Biosorpcja - Biosorption
Biosorpcji jest fizyko sposób, który naturalnie występuje w niektórych biomasy , który pozwala na pasywny koncentratu i wiązania zanieczyszczeń na jej strukturze komórkowej. Biosorpcję można zdefiniować jako zdolność materiałów biologicznych do akumulacji metali ciężkich ze ścieków poprzez metaboliczne lub fizykochemiczne szlaki wchłaniania. Chociaż wykorzystanie biomasy w oczyszczaniu środowiska jest w praktyce od jakiegoś czasu, naukowcy i inżynierowie mają nadzieję, że zjawisko to zapewni ekonomiczną alternatywę dla usuwania toksycznych metali ciężkich ze ścieków przemysłowych i pomoże w rekultywacji środowiska .
Zastosowania środowiskowe
Zanieczyszczenie w naturalny sposób współdziała z systemami biologicznymi. Obecnie jest niekontrolowany, przenika do jakiejkolwiek jednostki biologicznej w zasięgu ekspozycji. Najbardziej problematyczne zanieczyszczenia to metale ciężkie, pestycydy i inne związki organiczne, które w małych stężeniach mogą być toksyczne dla dzikich zwierząt i ludzi. Istnieją metody remediacji, ale są one drogie lub nieskuteczne. Jednak szeroko zakrojone badania wykazały, że szeroka gama powszechnie wyrzucanych odpadów, w tym skorupki jaj, kości, torf, grzyby, wodorosty, drożdże, gazy i skórki marchwi, mogą skutecznie usuwać toksyczne jony metali ciężkich z zanieczyszczonej wody . Jony metali, takich jak rtęć, mogą reagować w środowisku, tworząc szkodliwe związki, takie jak metylortęć , związek znany jako toksyczny dla ludzi. Ponadto adsorbując biomasę, czyli biosorbenty, można również usuwać inne szkodliwe metale, takie jak: arsen , ołów , kadm , kobalt , chrom i uran . Biosorpcja może być stosowana jako przyjazna dla środowiska technika filtrowania. Chitosan jest jednym z biologicznych adsorbentów wykorzystywanych do usuwania metali ciężkich bez negatywnego wpływu na środowisko.
Pomysł wykorzystania biomasy jako narzędzia do oczyszczania środowiska istnieje od początku XX wieku, kiedy Arden i Lockett odkryli, że pewne typy żywych kultur bakterii są zdolne do odzyskiwania azotu i fosforu z surowych ścieków po ich zmieszaniu w zbiorniku napowietrzającym. Odkrycie to stało się znane jako proces osadu czynnego, który opiera się na koncepcji bioakumulacji i jest nadal szeroko stosowany w dzisiejszych oczyszczalniach ścieków. Dopiero pod koniec lat 70. naukowcy zauważyli cechę sekwestracji martwej biomasy, co spowodowało przesunięcie badań z bioakumulacji na biosorpcję.
Różnice w bioakumulacji
Chociaż bioakumulacja i biosorpcja są używane jako synonimy, różnią się znacznie pod względem sekwestracji zanieczyszczeń:
Biosorpcja jest procesem pasywnym metabolicznie, co oznacza, że nie wymaga energii, a ilość zanieczyszczeń, które sorbent może usunąć, zależy od równowagi kinetycznej i składu powierzchni komórkowej sorbentu. Zanieczyszczenia są adsorbowane na strukturze komórkowej.
Bioakumulacja to aktywny proces metaboliczny napędzany energią z żywego organizmu i wymaga oddychania.
Zarówno bioakumulacja, jak i biosorpcja zachodzą naturalnie we wszystkich żywych organizmach, jednak w kontrolowanym eksperymencie przeprowadzonym na żywych i martwych szczepach Bacillus sphaericus stwierdzono, że biosorpcja jonów chromu była o 13–20% wyższa w martwych komórkach niż w żywych komórkach.
Pod względem remediacji środowiska biosorpcja jest lepsza niż bioakumulacja, ponieważ zachodzi szybciej i może dawać wyższe stężenia. Ponieważ metale są związane z powierzchnią komórki, biosorpcja jest procesem odwracalnym, podczas gdy bioakumulacja jest tylko częściowo odwracalna.
Czynniki wpływające na wydajność
Ponieważ biosorpcja jest determinowana równowagą, duży wpływ na nią ma pH , stężenie biomasy i oddziaływanie między różnymi jonami metali.
Na przykład w badaniach nad usuwaniem pentachlorofenolu (PCP) przy użyciu różnych szczepów biomasy grzybów, gdy pH zmieniało się z niskiego na wysokie (od kwaśnego do zasadowego), większość szczepów zmniejszyła ilość usuwanego zmiana nie miała wpływu na napięcie. W innym badaniu dotyczącym usuwania jonów miedzi, cynku i niklu przy użyciu sorbentu kompozytowego, gdy pH wzrastało od niskiego do wysokiego, sorbent faworyzował usuwanie jonów miedzi w stosunku do jonów cynku i niklu. Ze względu na zmienność sorbentu może to być wadą biosorpcji, jednak konieczne będą dalsze badania.
Typowe zastosowania
Chociaż termin biosorpcja może być stosunkowo nowy, od dawna jest używany w wielu zastosowaniach. Jednym z bardzo szeroko znanych zastosowań biosorpcji są filtry z węglem aktywnym. Mogą filtrować powietrze i wodę, pozwalając zanieczyszczeniom związać się z ich niewiarygodnie porowatą strukturą o dużej powierzchni. Struktura węgla aktywnego powstaje w wyniku obróbki węgla drzewnego tlenem. Inny rodzaj węgla, węgiel sekwestrowany, może być użyty jako medium filtracyjne. Powstaje poprzez sekwestrację węgla , która wykorzystuje technikę odwrotną do tworzenia węgla aktywnego. Powstaje poprzez ogrzewanie biomasy w warunkach braku tlenu. Dwa filtry umożliwiają biosorpcję różnych rodzajów zanieczyszczeń ze względu na ich skład chemiczny – jeden z tlenem wprowadzanym, a drugi bez.
W przemyśle
Wiele ścieków przemysłowych zawiera toksyczne metale, które należy usunąć. Usunięcie można osiągnąć technikami biosorpcji. Jest alternatywą dla sztucznych żywic jonowymiennych , które kosztują dziesięciokrotnie więcej niż biosorbenty. Koszt jest o tyle mniejszy, że stosowane biosorbenty to często odpady z gospodarstw rolnych lub bardzo łatwo je zregenerować, jak ma to miejsce w przypadku wodorostów i innej niezbieranej biomasy.
Pracochłonna biosorpcja jest często wykonywana przy użyciu kolumn sorpcyjnych, jak widać na Rysunku 1 . Ścieki zawierające jony metali ciężkich są podawane do kolumny od góry. Biosorbenty adsorbują zanieczyszczenia i pozwalają ściekom pozbawionym jonów opuścić kolumnę na dole. Proces można odwrócić, aby zebrać wysoce stężony roztwór zanieczyszczeń metalicznych. Następnie biosorbenty można ponownie wykorzystać lub wyrzucić i wymienić.