Biosorpcja
Biosorpcja to proces fizykochemiczny, który zachodzi naturalnie w określonej biomasie , co pozwala jej na pasywną koncentrację i wiązanie zanieczyszczeń w jej strukturze komórkowej. Biosorpcję można zdefiniować jako zdolność materiałów biologicznych do gromadzenia metali ciężkich ze ścieków poprzez metaboliczne lub fizykochemiczne szlaki wchłaniania. Chociaż wykorzystywanie biomasy do oczyszczania środowiska jest praktykowane już 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
Zanieczyszczenia w naturalny sposób wchodzą w interakcje z systemami biologicznymi. Obecnie jest niekontrolowany, przenikając do każdej jednostki biologicznej w zasięgu narażenia. Do najbardziej problematycznych zanieczyszczeń należą metale ciężkie, pestycydy i inne związki organiczne, które w niewielkich stężeniach mogą być toksyczne dla zwierząt i ludzi. Istnieją metody rekultywacji, ale są one drogie lub nieskuteczne. Jednak szeroko zakrojone badania wykazały, że wiele powszechnie wyrzucanych odpadów, w tym skorupki jaj, kości, torf, grzyby, wodorosty, drożdże, wytłoki i skórki marchwi, może 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, o którym wiadomo, że jest toksyczny dla ludzi. Ponadto adsorbując biomasę, czyli biosorbenty, można usuwać również inne szkodliwe metale, takie jak: arsen , ołów , kadm , kobalt , chrom i uran .
Pomysł wykorzystania biomasy jako narzędzia do oczyszczania środowiska pojawił się już na początku XX wieku, kiedy Arden i Lockett odkryli, że pewne rodzaje żywych kultur bakterii są w stanie odzyskać azot i fosfor z surowych ścieków, gdy są one mieszane w zbiorniku napowietrzającym. Odkrycie to stało się znane jako proces osadu czynnego, który opiera się na koncepcji bioakumulacji i jest nadal powszechnie stosowany w oczyszczalniach ścieków. Dopiero pod koniec lat 70. XX wieku naukowcy zauważyli cechę sekwestracji w martwej biomasie, co zaowocowało przesunięciem badań z bioakumulacji na biosorpcję.
Różnice w stosunku do bioakumulacji
Chociaż bioakumulacja i biosorpcja są używane jako synonimy, bardzo różnią się sposobem sekwestracji zanieczyszczeń:
Biosorpcja jest procesem pasywnym metabolicznie, co oznacza, że nie wymaga energii, a ilość zanieczyszczeń, które może usunąć sorbent, zależy od równowagi kinetycznej i składu powierzchni komórkowej sorbentu. Zanieczyszczenia są adsorbowane na strukturze komórkowej.
Bioakumulacja jest aktywnym procesem metabolicznym napędzanym energią z żywego organizmu i wymaga oddychania.
Zarówno bioakumulacja, jak i biosorpcja występują naturalnie we wszystkich organizmach żywych, jednak w kontrolowanym eksperymencie przeprowadzonym na żywych i martwych szczepach Bacillus sphaericus stwierdzono, że biosorpcja jonów chromu była o 13–20% wyższa w komórkach martwych niż w komórkach żywych.
Jeśli chodzi o rekultywację środowiska, biosorpcja jest lepsza niż bioakumulacja, ponieważ zachodzi szybciej i może wytwarzać wyższe stężenia. Ponieważ metale są związane na powierzchni komórki, biosorpcja jest procesem odwracalnym, podczas gdy bioakumulacja jest tylko częściowo odwracalna.
Czynniki wpływające na wydajność
Ponieważ biosorpcja jest określana przez równowagę, duży wpływ na nią ma pH , stężenie biomasy i interakcje między różnymi jonami metali.
Na przykład w badaniu dotyczącym usuwania pentachlorofenolu (PCP) przy użyciu różnych szczepów biomasy grzybów, gdy pH zmieniało się z niskiego na wysokie (od kwaśnego do zasadowego), wielkość usuwania zmniejszała się u większości szczepów, jednak jeden 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 porównaniu z jonami 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 z węglem aktywnym . Mogą filtrować powietrze i wodę, umożliwiając zanieczyszczeniom wiązanie 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 stosowany jako środek filtracyjny. Jest wytwarzany przez sekwestrację węgla , która wykorzystuje technikę odwrotną do tworzenia węgla aktywnego. Powstaje poprzez ogrzewanie biomasy bez dostępu tlenu. Dwa filtry pozwalają na biosorpcję różnego rodzaju zanieczyszczeń ze względu na ich skład chemiczny – jeden z wtłaczanym tlenem, a drugi bez.
W przemyśle
Wiele ścieków przemysłowych zawiera metale toksyczne, które należy usunąć. Usuwanie można przeprowadzić technikami biosorpcji. Stanowi alternatywę dla sztucznych żywic jonowymiennych , które kosztują dziesięć razy więcej niż biosorbenty. Koszt jest o wiele niższy, ponieważ stosowane biosorbenty to często odpady z gospodarstw rolnych lub bardzo łatwo je zregenerować, jak ma to miejsce w przypadku wodorostów i innej niezebranej biomasy.
Przemysłowa biosorpcja jest często wykonywana przy użyciu kolumn sorpcyjnych, jak pokazano na rysunku 1 . Odciek zawierający jony metali ciężkich wprowadzany jest do kolumny od góry. Biosorbenty adsorbują zanieczyszczenia i pozwalają uwolnionemu od jonów ściekowi opuścić kolumnę na dole. Proces można odwrócić, aby zebrać silnie skoncentrowany roztwór zanieczyszczeń metalicznych. Biosorbenty można następnie ponownie wykorzystać lub wyrzucić i wymienić.