Биосорбция
Биосорбция — это физико-химический процесс, который естественным образом происходит в определенной биомассе и позволяет ей пассивно концентрировать и связывать загрязняющие вещества в ее клеточной структуре. [1] Биосорбцию можно определить как способность биологических материалов накапливать тяжелые металлы из сточных вод метаболически опосредованными или физико-химическими путями поглощения. [2] Хотя использование биомассы для очистки окружающей среды практикуется уже некоторое время, ученые и инженеры надеются, что это явление станет экономичной альтернативой для удаления токсичных тяжелых металлов из промышленных сточных вод и поможет в восстановлении окружающей среды .
Экологическое использование
[ редактировать ]Загрязнение естественным образом взаимодействует с биологическими системами. В настоящее время он не контролируется и проникает в любую биологическую сущность в пределах диапазона воздействия. К наиболее проблемным загрязнителям относятся тяжелые металлы, пестициды и другие органические соединения, которые в небольших концентрациях могут быть токсичными для дикой природы и человека. 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, водоросли, панцири крабов, [5] дрожжи, баггаз [6] и морковная кожура [7] может эффективно удалять токсичные ионы тяжелых металлов из загрязненной воды . Ионы металлов, таких как ртуть, могут вступать в реакцию в окружающей среде с образованием вредных соединений, таких как метилртуть , соединение, которое, как известно, токсично для человека. Кроме того, адсорбирующая биомасса или биосорбенты также могут удалять другие вредные металлы, такие как мышьяк , свинец , кадмий , кобальт , хром и уран . [8] [9]
Идея использования биомассы в качестве инструмента очистки окружающей среды возникла еще в начале 1900-х годов, когда Арден и Локетт обнаружили, что определенные типы культур живых бактерий способны извлекать азот и фосфор из неочищенных сточных вод при их смешивании в аэротенке. [10] [11] Это открытие стало известно как процесс с активным илом, который основан на концепции биоаккумуляции и до сих пор широко используется на очистных сооружениях. Лишь в конце 1970-х годов ученые заметили свойство секвестрации мертвой биомассы, что привело к смещению исследований от биоаккумуляции к биосорбции. [8]
Отличия от биоаккумуляции
[ редактировать ]Хотя биоаккумуляция и биосорбция используются как синонимы, они сильно различаются по способу связывания загрязняющих веществ:
Биосорбция является метаболически пассивным процессом, то есть не требует энергии, а количество примесей, которое может удалить сорбент, зависит от кинетического равновесия и состава клеточной поверхности сорбентов. [9] Загрязнения адсорбируются на клеточной структуре.
Биоаккумуляция — это активный метаболический процесс, обусловленный энергией живого организма и требующий дыхания. [9] [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 в мертвых клетках на 13–20% выше, чем в живых клетках. [9]
С точки зрения восстановления окружающей среды биосорбция предпочтительнее биоаккумуляции, поскольку она происходит быстрее и может давать более высокие концентрации. [9] Поскольку металлы связываются с клеточной поверхностью, биосорбция является обратимым процессом, тогда как биоаккумуляция обратима лишь частично. [9]
Факторы, влияющие на производительность
[ редактировать ]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 при изменении pH с низкого на высокий (от кислого до основного) объем удаления уменьшался у большинства штаммов, однако один изменение не повлияло на напряжение. [14] В другом исследовании по удалению ионов меди, цинка и никеля с использованием композитного сорбента при увеличении 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 биосорбции, однако потребуются дополнительные исследования.
Обычное использование
[ редактировать ]Хотя термин «биосорбция» может быть относительно новым, он уже давно используется во многих приложениях. Одним из очень широко известных способов применения биосорбции являются фильтры с активированным углем . Они могут фильтровать воздух и воду, позволяя загрязнениям связываться с их невероятно пористой структурой с большой площадью поверхности. Структура активированного угля образуется в результате обработки древесного угля кислородом. [16] Другой тип углерода, секвестрированный уголь, может использоваться в качестве фильтрующего материала. Он производится путем секвестрации углерода , при которой используется метод, противоположный методу создания активированного угля. Его производят путем нагрева биомассы в отсутствие кислорода. Два фильтра позволяют биосорбцию различных типов загрязнений в зависимости от их химического состава — один с добавлением кислорода, а другой без него.
В промышленности
[ редактировать ]Многие промышленные стоки содержат токсичные металлы, которые необходимо удалять. Удаление может быть осуществлено методами биосорбции. Это альтернатива использованию искусственных ионообменных смол , которые стоят в десять раз дороже биосорбентов. [17] Стоимость намного меньше, поскольку используемые биосорбенты часто представляют собой отходы ферм или их очень легко регенерировать, как в случае с морскими водорослями и другой неубранной биомассой.
Промышленная биосорбция часто осуществляется с использованием сорбционных колонок, как показано на рисунке 1 . Сточные воды, содержащие ионы тяжелых металлов, подаются в колонну сверху. Биосорбенты адсорбируют загрязняющие вещества и позволяют безионным стокам выходить из колонны внизу. Процесс можно обратить вспять, чтобы собрать высококонцентрированный раствор металлических загрязнений. Биосорбенты затем можно использовать повторно или выбросить и заменить.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Волеский, Богумил (1990). Биосорбция тяжелых металлов . Флорида: CRC Press. ISBN 978-0849349171 .
- ^ Фулади Фард, Реза; Азими, А.А.; Наби Бидхенди, Греция (апрель 2011 г.). «Кинетика периодического действия и изотермы биосорбции кадмия твердыми биологическими веществами». Опреснение и очистка воды . 28 (1–3): 69–74. дои : 10.5004/dwt.2011.2203 .
- ^ Перейти обратно: а б Ахалия, Н.; Рамачандра, ТВ; Канамади, РД (декабрь 2003 г.). «Биосорбция тяжелых металлов» . Научно-исследовательский журнал химии и окружающей среды . 7 (4). Архивировано из оригинала 21 февраля 2013 г. Проверено 9 января 2013 г.
- ^ Шильдмейер, А.; Уолкотт, М.; Бендер, Д. (2009). «Исследование температурно-зависимого механического поведения композита полипропилен-сосна». Дж. Матер. Гражданский. англ . 21 (9): 460–6. дои : 10.1061/(ASCE)0899-1561(2009)21:9(460) .
- ^ Арис, Аризона; Исмаил, ФА; Нг, HY; Правина, С.М. (2014). «Экспериментальное и модельное исследование удаления некоторых тяжелых металлов из водных растворов с использованием Scylla serrata в качестве биосорбента» . Пертаника Журнал науки и технологий . 22 (2): 553–566.
- ^ Тевари, Н.; Васудеван, П. (июль 2020 г.). «Профиль параметров, влияющих на адсорбцию шестивалентного хрома на дешевом адсорбенте - необработанном газе» . Американский журнал экологической биологии . 1 : 34–49. дои : 10.47610/ajeb-2020-a1v4 . S2CID 241146463 .
- ^ Бхатти, Хак Н.; Насир, Абдул В.; Ханиф, Мухаммад А. (апрель 2010 г.). «Эффективность биомассы отходов Daucus carota L. для удаления хрома из водных растворов». Опреснение . 253 (1–3): 78–87. дои : 10.1016/j.desal.2009.11.029 .
- ^ Перейти обратно: а б Лесмана, Сиска О.; Фебриана, Нови; Соэтареджо, Фелисия Э.; Сунарсо, Джака; Исмаджи, Сурьяди (апрель 2009 г.). «Исследования потенциальных применений биомассы для отделения тяжелых металлов из воды и сточных вод». Журнал биохимической инженерии . 44 (1): 19–41. дои : 10.1016/j.bej.2008.12.009 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Веласкес Л., Душан Дж (август 2009 г.). «Биосорбция и биоаккумуляция тяжелых металлов на мертвой и живой биомассе Bacillus sphaericus ». Дж. Хазард. Мэтр . 167 (1–3): 713–6. дои : 10.1016/j.jhazmat.2009.01.044 . ПМИД 19201532 .
- ^ Сойер, Клер Н. (февраль 1965 г.). «Основные этапы развития процесса активного ила». Журнал Федерации контроля загрязнения воды . 37 (2): 151–162. JSTOR 25035231 .
- ^ Аллеман, Джеймс Э.; Пракасам, TBS (май 1983 г.). «Размышления о семи десятилетиях истории активного ила». Журнал Федерации контроля загрязнения воды . 55 (5): 436–443. JSTOR 25041901 .
- ^ Виджаярагаван К., Юн Ю.С. (2008). «Бактериальные биосорбенты и биосорбция». Биотехнология. Адв . 26 (3): 266–91. doi : 10.1016/j.biotechadv.2008.02.002 . ПМИД 18353595 .
- ^ Хойначка К. (апрель 2010 г.). «Биосорбция и биоаккумуляция – перспективы практического применения». Энвайрон Инт . 36 (3): 299–307. дои : 10.1016/j.envint.2009.12.001 . ПМИД 20051290 .
- ^ Матиалаган Т., Вирарагаван Т. (январь 2009 г.). «Биосорбция пентахлорфенола из водных растворов грибной биомассой». Биоресурс. Технол . 100 (2): 549–58. doi : 10.1016/j.biortech.2008.06.054 . ПМИД 18722113 .
- ^ Байрамоглу Г., Якуп Арика М. (январь 2009 г.). «Создание гибридного биосорбента с использованием Scenedesmus Quadicauda и Са-альгината для биосорбции Cu(II), Zn(II) и Ni(II): исследования кинетики и равновесия». Биоресурс. Технол . 100 (1): 186–93. doi : 10.1016/j.biortech.2008.05.050 . ПМИД 18632265 .
- ^ «Что такое активированный уголь и почему он используется в фильтрах?» . Как все работает. Апрель 2000 года . Проверено 2 марта 2010 г.
- ^ «Что такое биосорбция» . Б.В. СОРБЕКС, Инк . Проверено 2 марта 2010 г.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
