein. Der Wert von 1/n stellt ein gemeinsames Maß sowohl für die relative Größe als auch für die Vielfalt der mit einem bestimmten Sorptionsprozess verbundenen Energien dar.The value of K f represents the biosorption capacity and as the data suggest all five values of K f agree with our observations. The value of 1/n represents a common measure of both the relative magnitude and variety of energies associated with a particular sorption process.

Wenn 1/n = 1 ist, deutet dies auf eine lineare Adsorption mit gleicher Adsorptionsenergie und somit auf ein homogenes Adsorptionsmittel hin. Wenn 1/n> 1 ist, deutet dies auf eine starke Anziehungskraft zwischen dem Absorbat und dem Adsorptionsmittel auch bei hoher Metallionenkonzentration hin, und 1/n< 1 erklärt eine günstige Adsorption bei niedriger Metallionenkonzentration. Die Werte unserer Ergebnisse bestätigen, dass DCP ein heterogenes Biosorptionsmittel ist, und 1/n ist im Falle von Cr(III), Cd(II) und Hg(II) kleiner als 1, was auf eine geringere Effizienz bei hoher Metallionenkonzentration hinweist, und der gleiche Trend wird durch die Parameter bestätigt, die sich mit der Wirkung hoher Metallionenkonzentrationen befassen. Wenn n<1 oder n>1 ist, bedeutet dies eine chemische bzw. physikalische Adsorption. Aus der obigen Tabelle geht hervor, dass die Biosorption von Cr(III), Cd(II) und Hg(II) ein physikalisches Sorptionsverhalten zeigt und Cr(VI) und Sr(II) auf DCP eine Chemisorption darstellen.If 1/n = 1, this indicates a linear adsorption with equal adsorption energy and thus a homogeneous adsorbent. When 1/n>1, this indicates a strong attraction between the absorbate and the adsorbent even at high metal ion concentration, and 1/n<1 explains favorable adsorption at low metal ion concentration. The data from our results confirm that DCP is a heterogeneous biosorbent and 1/n is less than 1 in the case of Cr(III), Cd(II) and Hg(II), indicating lower efficiency at high metal ion concentration, and the same trend is confirmed by the parameters dealing with the effect of high metal ion concentrations. If n<1 or n>1, this means chemical or physical adsorption. From the above Table shows that the biosorption of Cr(III), Cd(II) and Hg(II) shows physical sorption behavior and Cr(VI) and Sr(II) show chemisorption on DCP.

Industrielle Abwässer oder andere verschmutzte Gewässer enthalten verschiedene organische und anorganische Salze in unterschiedlichen Anteilen. Die Untersuchung der biosorptiven Interferenz verschiedener Liganden wurde durch den Einsatz verschiedener organischer und anorganischer Salze oder Liganden mit unterschiedlichen Anteilen von 10 mg, 25 mg, 50 mg und 100 mg demonstriert. Es wurde festgestellt, dass sich einige Salze bei einer Konzentration von bis zu 100 mg als nicht störend erwiesen, während einige den Adsorptionsprozess sogar bei einer Konzentration von 10 mg stark unterdrückten. Das offensichtliche biosorptive Verhalten von DCP wurde durch das Konzept der harten und weichen sauren Basen (Hard & Soft Acid Base, HSAB-Theorie) von Pearson erklärt, das die entscheidende Rolle der HSAB-Eigenschaften sowohl der Schadstoffe als auch des wässrigen Milieus verdeutlicht, die den Erfolg des Prozesses mitbestimmen. Die verschiedenen ionischen Metallspezies zeigen eine Präferenz für die Ligandenbindung an die Biomasse auf der Grundlage ihrer chemischen Koordinationseigenschaften. In der gängigen Praxis der Bioremediation werden die störenden Liganden mit geeigneten Reagenzien chemisch behandelt oder maskiert, um die Abnahme der Biosorption zu unterdrücken. Dieses Dilemma wird durch DCP gelöst: Die Liganden, die den Biosorptionsprozess von Schwermetallionen in dieser Studie maskierten, wurden durch eine bloße Erhöhung der DCP-Dosis behandelt, wodurch das Problem erfolgreich gelöst wurde, ohne die Effizienz des Prozesses zu beeinträchtigen. Dies wird durch drei sehr grundlegende Wechselwirkungen in einem Mehrkomponentensystem veranschaulicht, und Tabelle 6 zeigt die detaillierten Informationen dazu, nämlich

  1. 1. Synergismus: Gegenseitige Verstärkung
  2. 2. Antagonismus: Gegenseitige Verschlechterung
  3. 3. Nicht-Interaktion: Neutrale Wirkung.
Industrial wastewater or other polluted waters contain various organic and inorganic salts in different proportions. The investigation of the biosorptive interference of different ligands was demonstrated by using different organic and inorganic salts or ligands with different proportions of 10 mg, 25 mg, 50 mg and 100 mg. It was found that some salts did not interfere at a concentration of up to 100 mg, while some strongly suppressed the adsorption process even at a concentration of 10 mg. The apparent biosorptive behavior of DCP was explained by Pearson's Hard & Soft Acid Base (HSAB) theory concept, which elucidates the critical role of the HSAB properties of both the pollutants and the aqueous environment that determine the success of the process. The different ionic metal species show a preference for ligand binding to the biomass based on their chemical coordination properties. In the current practice of bioremediation, the interfering ligands are chemically treated or masked with appropriate reagents to suppress the decrease in biosorption. This dilemma is solved by DCP: The ligands that masked the biosorption process of heavy metal ions in this study were treated by a mere increase of the DCP dose, successfully solving the problem without affecting the efficiency of the process. This is illustrated by three very basic interactions in a multicomponent system and Table 6 shows the detailed information about them, viz
  1. 1. Synergism: Mutual reinforcement
  2. 2. Antagonism: Mutual deterioration
  3. 3. Non-Interaction: Neutral effect.

In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Desorptionsstudien von überragender Bedeutung, weil sie helfen, den Weg und das Schicksal der adsorbierten Ionen nach der Entsorgung des Biosorptionsmittels in die Umwelt zu verstehen. Außerdem hilft es, die Sorptionsmechanismen zu verstehen, die in den Biosorptionsprozess involviert sind, sowie die Regeneration des Adsorptionsmittels zu formulieren, wenn dies wirtschaftlich machbar und umweltverträglich ist. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Rückextraktion von biosorbierten Metallionen aus DCP in Gegenwart von Strippern, d. h. verschiedenen anorganischen Säuren wie 0.1 M HCl, H2SO4 und HNO3, in jedem Fall nur 8-12 % desorbieren konnte. Die Verwendung eines wässrigen Mediums als Desorptionsmittel lässt vermuten, dass der Mechanismus, der bei der Biosorption ausgewählter Metallionen auf DCP zum Tragen kommt, nicht die physikalische Adsorption ist, sondern dass verschiedene chemisorptive Mechanismen wie Chelatbildung, Oberflächenausfällung und Chemisorption bei den Prozessen eine Rolle spielen.In an exemplary embodiment, the desorption studies are of paramount importance because they help to understand the pathway and fate of the adsorbed ions after disposal of the biosorbent into the environment. Furthermore, it helps to understand the sorption mechanisms involved in the biosorption process and to formulate the regeneration of the adsorbent when it is economically feasible and environmentally benign. Our results showed that the back extraction of biosorbed metal ions from DCP in the presence of strippers, ie various inorganic acids such as 0.1 M HCl, H 2 SO 4 and HNO 3 , could only desorb 8-12 % in each case. The use of an aqueous medium as the desorbent suggests that the mechanism involved in the biosorption of selected metal ions onto DCP is not physical adsorption, but that various chemisorbent mechanisms such as chelation, surface precipitation, and chemisorption play a role in the processes.

Die spektroskopische Studie der EDAX-Analyse von Metallionen vor und nach der Biosorption an DCP belegt, dass die Chemisorption einer der vorherrschenden Mechanismen ist, da sowohl harte als auch weiche Liganden wie Carbonat, Phosphat, Sulfat, Hydroxyl, Carboxylat und Aminosäure usw. vorhanden sind. Ein Vergleich der Spektraldaten nach und vor der Sorption zeigt, dass die entsprechenden Metallionen in der DCP-Matrix zusammen mit allen anderen natürlich vorhandenen Elementen vorhanden sind, was darauf hindeutet, dass der Ionenaustausch nicht der Hauptmechanismus für die Biosorption durch DCP ist. Auch die Desorptions- und Kinetikstudien bestätigen den Chemisorptionsmechanismus, da die chemische Wechselwirkung der Metallionen mit dem Biosorptionsmittel die Rückextraktion oder das Strippen aus verbrauchtem DCP verhindert. Die beste Anpassung des Pseudo-Kinetikmodells zweiter Ordnung von Ho & McKay unterstützt ebenfalls den Chemisorptionsmechanismus.The spectroscopic study of EDAX analysis of metal ions before and after biosorption on DCP proves that chemisorption is one of the predominant mechanisms because of the presence of both hard and soft ligands such as carbonate, phosphate, sulfate, hydroxyl, carboxylate and amino acid etc . A comparison of the spectral data after and before sorption shows that the corresponding metal ions are present in the DCP matrix along with all other naturally present elements, suggesting that ion exchange is not the main mechanism for biosorption by DCP. Also, the desorption and kinetic studies confirm the chemisorption mechanism as the chemical interaction of the metal ions with the biosorbent prevents back-extraction or stripping from spent DCP. The best fit of the Ho & McKay pseudo second-order kinetic model also supports the chemisorption mechanism.

3 zeigt Tabelle 1, die den biosorptiven Test von Elementen auf verschiedene Humiresine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 3 Table 1 shows the biosorptive testing of elements for various Humiresins according to an embodiment of the present disclosure.

4 zeigt Tabelle 2, in der die optimierten Prozessparameter für die Biosorption von DCP in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind. 4 Table 2 shows the optimized process parameters for the biosorption of DCP in accordance with an embodiment of the present disclosure.

5 zeigt Tabelle 3, in der die thermodynamische Modellierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist. 5 Figure 3 shows Table 3 depicting thermodynamic modeling in accordance with an embodiment of the present disclosure.

6 zeigt die Tabelle 4, die die kinetische Modellierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 6 FIG. 4 shows Table 4 depicting kinetic modeling according to an embodiment of the present disclosure.

7 zeigt die Tabelle 5, die die isotherme Modellierung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. 7 Figure 5 shows Table 5 depicting isothermal modeling according to an embodiment of the present disclosure.

8 zeigt Tabelle 6, in der nicht störende und störende Liganden mit optimierten Biosorptionsprozessparametern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind. 8th Figure 6 shows Table 6 presenting noninterfering and interfering ligands with optimized biosorption process parameters according to an embodiment of the present disclosure.

Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Handlungen eines Flussdiagramms nicht in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Handlungen durchgeführt werden. Auch können diejenigen Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.The figures and the preceding description give examples of embodiments. Those skilled in the art will understand that one or more of the elements described may well be combined into a single functional element. Alternatively, certain elements can be broken down into multiple functional elements. Elements from one embodiment may be added to another embodiment. For example, the order of the processes described herein may be changed and is not limited to the manner described herein. Additionally, the acts of a flowchart need not be performed in the order presented; also, not all actions have to be performed. Also, those actions that are not dependent on other actions can be performed in parallel with the other actions. The scope of the embodiments is in no way limited by these specific examples. Numerous variations are possible, regardless of whether they are explicitly mentioned in the description or not, e.g. B. Differences in structure, dimensions and use of materials. The scope of the embodiments is at least as broad as indicated in the following claims.

Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.Advantages, other benefits, and solutions to problems have been described above with respect to particular embodiments. However, the benefits, advantages, problem solutions, and components that can cause an advantage, benefit, or solution to occur or become more pronounced are not to be construed as a critical, required, or essential feature or component of any or all claims.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Ein System für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen WasserverunreinigungenA synthetic and natural Humiresin system for the remediation of metallic water contamination
102102
Ein erster BehälterA first container
104104
Ein Zweiter BehälterA second container
106106
Ein Radioaktiver TracerA radioactive tracer
108108
Eine ExtraktionseinheitAn extraction unit
110110
Ein OfenAn oven
112112
Ein mechanischer RührerA mechanical stirrer
114114
Ein GammastrahlenspektrometerA gamma ray spectrometer

Claims (7)

Ein System für synthetisches und natürliches Humiresin zur Sanierung von metallischen Wasserverunreinigungen, wobei das System umfasst: einen ersten Behälter zur Herstellung von Stammlösungen von 1 mg/ml Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) unter Verwendung von Cr2O3, CrO3, Cd(NO3)2, HgCl2 und SrCl2, während die übrigen Lösungen unter Verwendung von destilliertem Wasser in einem zweiten Behälter hergestellt und durch Standardanalyseverfahren standardisiert werden; ein radioaktiver Tracer zur Untersuchung der Rückgewinnung und des Verlusts einer Mikrokomponente, bei dem ein radioaktiv markiertes Element oder eine Verbindung, die chemisch mit der Mikrokomponente identisch ist, der Probe vor der Anreicherung zugesetzt wird und dessen Verhalten durch eine empfindliche, schnelle und selektive Radioaktivitätsmessung verfolgt wird; eine Extraktionsanlage zur Extraktion von Huminsäure (HA) aus trockenem Kuhmistpulver (DCP) (100 mesh), und es werden angemessene Vorsichtsmaßnahmen getroffen, um jegliche Kontamination zu vermeiden; einem Ofen zum Trocknen von DCP nach Entfernung von HA und gründlichem Waschen mit destilliertem Wasser gemäß dem Standardprotokoll, wobei sich für die vergleichende Biosorption die Maschenweite 100 als optimal erwiesen hat und daher ausgewählt wurde; einen mechanischen Rührer zum Mischen von Humiresin mit 10 ml einer Lösung, die Radiotracer und 1 mg/ml Trägerlösung enthält, wobei der pH-Wert eingestellt und das resultierende Aliquot 10 Minuten lang mit dem mechanischen Rührer äquilibriert und dann zentrifugiert wird; und ein Einkanal-Gammastrahlenspektrometer vom Typ NaI(TI)-Well, das für die Messung der Aktivität im Überstand für Gammastrahler konfiguriert ist, und einen Geiger-Muller-Zähler vom Endfenster-Typ in Verbindung mit einem Dekaden-Skalar, einem Zeitgeber und einer Hochspannungseinheit für den Betastrahler.A synthetic and natural humiresin system for the remediation of metallic water contaminants, the system comprising: a first tank for preparing stock solutions of 1 mg/mL Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) using Cr 2 O 3 , CrO 3 , Cd(NO 3 ) 2 , HgCl 2 and SrCl 2 , while the remaining solutions are prepared using distilled water in a second container and standardized by standard analysis methods; a radioactive tracer to study the recovery and loss of a microcomponent, in which a radioactively labeled element or compound chemically identical to the microcomponent is added to the sample prior to enrichment and its behavior is followed by a sensitive, rapid and selective radioactivity measurement will; an extraction plant for the extraction of humic acid (HA) from dry cow manure powder (DCP) (100 mesh) and adequate precautions are taken to avoid any contamination; an oven for drying DCP after removal of HA and thorough washing with distilled water according to the standard protocol, for which the 100 mesh size was found to be optimal for the comparative biosorption and was therefore selected; a mechanical stirrer to mix Humiresin with 10 mL of a solution containing radiotracer and 1 mg/mL carrier solution, pH adjusted and the resulting aliquot for 10 minutes equilibrated with the mechanical stirrer and then centrifuged; and a single channel NaI(TI)-well type gamma ray spectrometer configured to measure activity in the supernatant for gamma emitters and an end window type Geiger-Muller counter in conjunction with a decade scalar, a timer and a High voltage unit for the beta emitter. Das System nach Anspruch 1, wobei die Tracer-Technik einige einzigartige Vorteile bietet, wie z. B. hohe Empfindlichkeit, zerstörungsfreies Muster, Freiheit von Reagenzienleerstellen und dergleichen.The system after claim 1 , where the tracer technique offers some unique advantages such as: B. high sensitivity, non-destructive pattern, freedom from reagent voids and the like. System nach Anspruch 1 und 2, wobei Radiotracer für die einfache Überwachung des Prozesses verwendet werden, bei dem auf die Aliquotierung der Probe unmittelbar die Zählung des Radionuklids folgt, wobei Radiotracer den einzigartigen Vorteil haben, dass sie frei von Reagenzienleerstellen sind und ein zerstörungsfreies Analysemuster aufweisen.system after claim 1 and 2 , where radiotracers are used for easy monitoring of the process where sample aliquoting is immediately followed by radionuclide counting, radiotracers have the unique advantage of being free of reagent voids and providing a non-destructive analysis pattern. System nach Anspruch 1, wobei der vergleichende biosorptive Batch-Equilibrierungstest unter Verwendung der Radiotracer-Technik für die Aufnahme von Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) und Sr(II) unter Verwendung ihrer entsprechenden Radiotracer Cr-51, Cd-115m, Hg-203 und Sr-90 durchgeführt wird.system after claim 1 , the comparative biosorptive batch equilibration test using the radiotracer technique for the uptake of Cr(III), Cr(VI), Cd(II), Hg(II) and Sr(II) using their corresponding radiotracers Cr-51 , Cd-115m, Hg-203 and Sr-90. System nach Anspruch 1, wobei alle fünf Humiresine vor der Verwendung ordnungsgemäß getrocknet werden, um eine Oxidation durch Säure aufgrund des Vorhandenseins eines Gemischs von Alkoholen, falls vorhanden, zu verhindern, wobei die Abwesenheit von Alkohol in DCP durch eine FTIR-Analyse von DCP bestätigt wird, die keine charakteristische Bande von Alkohol aufweist.system after claim 1 , with all five Humiresins properly dried prior to use to prevent oxidation by acid due to the presence of a mixture of alcohols, if any, the absence of alcohol in DCP being confirmed by FTIR analysis of DCP, which does not characteristic band of alcohol. System nach Anspruch 1, wobei die Wirkung verschiedener experimenteller Parameter wie pH-Wert (von 1-10), Metallionenkonzentration (0.5-20 mg/ml), Kontaktzeit (0-30 min), Rührgeschwindigkeit (0-5000 rpm), Adsorptionsmittelmenge (50-1000 mg), Temperatur (273-373 K), Adsorptionskapazität und Interferenz verschiedener Salze untersucht wird, um die Parameter für die Entwicklung eines effizienten Adsorptionsprozesses zu optimieren.system after claim 1 , where the effect of various experimental parameters such as pH (from 1-10), metal ion concentration (0.5-20 mg/ml), contact time (0-30 min), stirring speed (0-5000 rpm), amount of adsorbent (50-1000 mg ), temperature (273-373 K), adsorption capacity and interference of different salts is investigated in order to optimize the parameters for the development of an efficient adsorption process. System nach Anspruch 1, wobei die im Überstand vorhandene Aktivität nach Abtrennung des Überstands und Waschen des Adsorptionsmittels mit 5 ml destilliertem Wasser gemessen wird.system after claim 1 , wherein the activity present in the supernatant is measured after separating the supernatant and washing the adsorbent with 5 ml of distilled water.
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