Биосорбция - Biosorption

Биосорбция - это физико-химический процесс, который происходит естественным образом в определенной биомассе, что позволяет ей пассивно концентрировать и связывать загрязняющие вещества в своей клеточной структуре. Биосорбцию можно определить как способность биологических материалов накапливать тяжелые металлы из сточных вод посредством метаболических или физико-химических путей поглощения. Хотя использование биомассы для очистки окружающей среды уже давно практикуется, ученые и инженеры надеются, что это явление обеспечит экономичную альтернативу удалению токсичных тяжелых металлов из промышленных сточных вод и поможет в восстановлении окружающей среды .

Экологические виды использования

Загрязнение естественным образом взаимодействует с биологическими системами. В настоящее время он не контролируется и проникает в любые биологические объекты в пределах диапазона воздействия. К наиболее проблемным загрязнителям относятся тяжелые металлы, пестициды и другие органические соединения, которые в небольших концентрациях могут быть токсичными для диких животных и людей. Существуют существующие методы восстановления, но они дороги или неэффективны. Тем не менее, обширные исследования показали, что широкий спектр обычно выбрасываемых отходов, включая яичную скорлупу, кости, торф, грибы, морские водоросли, дрожжи, мешковину и кожуру моркови, может эффективно удалять токсичные ионы тяжелых металлов из загрязненной воды . Ионы металлов, таких как ртуть, могут реагировать в окружающей среде с образованием вредных соединений, таких как метилртуть , соединение, которое, как известно, токсично для людей. Кроме того, адсорбционная биомасса или биосорбенты могут также удалять другие вредные металлы, такие как мышьяк , свинец , кадмий , кобальт , хром и уран . Биосорбция может использоваться как экологически чистый метод фильтрации. Хитозан входит в число биологических адсорбентов, используемых для удаления тяжелых металлов без негативного воздействия на окружающую среду.

Идея использования биомассы в качестве инструмента для очистки окружающей среды возникла с начала 1900-х годов, когда Арден и Локетт обнаружили, что определенные типы культур живых бактерий способны восстанавливать азот и фосфор из неочищенных сточных вод, когда они смешиваются в аэротенке. Это открытие стало известно как процесс активного ила, который основан на концепции биоаккумуляции и до сих пор широко используется на очистных сооружениях. Только в конце 1970-х годов ученые заметили свойство секвестрации мертвой биомассы, что привело к сдвигу в исследованиях от биоаккумуляции к биосорбции.

Отличия от биоаккумуляции

Хотя биоаккумуляция и биосорбция используются как синонимы, они сильно различаются по способу улавливания загрязнителей:

Биосорбция - это метаболически пассивный процесс, то есть он не требует энергии, а количество загрязняющих веществ, которые может удалить сорбент, зависит от кинетического равновесия и состава клеточной поверхности сорбента. Загрязнения адсорбируются на ячеистой структуре.

Биоаккумуляция - это активный метаболический процесс, управляемый энергией живого организма и требующий дыхания.

Как биоаккумуляция, так и биосорбция происходят естественным образом во всех живых организмах, однако в контролируемом эксперименте, проведенном на живых и мертвых штаммах bacillus sphaericus, было обнаружено, что биосорбция ионов хрома была на 13-20% выше в мертвых клетках, чем в живых клетках.

С точки зрения восстановления окружающей среды биосорбция предпочтительнее биоаккумуляции, поскольку она происходит быстрее и может приводить к более высоким концентрациям. Поскольку металлы связаны с клеточной поверхностью, биосорбция является обратимым процессом, тогда как биоаккумуляция обратима лишь частично.

Факторы, влияющие на производительность

Поскольку биосорбция определяется равновесием, на нее в значительной степени влияют pH , концентрация биомассы и взаимодействие между различными ионами металлов.

Например, в исследовании по удалению пентахлорфенола (ПХФ) с использованием различных штаммов грибной биомассы, когда pH изменялся с низкого pH на высокий pH (от кислого до основного), количество удаления уменьшалось у большинства штаммов, однако один изменение не повлияло на штамм. В другом исследовании по удалению ионов меди, цинка и никеля с использованием композитного сорбента при повышении pH от низкого до высокого сорбент благоприятствовал удалению ионов меди по сравнению с ионами цинка и никеля. Из-за вариабельности сорбента это может быть недостатком для биосорбции, однако потребуются дополнительные исследования.

Общее использование

Хотя термин биосорбция может быть относительно новым, он уже давно используется во многих приложениях. Одно очень широко известное применение биосорбции наблюдается в фильтрах с активированным углем . Они могут фильтровать воздух и воду, позволяя загрязнениям связываться с их невероятно пористой структурой с большой площадью поверхности. Структура активированного угля создается в результате обработки древесного угля кислородом. В качестве фильтрующего материала можно использовать другой тип углерода, улавливаемый углерод. Он производится путем связывания углерода , при котором используется техника, противоположная технологии создания активированного угля. Это делается путем нагревания биомассы в отсутствие кислорода. Два фильтра позволяют биосорбцию различных типов загрязняющих веществ из-за их химического состава - один с введенным кислородом, а другой - без него.

Рисунок 1. Сорбционная колонка с использованием биосорбентов alt text
Рисунок 1 . Сорбционная колонка с использованием биосорбентов.

В промышленности

Многие промышленные сточные воды содержат токсичные металлы, которые необходимо удалять. Удаление может быть выполнено с помощью методов биосорбции. Это альтернатива использованию искусственных ионообменных смол , которые стоят в десять раз дороже биосорбентов. Стоимость намного меньше, потому что используемые биосорбенты часто являются отходами с ферм или их очень легко регенерировать, как в случае с водорослями и другой несобранной биомассой.

Промышленная биосорбция часто осуществляется с помощью сорбционных колонок, как показано на Рисунке 1 . Сточные воды, содержащие ионы тяжелых металлов, подают в колонну сверху. Биосорбенты адсорбируют загрязнения и позволяют очищенным от ионов потокам выходить из колонны в нижней части. Процесс можно обратить, чтобы собрать высококонцентрированный раствор металлических примесей. Затем биосорбенты можно использовать повторно или выбросить и заменить.

Рекомендации