Биосорбция - Biosorption

Биосорбция это физико-химический процесс, который естественным образом протекает в определенных биомасса что позволяет ему пассивно концентрировать и связывать загрязнения 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 восстановление окружающей среды.

Экологические виды использования

Загрязнение естественным образом взаимодействует с биологическими системами. В настоящее время он неконтролируем и проникает в любую биологическую сущность в зоне 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 самые разные отходы, которые обычно выбрасываются, включая яичную скорлупу, кости, торф,[4] грибы, водоросли, дрожжи, мешочек [5] и кожуры моркови [6] может эффективно удалить токсичный тяжелый ионы металлов от загрязненная вода. Ионы металлов, таких как ртуть, могут реагировать 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, вести, кадмий, кобальт, хром и уран.[7][8] 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.[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, когда они смешиваются 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

Хотя биоаккумуляция и биосорбция используются как синонимы, они очень разные по способу улавливания загрязняющих веществ:

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 палочка sphaericus Установлено, что биосорбция ионов хрома в мертвых клетках на 13–20% выше, чем в живых.[8]

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

Факторы, влияющие на производительность

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 пентахлорфенол (PCP) с использованием различных штаммов грибной биомассы, поскольку pH изменился с низкого pH на высокий (от кислого до основного), количество удаления уменьшилось у большинства штаммов, однако на один штамм это изменение не повлияло.[14] В другом исследовании по удалению ионов меди, цинка и никеля с использованием составного сорбента при повышении pH от низкого до высокого сорбент благоприятствовал удалению ионов меди по сравнению с ионами цинка и никеля.[15] Из-за вариабельности сорбента это может быть недостатком 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 использование биосорбции наблюдается в Активированный уголь фильтры. Они могут фильтровать воздух и воду, позволяя загрязнителям связываться с их невероятно пористой структурой с большой площадью поверхности. Структура активированного угля образуется в результате обработки древесного угля кислородом.[16] В качестве фильтрующего материала можно использовать другой тип углерода, улавливаемый углерод. Это сделано связывание углерода, который использует технику, противоположную 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 рукотворных ионообменные смолы, которые стоят в десять раз дороже биосорбентов.[17] Стоимость намного ниже, потому что используемые биосорбенты часто являются отходами с ферм или их очень легко регенерировать, как в случае с водорослями и другой несобранной биомассой.

Тяжелая биосорбция часто осуществляется с помощью сорбционных колонок, как показано на Рисунок 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 загрязнителей. Затем биосорбенты можно использовать повторно или выбросить и заменить.

использованная литература

  1. ^ Волесский, Богумил (1990). Биосорбция тяжелых металлов. Флорида: CRC Press. ISBN  978-0849349171.
  2. ^ Фулади Фард, Реза .; Азими, A.A .; Наби Бидхенди, Г. (Апрель 2011 г.). «Пакетная кинетика и изотермы для биосорбции кадмия на твердых биологических веществах». Опреснение и очистка воды. 28 (1–3): 69–74. Дои:10.5004 / дед.2011.2203.
  3. ^ а б Ахалия, Н .; Ramachandra, T.V .; Канамади, Р.Д. (декабрь 2003 г.). «Биосорбция тяжелых металлов». Исследовательский журнал химии и окружающей среды. 7 (4).
  4. ^ Schildmeyer, A .; Wolcott, M ​​.; Бендер, Д. (2009). «Исследование температурно-зависимого механического поведения полипропилен-соснового композита». J. Mater. Civ. Англ.. 21 (9): 460–6. Дои: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 багазе». Американский журнал экологической биологии. 1: 34–49.
  6. ^ Bhatti, Haq N .; Nasir, Abdul W .; Ханиф, Мухаммад А. (апрель 2010 г.). "Эффективность Daucus carota L. отходы биомассы для удаления хрома из водных растворов ». Опреснение. 253 (1–3): 78–87. Дои:10.1016 / j.desal.2009.11.029.
  7. ^ а б 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. Дои:10.1016 / j.bej.2008.12.009.
  8. ^ а б c d е ж Веласкес Л., Дуссан Дж. (Август 2009 г.). «Биосорбция и биоаккумуляция тяжелых металлов на мертвой и живой биомассе Bacillus sphaericus". J. Hazard. Матер. 167 (1–3): 713–6. Дои:10.1016 / j.jhazmat.2009.01.044. PMID  19201532.
  9. ^ Карими Алавиджех, Масих; Мумиванд, Фардин; Замани, Акрам; Карими, Кейхосро. «Несшитая мембрана и шарики хитозана для эффективного удаления тяжелых металлов». Минерва Биотехнологика. 28 (2): 75–80.
  10. ^ Сойер, Клер Н. (февраль 1965 г.). «Основные этапы развития процесса производства активного ила». Федерация по контролю за загрязнением воды. 37 (2): 151–162. JSTOR  25035231.
  11. ^ Аллеман, Джеймс Э .; Пракасам, Т. (Май 1983 г.). «Размышления о семи десятилетиях истории активированного ила». Федерация по контролю за загрязнением воды. 55 (5): 436–443. JSTOR  25041901.
  12. ^ Виджаярагхаван К., Юн Ю.С. (2008). «Бактериальные биосорбенты и биосорбция». Biotechnol. Adv. 26 (3): 266–91. Дои:10.1016 / j.biotechadv.2008.02.002. PMID  18353595.
  13. ^ Chojnacka K (апрель 2010 г.). «Биосорбция и биоаккумуляция - перспективы практического применения». Environ Int. 36 (3): 299–307. Дои:10.1016 / j.envint.2009.12.001. PMID  20051290.
  14. ^ Mathialagan T, Viraraghavan T (январь 2009 г.). «Биосорбция пентахлорфенола из водных растворов биомассой грибов». Биоресурсы. Technol. 100 (2): 549–58. Дои:10.1016 / j.biortech.2008.06.054. PMID  18722113.
  15. ^ Байрамоглу Г., Якуп Арика М. (январь 2009 г.). «Создание гибридного биосорбента с использованием Scenedesmus quadricauda и Са-альгинат для биосорбции Cu (II), Zn (II) и Ni (II): исследования кинетики и равновесия ». Биоресурсы. Technol. 100 (1): 186–93. Дои: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 г.. Получено 2010-03-02.
  17. ^ «Что такое Биосорбция». BV SORBEX, Inc. Получено 2010-03-02.