Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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. [1] Биосорбцию можно определить как способность биологических материалов накапливать тяжелые металлы из сточных вод посредством метаболически опосредованных или физико-химических путей поглощения. [2] 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 .

Использование в окружающей среде [ править ]

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. [3] Однако обширные исследования показали, что широкий спектр обычно выбрасываемых отходов, включая яичную скорлупу, кости, торф, [4] грибы, морские водоросли, дрожжи, баггаз [5] и кожуру моркови [6], могут эффективно удалять токсичные вещества. 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 . [7] [8] Биосорбция может использоваться как экологически безопасный метод фильтрации. Хитозан входит в число биологических адсорбентов, используемых для удаления тяжелых металлов без негативного воздействия на окружающую среду. [9]

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 при их смешивании в аэротенке. [10] [11] 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. [7]

Отличия от биоаккумуляции [ править ]

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. [8] Загрязнения адсорбируются на ячеистой структуре.

Биоаккумуляция - это активный метаболический процесс, управляемый энергией живого организма и требующий дыхания. [8] [12]

Как биоаккумуляция, так и биосорбция происходят естественным образом во всех живых организмах [13], 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. [8]

С точки зрения восстановления окружающей среды биосорбция предпочтительнее биоаккумуляции, поскольку она происходит быстрее и может приводить к более высоким концентрациям. [8] Поскольку металлы связаны с клеточной поверхностью, биосорбция является обратимым процессом, тогда как биоаккумуляция обратима лишь частично. [8]

Факторы, влияющие на производительность [ править ]

Поскольку биосорбция определяется равновесием, на нее в значительной степени влияют pH , концентрация биомассы и взаимодействие между различными ионами металлов. [3]

Например, в исследовании по удалению пентахлорфенола (ПХФ) с использованием различных штаммов грибной биомассы, когда значение pH изменялось от низкого до высокого (от кислого до основного), количество удаления уменьшалось у большинства штаммов, однако один изменение не повлияло на штамм. [14] В другом исследовании по удалению ионов меди, цинка и никеля с использованием составного сорбента при повышении pH от низкого до высокого сорбент способствовал удалению ионов меди по сравнению с ионами цинка и никеля. [15] Из-за изменчивости сорбента это может быть недостатком для биосорбции, однако потребуются дополнительные исследования.

Обычное использование [ править ]

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. [16] Другой тип углерода, улавливаемый углерод, может использоваться в качестве фильтрующего материала. Это сделано путем связывания углерода., который использует технику, противоположную той, что используется для 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 биосорбентами.

В промышленности [ править ]

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. [17] 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.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Volesky, Богумил (1990). Биосорбция тяжелых металлов . Флорида: CRC Press. ISBN 978-0849349171.
  2. ^ Фулади Фард, Реза .; Азими, AA; Наби Бидхенди, GR (апрель 2011 г.). «Пакетная кинетика и изотермы для биосорбции кадмия на твердых биологических веществах». Опреснение и очистка воды . 28 (1–3): 69–74. DOI : 10,5004 / dwt.2011.2203 .
  3. ^ a b Ахалия, Н .; Рамачандра, телевидение; Канамади, Р. Д. (декабрь 2003 г.). «Биосорбция тяжелых металлов» . Научно-исследовательский журнал химии и окружающей среды . 7 (4).
  4. ^ Шильдмейер, А .; Wolcott, M ​​.; Бендер, Д. (2009). «Исследование температурно-зависимого механического поведения полипропилен-соснового композита». J. Mater. Civ. Англ . 21 (9): 460–6. DOI : 10.1061 / (ASCE) 0899-1561 (2009) 21: 9 (460) .
  5. ^ Tewari, N .; Васудеван, П. (июль 2020 г.). «Профиль параметров, влияющих на адсорбцию шестивалентного хрома на недорогом адсорбенте - сыром газе». Американский журнал экологической биологии . 1 : 34–49.
  6. ^ Бхатти, Хак Н .; Nasir, Abdul W .; Ханиф, Мухаммад А. (апрель 2010 г.). «Эффективность биомассы отходов Daucus carota L. для удаления хрома из водных растворов». Опреснение . 253 (1–3): 78–87. DOI : 10.1016 / j.desal.2009.11.029 .
  7. ^ a b Lesmana, Sisca O .; Febriana, Novie; Soetaredjo, Felycia E .; Сунарсо, Яка; Исмаджи, Сурьяди (апрель 2009 г.). «Исследования потенциальных применений биомассы для отделения тяжелых металлов от воды и сточных вод». Журнал биохимической инженерии . 44 (1): 19–41. DOI : 10.1016 / j.bej.2008.12.009 .
  8. ^ Б с д е е Velásquez L, Dussan J (август 2009 г.). «Биосорбция и биоаккумуляция тяжелых металлов на мертвой и живой биомассе Bacillus sphaericus ». J. Hazard. Матер . 167 (1–3): 713–6. DOI : 10.1016 / j.jhazmat.2009.01.044 . PMID 19201532 . 
  9. ^ Карий Alavijeh, Масий; Мумиванд, Фардин; Замани, Акрам; Карими, Кейхосро. «Несшитая мембрана и шарики хитозана для эффективного удаления тяжелых металлов» . Minerva Biotecnologica . 28 (2): 75–80.
  10. Перейти ↑ Sawyer, Clair N. (февраль 1965 г.). «Вехи в развитии процесса активного ила». Федерация по контролю за загрязнением воды . 37 (2): 151–162. JSTOR 25035231 . 
  11. ^ Аллеман, Джеймс Э .; Prakasam, TBS (май 1983 г.). «Размышления о семи десятилетиях истории активированного ила». Федерация по контролю за загрязнением воды . 55 (5): 436–443. JSTOR 25041901 . 
  12. ^ Виджайарагхаван K, Yun YS (2008). «Бактериальные биосорбенты и биосорбция». Biotechnol. Adv . 26 (3): 266–91. DOI : 10.1016 / j.biotechadv.2008.02.002 . PMID 18353595 . 
  13. ^ Хойнацка K (апрель 2010). «Биосорбция и биоаккумуляция - перспективы практического применения». Environ Int . 36 (3): 299–307. DOI : 10.1016 / j.envint.2009.12.001 . PMID 20051290 . 
  14. ^ Mathialagan T, Viraraghavan T (январь 2009). «Биосорбция пентахлорфенола из водных растворов биомассой грибов». Биоресурсы. Technol . 100 (2): 549–58. DOI : 10.1016 / j.biortech.2008.06.054 . PMID 18722113 . 
  15. ^ Байрамоглу G, Yakup Арика M (январь 2009). «Создание гибридного биосорбента с использованием Scenedesmus quadricauda и Са-альгината для биосорбции Cu (II), Zn (II) и Ni (II): исследования кинетики и равновесия». Биоресурсы. Technol . 100 (1): 186–93. DOI : 10.1016 / j.biortech.2008.05.050 . PMID 18632265 . 
  16. ^ "Что такое активированный уголь и почему он используется в фильтрах?" . Как это работает. Апрель 2000 . Проверено 2 марта 2010 .
  17. ^ «Что такое биосорбция» . Б.В. СОРБЕКС, Инк . Проверено 2 марта 2010 .