ATIKSULARDA BULUNAN KURŞUN (II) İYONLARININ P.putida İLE BİYOSORPSİYONU

Transkript

1 ATIKSULARDA BULUNAN KURŞUN (II) İYONLARININ P.putida İLE BİYOSORPSİYONU Mehtap TANYOL a, Gülşad USLU a,* a Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Elazığ, * Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Elazığ, 23100, e-posta:guslu@firat.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, kurşun (II) iyonlarının inaktive edilmiş P.putida ya adsorpsiyonuna ortam koşullarının etkisi kesikli karıştırmalı bir kapta incelendi. Başlangıç ph sı ve sıcaklığın adsorpsiyon hızına etkileri araştırılarak, en uygun ortam koşulları ph 5,5 ve sıcaklık 25 o C olarak belirlendi. Farklı başlangıç ph ve sıcaklık değerlerinde Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon izotermleri geliştirildi ve deneysel verilerin bu izoterm modellerine uyduğu tespit edilerek, adsorpsiyon izotermlerinden Langmuir ve Freundlich sabitleri bulundu. Deneysel sonuçlara göre adsorpsiyon prosesinin termodinamik sabitleri olan entalpi değişimi (ΔH o ), serbest enerji değişimi (ΔG o ) ve entropi değişimi (ΔS o ) hesaplandı. Sonuçlar P.putida ile yapılan kurşun (II) adsorpsiyonunun ekzotermik olduğunu gösterdi. Anahtar kelimeler: Adsorpsiyon, kurşun (II) iyonu, izoterm, P.putida, termodinamik. GİRİŞ Ağır metaller ile çevrenin kirlenmesi endüstriyel gelişme ile birlikte dünyayı saran bir sorun haline gelmiştir [1]. Bir ağır metal olan kurşun doğada çok az miktarda fakat yaygın olarak bulunan bir metaldir [2]. Demirden sonra atmosferi en çok kirleten metal kurşundur [3]. Kurşun madenleri ve metal endüstrileri, akü ve pil fabrikaları, petrol rafinerileri, boya endüstrisi ve patlayıcı sanayi atıksularında da istenmeyen derişimlerde kurşun kirliliğine rastlanır. Pil fabrikası atıksularında 5-66 mg/l, asidik maden drenajlarında 0,02-2,5 mg/l, tetra etil kurşun üreten fabrika atıksularında mg/l organik, mg/l inorganik kurşun kirliliği bulunur. Kurşun hava, su, toprak yoluyla, solunumla ve besinlere karışarak biyolojik sistemleri etkiler ve özellikle de havaya karışan kurşunun kandaki düzeyi arttırdığı bilinmektedir [2]. İçme suyunda kurşun varlığı değişik ciddi sağlık problemlerine aşırı maruz olma durumlarında ise ölüme sebep olmaktadır [4]. Endüstriyel atıksulardan ağır metallerin geri kazanımı ve giderimi için biyolojik materyallerin kullanımı pahalı ve verimsiz olabilen alışılagelmiş teknolojilere potansiyel bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır [5]. Suda yaşayan alg, bakteri ve maya türü pek çok mikroorganizma ağır metal iyonlarını çevrelerinden bünyelerine alabilirler ve bu işlem canlı ya da ölü hücrelerle gerçekleştirilebilir. Ölü mikroorganizmalar kullanıldığında işlem biyosorpsiyon olarak adlandırılır ve ağır metal iyonları mikroorganizma yüzeyine bağlanır. [6,7,8]. Mikroorganizmalar ile gerçekleştirilen metal biriktirme prosesi komplekstir ve metal iyonlarının kimyası, mikroorganizmanın özgül yüzey özellikleri, hücre fizyolojisi ve ph, sıcaklık, metal konsantrasyonu gibi çevrenin fiziko-kimyasal etkisine bağlıdır [9]. Bu çalışmada kurşun (II) iyonlarının gram-negatif bir bakteri olan ve inaktif hale getirilmiş P.putida ile adsorpsiyonu kesikli çalışan bir tepkimeli kapta araştırılmıştır. Kurşun (II) iyonlarının adsorpsiyon hızı üzerine ph ve sıcaklığin etkisi belirlenmiştir. Farklı başlangıç ph ve sıcaklık değerlerinde Langmuir ve Freundlich izotermleri elde edilmiştir ve prosesin termodinamik sabitleri bulunmuştur. DENEYSEL Bu çalışmada American Type Culture Collection (A.T.C.C) dan sağlanan NRRL B-255 kodlu P.putida bakterisi kullanılmıştır. P.putida 2 g/l maya özütü, 2 g/l bakteriyolojik pepton, 2 g/l K 2 HPO 4, 1 g/l KH 2 PO 4, 0,05 g/l (NH 4 ) 2 SO 4, 5 g/l glikoz içeren sıvı besiyerinde steril

2 koşullarda 30 o C sıcaklık ve 100 rpm karıştırma hızında çalıştırılan çalkalayıcıda saat süre ile üremesi sağlanmıştır. P.putida kesikli karıştırmalı tepkime kaplarında üretildikten sonra sıvı besin ortamından 6000 rpm hızında 3-4 dakika santrifüjlenerek ayrılmıştır. Oluşan mikroorganizma topakları etüvde 60 o C de 24 saat süre ile kurutularak P.putida inaktif hale getirilmiştir. Kuru mikroorganizma bir miktar saf su içerisinde 1 gece bekletildikten sonra blenderda parçalanarak 10 g/l lik stok çözeltisi hazırlanmıştır. Kesikli düzendeki adsorpsiyon çalışmaları 100 ml çalışma hacmindeki 250 ml lik erlenlerin kullanıldığı sabit sıcaklık ve karıştırma hızında çalışabilen orbital inkübatörde gerçekleştirilmiştir. Kesikli düzendeki adsorpsiyon çalışmalarında adsorpsiyon çözeltisindeki kuru mikroorganizma derişimi 1 g/l olacak şekilde ayarlanmıştır. Kurşun (II) iyonlarının P. putida ya adsorpsiyonunda 10 g/l kuru P. putida derişimli stok çözeltiden 10 ml, belli derişimdeki metal çözeltisinden 90 ml alınarak çalışma hacmi 100 ml ye tamamlanmıştır. Adsorpsiyon çalışmalarına başlamadan önce metal çözeltilerinin ph sı ayarlanarak, başlangıç metal iyon derişimi tayin edilmiştir. Daha sonra mikroorganizma çözeltisi metal içeren çözeltiye ilave edilerek, karıştırma anı t=0 olarak alınmıştır. P. putida ile yapılan adsorpsiyon çalışmalarında kurşun (II) çözeltilerinden mikroorganizma, rpm de 3 dakika santrifüjlenerek ayrılmıştır. Adsorpsiyon sırasında önceden belirlenen zaman aralıklarında (0, 0,5, 2, 5, 10,, 120 dakika) örnekler alınarak santrifüjlendikten sonra sıvı kısımlarına birkaç damla asit ilave edilerek analiz için buzdolabında saklanmıştır. Adsorplanmadan kalan, kurşun (II) iyon derişimleri Atomik Absorpsiyon Spektrofotometresinde (UNICAM 929 marka) absorbans okunarak tayin edilmiştir. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kurşun (II) iyonlarının P.putida ya adsorpsiyonunda başlangıç ph sı önemli bir parametredir. ph değerlerinin artmasıyla birlikte adsorpsiyon hızları artmıştır. Çok düşük ph larda hücre yüzey yükünün pozitif olmasından dolayı başlangıç adsorpsiyon hızları düşmektedir. Mikroorganizma ile kurşun (II) iyonlarının etkileşimi en iyi ph 5,5 değerinde elde edilmiştir (Şekil 1). Nourbakhsh ve diğ. [10], Bacillus sp. kullanarak kurşun (II) iyonlarının adsorpsiyonunu kesikli karıştırmalı sistemde araştırmışlar ve en iyi kurşun (II) iyonu giderimini ph 5,0 da elde etmişlerdir. rad (mg Pb(II)/g mo-dak) ,5 4 4,5 5 5,5 6 ph Şekil 1. Kurşun (II) İyonlarının P.putida ya Adsorpsiyonunda Başlangıç ph sının İlk Adsorpsiyon Hızına Etkisi (Co=130 mg/l, Xo=1 g/l; T=25 o C; KH=150 rpm)

3 Kurşun (II) iyonlarının P. putida ya adsorpsiyonunun en fazla 25 C de gerçekleştiği, daha düşük ve daha yüksek sıcaklıklarda ise ilk adsorpsiyon hızlarının azaldığı belirlenmiştir (Şekil 2). Düşük sıcaklık değerlerinden başlayarak sıcaklığın artması ile biyosorbent yüzeyindeki gözeneklerin genişlemesi sonucu adsorpsiyon hızları artmakta, yüksek sıcaklıklarda ise adsorpsiyonun ekzotermikliğinden dolayı başlangıç adsorpsiyon hızları düşmektedir. Ağır metal iyonlarının mikroorganizmalara zayıf bağlarla bağlanması pasif adsorpsiyonun sonucudur. Yüksek sıcaklıklarda bu bağlar kopar ve adsorpsiyonun tersinir özelliğinden dolayı desorpsiyon hızının önemi artarak, hızı azaltıcı etki gösterir. 80 rad (mg Pb (II)/g mo-dak) Sıcaklık ( o C) Şekil 2. Kurşun (II) İyonlarının P. putida ya Adsorpsiyonunda Sıcaklığın İlk Adsorpsiyon Hızına Etkisi (Co=130 mg/l, Xo=1 g/l; T=25 o C; KH=150 rpm) Farklı başlangıç ph ve sıcaklık değerlerinde elde edilen Freundlich ve Langmuir izotermleri ve bu izotermlerden elde edilen adsorpsiyon sabitleri, P.putida ile kurşun (II) iyonlarının adsorpsiyonunun Freundlich ve Langmuir izotermi ile uyum içerisinde olduğunu göstermiştir (Tablo 1). Tablo 1. Kurşun (II) İyonlarının P. putida ya Adsorpsiyonunda Farklı Sıcaklık Değerlerinde Langmuir ve Freundlich Modeline Göre Elde Edilen Adsorpsiyon Sabitleri. Sıcaklık C Langmuir Modeli Freundlich Modeli Q o b r 2 K f n r Farklı sıcaklıklarda yapılan kurşun (II) iyonlarının adsorpsiyonunda prosesin entalpi değişimi (ΔH o ), serbest enerji değişimi (ΔG o ) ve entropi değişimi (ΔS o ) hesaplanmıştır (Tablo 2). Kurşun (II) adsorpsiyonu için elde edilen denklem ve bu denklemlerden elde edilen termodinamik parametrelere göre entalpi değişimi negatif işaretlidir. Bu durum adsorpsiyon çalışmalarının yapıldığı sıcaklıklarda (20, 25, 30 ve 35 o C) prosesin ekzotermik olduğunu göstermektedir. Sarı ve diğ. [11], Cladonia furcata kullanarak yapmış oldukları kurşun (II) iyonu adsorpsiyon çalışmalarında da adsorpsiyon prosesinin ekzotermik olduğunu bulmuşlardır. Çalışılan tüm sıcaklıklarda serbest enerji değişimi negatif bulunmuştur. Bu prosesin söz konusu sıcaklıklarda kendiliğinden gerçekleşeceğini göstermektedir. Çalışılan şartlarda entropi değişiminin işareti

4 pozitiftir. Entropi değişiminin pozitif olması adsorpsiyon prosesi boyunca adsorbentle adsorplayıcının karşılıklı etkileşiminden dolayı adsorbentin yüzeyinde meydana gelebilecek değişikliklerden meydana gelmektedir. Tablo 2. Farklı Sıcaklıklarda Kurşun (II) İyonlarının P. putida ya Adsorpsiyonunda Elde Edilen Termodinamik Sabitler. Sıcaklık ( o C) -ΔG (kj/mol) -ΔH (kj/mol) ΔS (J/molK) r ,82 7, ,20 8,4 18, ,08 7, ,02 7, ÖNERİLER Elde edilen bu verilere göre; proseste kullanılan P.putida nın herhangi bir ön işleme tutulmadan; nispeten yüksek adsorpsiyon kapasitesi göstermesi, adsorpsiyonun çok yüksek olmayan sıcaklıklarda ve nispeten düşük ph larda gerçekleşmesi maliyet açısından bir avantaj olarak görülebilir. Mikroorganizmaların bulundukları ortamdan ağır metal iyonlarını şecici olarak biriktirme özelliklerinden yararlanarak, atıksu arıtımında kullanılması, özellikle düşük derişimlerde klasik yöntemlere göre daha pratik ve ekonomik bir prosestir. Prosesin kısa süreli olması da bir avantajdır. SEMBOLLER C o : Başlangıç metal iyonu derişimi, (mg/l) X o : Mikroorganizma derişimi (g/l) KH : Karıştırma hızı (rpm = devir/dakika) Q o :Yüzeyde tam bir tabaka oluşturmak için adsorbentin birim ağırlığında adsorplanan madde miktarı (mg/g) b : Enerji ile ilgili adsorbanın adsorbente ilgisini ve aralarındaki bağın kuvvetliliğini gösteren sabit (L/mg) rad : Başlangıç adsorpsiyon hızı (mg Metal/g mo.dak) K f : Adsorpsiyon kapasitesi n : Adsorpsiyon şiddeti t : Zaman (dakika) ΔH o : Entalpi değişimi (kj/mol) ΔG o : Serbest enerji değişimi (kj/mol) ΔS o : Entropi değişimi (J/mol K) KAYNAKLAR 1. Dönmez, G. and Aksu, Z., The effect of copper (II) ions on the growth and bioaccumulation properties of some yeast, Prosess Biochemistry, 35, , Aksu, Z., Sağ, Y., Nourbakhsh, M., Kutsal, T., Atıksulardaki bakır (II) krom (VI) ve kurşun (II) iyonlarının çeşitli mikroorganizmalarla adsorplanarak giderilmesinin karşılaştırmalı olarak incelenmesi, Tr. Journal of Engineering and Environmental Sciences, 19, , Gündüz, T., Çevre Sorunları, Gazi Kitapevi Yayınları, Ankara, 1998.

5 4. Niu, H., Xu, X.S., Wang, J.H., Removal of lead from agueous solutions by Penicillium biomass, Biotechnology and Bioengineering, 42, , Valdman, E., Erijman, L., Pessoa, F. L. P., Leite, S. G. F., Continuous biosorption of Cu and Zn by immobilzed waste biomass Sargassum sp., Process Biochemistry, 36, , Volesky, B., Philips, H. A., Biosorption of Heavy Metals by Saccharomyces cerevisiae, Appl. Microbiol Biotechnol; 42, , Wilson, M.W. and Edyvean, R.R., Biosorption for the Removal of Heavy Metals from Industrial Wastewaters, Icheme Environmental Biotechnology, 10,89-91, White and Gadd,. Biosorption of Radionuclides by Fungal Biomass, J. Chem. Technol. Biotechnol. 49: , Goyal, N., Jain, U.C., Banerjee., Comparative studies on the microbial adsorption of heavy metals, Advences in Environmental Research, 7, , Nourbakhsh, M.N., Kiliçarslan, S., Ilhan, S. and Ozdag, H., Biosorption of Cr 6+, Pb 2+ and Cu 2+ ions in industrial waste water on Bacillus sp., Chemical Engineering Journal, 85, , Sarı, A., Tuzen, M., Uluözlü, Ö., D. and Soylak M., Biosorption of Pb(II) and Ni(II) from aqueous solution by lichen (Cladonia furcata) biomass, Biochemical Engineering Journal, 37, , 2007.