Hajdu István1, Shi Wei2, Bodnár Magdolna1, Csikós Zsuzsa1, Kovács Elza3, Pregun Csaba3, Kovács Béla4, Győri Zoltán4,

Tamás János3, Borbély János1,3

Debreceni Egyetem, Agrár- és Műszaki Tudományok Centruma,3Víz- és Környezetgazdálkodási Tanszék

4Élelmiszertudományi, Minőségbiztosítási és Mikrobiológiai Tanszék

4032 Debrecen, Böszörményi út 138. 1BBS Nanotechnológia, 4023 Debrecen, Böszörményi út 212.

on leave: 2The South China University of Technology,Guangzhau, China

Felszín alatti vizek szennyezői

Természetes forrásból származó szennyezők

Kémiai és fizikai folyamatok eredményeként az atmoszférából, bioszférából és litoszférából kerülnek a felszín alatti vizekbe

Mesterséges (antropogén) forrásból származó szennyezők

Mezőgazdaság

Hulladék lerakók

Szennyvíz tározók

Csővezetékek szivárgása (olaj, benzin)

Source: J.O.Nriagu, "History of Global Metal Pollution "

Science, Vol. 272 (April 12, 1996), pp. 223-224.

Toxikus nehézfémek eltávolítása

Nagy koncentrációban: csapadékképzés

(a legelterjedtebben alkalmazott módszer)

Kis koncentrációban: membrántechnológia

Mikroszűrés0,1-1,0 µm

Nanoszűrés0,001-0,01 µm

Ultraszűrés0,01-0,1 µm

Reverz Ozmózis< 0,001 µm

Nyomás Bar

30 -60

20 - 40

1 - 10

< 1

Célkitűzés

Nehézfémek eltávolítása kis energiaigényű membrántechnológiával (MF, UF)

A környezetet nem terhelő komplexképző alkalmazása

Költséghatékony technológia kidolgozása

Poli-γ-glutaminsav (PGA)

Reaktív karboxilcsoportokkal Biodegradábilis Lineáris polipeptid Baktériumok által termelt Bacillus Licheniformic / szójabab

NH

CH

CH2

CH2

C

O

COOH n

C

O O

COO

Pb 2+

C

OO

COO

COO

COO

C

O OPbb 2+

COO

COO

OOC

200 nm

Membrántechnológiák (UF)

beáramlás

beáramlás

nyomás

Permeátum Permeátum

Membrán Membrán

Dead-end szűrés Cross-flow szűrés

PGA+ólom nanorészecskék előállítása

PGA

(pH=6)

Pb

(pH=4,5)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)Hatékonyság

10 ml 1 ml < KH 31,6 100,00%

10 ml 2 ml < KH 57,5 100,00%

10 ml 4 ml < KH 130 100,00%

10 ml 8 ml 0,0133 245 99,99%

10 ml 12 ml 42 48,4 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 118 137 Csapadékképződés

PGA

(pH=6)

Pb

(pH=3)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)Hatékonyság

10 ml 1 ml < KH 30,6 100,00%

10 ml 2 ml < KH 58,6 100,00%

10 ml 4 ml < KH 111 100,00%

10 ml 8 ml 0,0006 203 100,00%

10 ml 12 ml 56,3 63 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 130 148 Csapadékképződés

PGA

(pH=3)

Pb

(pH=4,5)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)Hatékonyság

10 ml 1 ml 1,89 27,2 90,76%

10 ml 2 ml 4,85 50,4 87,32%

10 ml 4 ml 12,2 99,6 84,07%

10 ml 8 ml 47,5 188 68,49%

10 ml 12 ml 99,7 118 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 165 187 Csapadékképződés

PGA

(pH=3)

Pb

(pH=3)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)Hatékonyság

10 ml 1 ml 4,66 27,8 78,46%

10 ml 2 ml 9,06 51 77,24%

10 ml 4 ml 19,7 101 75,16%

10 ml 8 ml 60 158 Csapadékképződés

10 ml 12 ml 121 155 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 186 218 Csapadékképződés

Hatékonyság: Ret-Perm(mg)/Perm+Ret(mg)

Minél alacsonyabb pH-n történik az ólom megkötés annál kisebb a hatékonyság

Adott térfogatú PGA oldathoz különböző térfogatú ólom oldatokat adtunk, majd az oldatokat leszűrtük, és vizsgáltuk a PERM és RET ólomtartalmát

Térhálósított PGA alkalmazása

PGA térhálósítása

Nanorészecskék

Kisebb viszkozitás

Hatékonyság?

NH

CH

CH2

CH2

C

O

COOHn n

NH

O

NHO

m

R

NH

O

NHO

R = CH2 CH2 O CH2 CH2 O CH2 CH2

+ R

NH2

NH2

CDI

Térhálósított PGA+ólom nanorészecskék előállítása

PGA 10% (pH=6) Pb (pH=4,5) Permeat (ppb) Retentat (ppm) Hatékonyság

10 ml 1 ml 28,68 33,9 99,88%

10 ml 2 ml 49,4 71,1 99,90%

10 ml 4 ml 179,3 139 99,82%

10 ml 8 ml 13310 22,3 Csapadékképződés

10 ml 12 ml 79940 117 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 121000 214 Csapadékképződés

PGA 25% (pH=6) Pb (pH=4,5) Permeat (ppb) Retentat (ppm) Hatékonyság

10 ml 1 ml 76,74 35,2 99,70%

10 ml 2 ml 173 68 99,65%

10 ml 4 ml 460,9 127 99,50%

10 ml 8 ml 4448 7,52 Csapadékképződés

10 ml 12 ml 68760 102 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 116400 196 Csapadékképződés

PGA 50% (pH=6) Pb (pH=4,5) Permeat (ppb) Retentat (ppm) Hatékonyság

10 ml 1 ml 134,7 38,3 99,52%

10 ml 2 ml 174,1 71,7 99,67%

10 ml 4 ml 462,1 141 99,56%

10 ml 8 ml 24360 33,3 Csapadékképződés

10 ml 12 ml 88980 135 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 122100 236 Csapadékképződés

10%

25%

50%

PGA+Pb szűrési sebessége lapmembránon (Cross-flow) (1 mg/ml)

PGA

(pH=6)

Pb

(pH=4,5)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)Hatékonyság

10 ml 1 ml < KH 31,6 100,00%

10 ml 2 ml < KH 57,5 100,00%

10 ml 4 ml < KH 130 100,00%

10 ml 8 ml 0,0133 245 99,99%

10 ml 12 ml 42 48,4 Csapadékképződés

10 ml 16 ml 118 137 Csapadékképződés

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100 120

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA+Pb 0

PGA+Pb 1

PGA+Pb 4

PGA+Pb 8

Minél gyorsabb a szűrés technológiailag annál jobb, annál költséghatékonyabb.

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA+Pb 0

PGA10%+Pb 0

PGA 25%+Pb 0

PGA 50%+Pb 0

PGA+Pb szűrési sebessége keverőcellás membránon (Dead-end) (1 mg/ml)

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA+Pb 0

PGA+Pb 1

PGA+Pb 4

PGA+Pb 8

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA 1mg/ml

PGA10% 1mg/ml

PGA25% 1mg/ml

PGA50% 1mg/ml

A Pb mennyisége nem befolyásolja nagy mértékben a szűrés sebességét.

A térhálósítás mértékének növelése csökkenti a szűrés sebességét.

PGA+Pb szűrési sebessége keverőcellás membránon (5 mg/ml)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA 5mg/ml+0Pb

PGA 5mg/ml+1Pb

PGA 5mg/ml+4Pb

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA 5mg/ml

PGA10% 5mg/ml

PGA25% 5mg/ml

PGA50% 5mg/ml

A Pb mennyisége növeli a szűrés sebességét

A térhálósítás mértékének növelése csökkenti a szűrés sebességét.

Térhálósított PGA+Pb szűrési sebessége keverőcellás membránon (5 mg/ml)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20 25

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA 5mg/ml+1Pb

PGA10% 5mg/ml+1Pb

PGA25% 5mg/ml+1Pb

PGA50% 5mg/ml+1Pb

PGA

(pH=6)

Pb

(pH=4,5)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)Hatékonyság

10 ml 1 ml 0,07 82,12 99,82%

PGA10%

(pH=6)

Pb

(pH=4,5)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)

10 ml 1 ml 0,09 85,5 99,78%

Összefoglalás

Sikerült ultraszűréssel az ólomionok több mint 99,8 %-át eltávolítani

Olyan anyag segítségével, mely regenerálható, illetve biodegradábilis, tehát nem jelent terhelést a környezet számára

Sikerült olyan technológiát kifejleszteni, mellyel a szűrés sebessége közel felére csökkenthető anélkül, hogy ez a hatékonyság rovására menne.

A munka a GOP-1.1.1-07/1-2008-0082

támogatásával készült

Térhálósított PGA+Pb szűrési sebessége lapmembránon

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA+Pb 1

PGA 10%+Pb 1

PGA 25%+Pb 1

PGA 50%+Pb 1

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA10% + Pb 0

PGA10% + Pb 1

PGA10% + Pb 4

Térhálósított PGA+Pb szűrési sebessége keverőcellás membránon (1 mg/ml)

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15

Té

rfo

ga

t (m

l)

Idő (perc)

PGA 1mg/ml+1Pb

PGA10% 1mg/ml+1Pb

PGA25% 1mg/ml+1Pb

PGA50% 1mg/ml+1Pb

PGA

(pH=6)

Pb

(pH=4,5)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)Hatékonyság

10 ml 1 ml < KH 31,6 100,00%

PGA10%

(pH=6)

Pb

(pH=4,5)

Permeat

(ppm)

Retentat

(ppm)

10 ml 1 ml 0,028 33,9 99,88%