Heavy metal removal from dilute solutions using cysteine-rich protein-coated air bubbles

Nazari, Amir Mohammad; Nazari, Amir Mohammad

Thesis

Heavy metal removal from dilute solutions using cysteine-rich protein-coated air bubbles

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Creator

Nazari, Amir Mohammad

Contributors

Kristian Waters (Supervisor)

Abstract

French

Ce projet de recherche jette un regard sur les possibilités de biosorption en laboratoire de systèmes unitaire (ions de cuivre) et tertiaires (ions de cuivre-nickel-cobalt et cuivre-nickel-calcium) en utilisant un nouveau type d'émulsions d'air (EA). Les EA sont des suspensions colloïdes stables générées par une action ultrasonique. Elles sont composées de bulles microscopiques (<10 μm) entourées d'une mince couche de protéines riches en cystéine. Les petites bulles sont dispersées dans la solution aqueuse introduisant ainsi une grande surface active entre les protéines et les ions métalliques. La technique utilisant les EA comme agent d'extraction est une combinaison de l'extraction par solvant assistée d'air (ESAA) et de la biosorption.Pour les systèmes unitaire et tertiaires, il a été observé que la variation des conditions expérimentales tels que le pH de la solution, la température, la concentration de biosorbant et de cuivre ont des impacts significatifs sur la capture des ions métalliques. Pour le système contenant seulement des ions de cuivre, l'augmentation du pH de la solution jusqu'à 5 a amélioré la capture du cuivre dans le cas de l'émulsion de protéine de blanc d'œuf (EPBO) (15%) et dans le cas de l'émulsion de sérum-albumine bovin (ESAB) (53%). À un pH moindre, la récupération a été plus faible et aucune récupération n'a été obtenue à un pH de 2 à cause de la forte concentration d'ions d'hydrogène. Dans le cas du système tertiaire contenant des ions de cuivre, nickel et cobalt, l'augmentation du pH a amélioré la récupération des métaux et les bulles couvertes de sérum-albumine bovin ont montrées plus d'affinité avec les ions de cuivre que ceux de nickel et de cobalt. L'augmentation de la température jusqu'à 65 ºC a favorisé la récupération du cuivre jusqu'à environ 98%; par contre, la récupération du nickel et du cobalt n'a pas été affectée significativement. L'ESAB a aussi montré des mécanismes d'adsorption différents pour le cuivre, le nickel et le cobalt à différentes biomasses et concentrations ioniques des métaux. L'augmentation du dosage d'ESAB à plus de 10 g/L a causé un baisse d'adsorption du cuivre, du nickel et du cobalt avec environ 2% de récupération de cuivre obtenue à une concentration de 17.5 g/L d'ESAB. La présence d'agglomérations de bulle d'air lorsque la concentration d'ESAB est plus élevée cause cet effet car ces agglomérations diminuent le potentiel d'interaction entre les sites actifs et les ions métalliques.Les données obtenues par spectroscopie de photoélectrons X (SPX) et spectroscopie infrarouge avec transformation de Fourrier (SITF) ont clairement montrées que les groupes thiol, amino et carboxyle des minces couches de sérum-albumine bovin (SAB) et de protéines de blanc d'œufs (PBO) recouvrant les bulles sont responsable de l'adsorption des métaux.La séparation des microcellules chargées de cuivre de la solution aqueuse a aussi été testée. La flottation, une technique généralement utilisée pour récupérer les minéraux hydrophobiques à été utilisée pour retirer les microbulles par l'attachement de celles-ci à la surface de plus grosses bulles d'air. En absence d'un agent de surface cationique, environ 0.5% du cuivre a été récupéré à un pH entre 5 et 8 considérant l'absence de groupes hydrophobes à la surface du SAB chargé de cuivre. Un floculant cationique a été utilisé pour former des flocs de bulles chargées de cuivres et donc augmenter la flottabilité de celles-ci. Une combinaison de collecteur et de floculant avec des concentrations respectives de 3×10-4 M et 0.025 g/L a permis d'augmenter la récupération du cuivre à presque 35% à un pH de 7.Finalement, la présence d'ions de calcium a sensiblement inhibé l'adsorption d'ions de cuivre. Celle-ci a été réduite de 70 % comme les ions de calcium entrent en compétition avec les ions métalliques pour occuper les sites de liaison actifs.

English

This study probed biosorption behavior of a unitary (copper ions) and ternary systems (copper-nickel-cobalt and copper-nickel-calcium ions) at the laboratory scale using a novel material known as air-filled emulsion (AFE). AFE, a stable colloidal suspension, is composed of microscopic bubbles (<10 μm) enclosed by a thin film of cysteine-rich protein generated by ultrasonic action. Fine bubbles are dispersed through the aqueous solution introducing, a high surface area between protein and metal ions. The method using AFE as an extractant is combination of air-assisted solvent extraction (AASX) and biosorption techniques. It was observed that manipulation of experimental conditions such as solution pH, temperature, biosorbent and copper concentration had a significant impact on metal ion uptake; both for unitary and ternary systems. In the case of the system containing only copper ions, increasing solution pH to 5 led to a greater copper uptake for both egg white protein emulsion (EWPEM) (15%) and bovine serum albumin emulsion (BSAEM) (53%). At lower pH, metal removal diminished and no copper removal was obtained at pH 2 due to the high concentration of hydrogen ions. For the ternary system encompassing copper, nickel and cobalt ions, pH increases resulted in higher metal removal; although bovine serum albumin (BSA)-coated bubbles illustrated higher affinity for copper ions than for nickel and cobalt ions. Increasing the temperature up to 65 ºC increased copper uptake to approximately 98%; however nickel and cobalt removal did not exhibit a significant change. BSAEM also demonstrated very different adsorption behaviors for copper, nickel and cobalt at various biomass and metal ion concentrations. Increasing BSAEM dosage from 10 g/L caused a decrease in copper, nickel and cobalt adsorption percentage, and approximately 2% copper uptake was obtained at a BSAEM concentration above 17.5 g/L. This is due to the agglomeration of air bubbles at higher BSAEM concentration, and consequently lower likelyhood of interactions between active sites and metal ions.The data obtained from X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) clearly showed that the thiol, amino and carboxylic groups of bovine serum albumin (BSA) and egg white protein (EWP)-coated bubbles were responsible for metal adsorption.Separation of the copper-loaded microcells from the aqueous solution was also investigated. Flotation, a technique commonly used to float hydrophobic minerals, was employed to remove the microbubbles by means of attachment to the surface of larger air bubbles. In absence of cationic surfactant, approximately 0.5% copper recovery was obtained at pH ranging from 5 to 8 due to lack of hydrophobic groups on the surface of copper-loaded BSA. A cationic flocculant was used to form the large flocs of copper-loaded bubbles, and consequently increase the buoyancy of bubbles. A combination of collector and flocculant at a concentration of 3×10-4 M and 0.025 g/L, respectively, led to an increase in copper recovery to nearly 35% at pH 7.The presence of calcium ions noticeably hindered copper ion adsorption which reduced by 70% as calcium ions compete with metal ions to occupy active binding sites.

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