Биосорбция для извлечения благородных металлов из промышленных растворов

Вятский государственный  университет

Биологический факультет

Кафедра микробиологии

 

 

Курсовая работа по дисциплине

«Экология микроорганизмов»

Отчет

«Биосорбция для извлечения благородных металлов из промышленных растворов»

 

 

Разработала студентка  гр. МБ-31      ________________    

(подпись)

Руководитель д.т.н, профессор          ________________   

(подпись)

Работа защищена с оценкой              «_____________» «___» _____2012г.

  Члены комиссии:                              ________________/________________

(подпись) 

_______________/_________________

(подпись)     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Вятский государственный  университет. Отчет: Курсовая работа  «Биосорбция для извлечения благородных металлов из промышленных растворов». / ВятГу, каф. микробиологии; рук.. – Киров, 2012. Отчет 35с., 6 рис., 3 табл., 17 источников/

БИОСОРБЦИЯ, СОРБЦИЯ, БИОМАССА, ДЕТОКСИКАЦИЯ, ИНТРА-ТЕХНОЛОГИИ, ИНТЕР-ТЕХНОЛОГИИ, ЦЕНТРОИД.

Объект разработки – Вятский государственный университет.

Цель курсовой работы: Изучить методы биосорбции для извлечения благородных металлов из промышленных растворов.

Методы проведения работы: Обзор литературы, сбор необходимых сведений, структурирование полученной информации.

В данной работе рассматриваются методы биосорбции благородных металлов – золота и серебра, механизмы аккумуляции и трансформации металлов.

Выводы: в ходе выполнения курсовой работы были изучены методы биосорбции для извлечения благородных металлов из промышленных растворов. 

Данная работа может быть использована в качестве учебного материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Введение…………………………………………………………….…4
2. Биосорбция металлов…………………………………………….…..6

2.1.Биосорбция металлов микроорганизмами….………….……6

2.2.Условия экспериментов по биосорбции металлов…………..7

2.3.Методы исследования механизмов аккумуляции и трансформации металлов…………………………………………………8

2.4. Основные факторы, оказывающие влияние на биосорбцию металлов……………………………………………………………………9

3. Биосорбция ионного золота микроскопическими грибами……………………………………………………………………….…11

3.1. Влияние рН на сорбцию ионного золота………………………………………………………………..…….11

3.2 Динамика  биосорбции ионного золота…………………………………………………………………..…..13

3.3 Влияние возраста  культуры на сорбционную способность……………………………………………………………….13

4. Биосорбция серебра………………………………………………..14

   4.1 Зависимость извлечения серебра от продолжительности процесса…………………………………………………………………………16

5. Извлечение благородных металлов из  промышленных растворов биомассой линкомицина……………………………………………………….22

6. Заключение……………………………………………………………33

7. Список литературы………………………………………………….34

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее время проблема химического  загрязнения природных пресных  и морских водоемов является крайне актуальной. Сброс неочищенных сточных  вод отрицательно сказывается на содержании в воде растворенного  кислорода, ее pH, прозрачности, цветности и других свойствах. Все это отрицательно влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность водоемов к самоочищению.

Использование биологических  методов является одним из перспективных  направлений в очистке сточных вод, как бытовых, так и промышленных. Одним из таких методов является биосорбция металлов из растворов, в основе которой лежит способность микроорганизмов аккумулировать катионы различных металлов, извлекая их из растворов. Это может быть использовано для очистки промышленных сточных вод от металлов.

Известно, что способность концентрировать  химические элементы свойственна всем живым организмам. На концентрационную функцию живого вещества как на важнейшую  часть его геохимической деятельности указывал еще В.И. Вернадский. Установлено, что микроорганизмы могут использовать металлы в качестве источников микроэлементов, энергии или акцепторов электронов. Однако известно и обратное, токсическое воздействие металлов на клетки. В связи с этим изучение воздействия тяжелых металлов на клетки имеет важное значение для выявления механизмов адаптации микроорганизмов к экстремальным условиям существования.

В последнее время учеными всего  мира ведутся исследования, направленные на использование микроорганизмов  для обогащения и извлечения благородных и редких металлов из отходов промышленных предприятий, упорных руд, а также «хвостов» и отвалов. Результаты этих исследований помогут решить и ряд экологических проблем, таких как очистка стоков промышленных и горнодобывающих предприятий от тяжелых металлов, токсичных химических реагентов и радионуклидов. Исследование токсического действия тяжелых металлов на микроорганизмы позволит решать задачи экологического нормирования предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в окружающей среде и экологического мониторинга. Такого рода данные необходимы для прогнозирования состояния окружающей среды в условиях техногенного загрязнения и разработки охранных мероприятий.

Цель: Изучить особенности биосорбции для извлечения благородных металлов из промышленных растворов.

Задачи: 1. Дать характеристику процесса биосорбции.

2.Выявить оптимальные параметры биосорбции ионного золота микроскопическими грибами.

3. Изучить процессы аккумуляции и трансформации металлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Биосорбция металлов
1. Биосорбция металлов микроорганизмами

Механизмы аккумуляции металлов микроорганизмами разнообразны: от физико-химического взаимодействия с клеточной стенкой до процессов, связанных с метаболизмом клеток: внутриклеточный транспорт, компартментализация металлов, внеклеточное осаждение продуктами метаболизма. [4]

Установлено, что как живые микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности, так и мертвые клетки способны извлекать металлы из растворов. Общим механизмом связывания металлов для живых и убитых клеток микроорганизмов является процесс биосорбции. [3]

Более 20 лет тому назад  было замечено, что микробы способны сорбировать металлы из водных растворов  с малой концентрацией. В 1977 гг. возникла необходимость обезвреживания отработанной воды, загрязненной радионуклидами, что  мотивировало развитие исследований в области биосорбции. В начале 1980 гг. появились первые патенты на применение специальных биомасс для очистки загрязненных вод. В патентах предусматривалась химическая переработка биомассы с превращением ее в твердую фазу и последующим гранулированием. В США и Канаде были сооружены пилотные установки и небольшие коммерческие производства, подтвердившие возможность интегрированной технологии (выщелачивание и биосорбция). В процессе разработки последней были встречены трудности в части выбора биомасс. В 1990 гг. исследовательские работы посвящались изучению некоторых сторон биосорбции, например, конкуренции ионов и селективности. Было установлено, что биосорбция обладает уникальными свойствами в том числе высокой эффективностью выделения металлов из растворов. Дальнейшее применение биосорбции проявилось в создании т. н. гибридных технологий двух типов: интра-технологии (биосорбция, биовосстановление, биоосаждение) и интер-технологии (объединение биотехнологических процессов с небиотехнологическими, например, осаждение, электрохимический процесс и т. д.). Отмечена также возможность комбинирования биосорбции с промежуточными метаболическими процессами, например, биовосстановлением (Cr ⁶⁺ ->Cr ³⁺,

Se ⁴⁺->Se ⁰ и т. д.) и биоосаждением. [7]

Установлено, что механизм биосорбции металлов и их локализация в клетках микроорганизмов зависит от формы нахождения ионов металлов в растворе, проницаемости цитоплазматической мембраны и элементного состава клеток. Биосорбция металлов клетками микроорганизмов с неповрежденной ЦПМ осуществляется их поверхностными структурами и в значительной мере определяется значением рН раствора. Сорбируемость катионов металлов увеличивается с ростом рН и степени их гидролизованности. Биосорбция анионов (VI) молибдена, вольфрама и хрома происходит только из кислых растворов. [8]

 

2. Условия экспериментов по биосорбции металлов

При экспериментах  на аккумуляцию отдельных металлов исходная концентрация металлов в растворе составила 5 мг/л, pH 5-6, соотношение твердой фазы к жидкой (Т : Ж) 1 : 20. Время контакта в зависимости от задачи эксперимента от 0,5 часа до 3 суток. Эксперименты проводили в трех повторностях.

Для экспериментов  по селективности извлечения металлов исходная концентрация каждого металла  в растворе составила 2-3 мг/л, pH 5-6,соотношение Т : Ж составило 1 : 15-20, время контакта составило 14 часов при периодическом встряхивании. Эксперимент проводили в трех повторностях.

Для опыта на сравнение сорбционных свойств  биомассы грибов с химическими сорбентами были взяты активированный уголь АГ-90, хемосорбционное  волокно ВИОН (КН-1, АН-1) и биомасса Penicillium chrysogeum, выделенного ранее из россыпного месторождения золота. Эксперименты выполнены в статических условиях в диапазонах значений pH раствора – 3-4, 6-7, 9-10, время контакта 2 часа, навеска сорбента – 1 грамм, оббьем раствора ионного золота – 100 мл. Концентрация золота в растворе 50 мг/л. Эксперимент выполнен в трех повторностях.

Механизмы аккумуляции  металлов микроорганизмами разнообразны: от физико-химического взаимодействия с клеточной стенкой до процессов, связанных с метаболизмом клеток: внутриклеточный транспорт, компартментализация металлов, внеклеточное осаждение продуктами метаболизма [4]

Установлено, что как живые микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности, так и мертвые клетки способны извлекать металлы из растворов. Общим механизмом связывания металлов для живых и убитых клеток микроорганизмов является процесс биосорбции.[3]

 

 

2.3 Методы исследования механизмов аккумуляции и трансформации металлов

Электронная микроскопия

Для исследования механизмов аккумуляции золота при продолжительном  времени взаимодействия был использован  штамм Penicillium luteum, выделенный ранее из россыпного месторождения.  Культивирование  проводили при температуре 20 ^оC, длительность  опыта 30-40 суток. В качестве ионного золота  использован раствор H[AuCI₄] с исходной концентрацией золота в растворе 50 мг/мл.

Электронно-микроскопические исследования выполнены на просвечивающем электронном микроскопе TESLA BS 500 и сканирующем Jeol JSM 35C. Образцы сняты в режиме SEI (вторичных электронов). Напряжение 15 kv, ток 0,6 х 3х10А. Для доказательства формирования золотых агрегатов сделаны снимки в характеристическом  рентгеновском излучении Au. Режим работы для микроанализа: напряжение 15 kv,ток-0,3х10. Перед нанесением биологических образцов на столбики проведена тщательная отмывка биомассы от среды культивирования, продуктов метаболизма и несвязанного с клетками золота. Подобным образом были исследованы и механизмы сорбции других, сопутствующих золоту металлов.

 

Рентгеноструктурный анализ

По окончании  экспериментов по кристаллизации ионного золота биомассой Penicillium luteum полученные золотоорганические  агрегаты были отмыты в дистиллированной воде и высушены при температуре 35^оС. Полученные образцы биогенного золота имели желтый металлический блеск. Съемка образцов производилась на рентгеновском дифрактомере ДРОН – 3 и в камере Дебая-Шеррера  рентгеноструктурной установки УРС – 2.0 на Cu K_α- излучении с Ni – фильтром. Отделение фонового уровня произведено по методу обратных квадратов интенсивностей Ланди – Инса. Съемка дифграктограмм производилась методом последовательного сканирования и сканирования по точкам рефлексов (111), (222) с двукратным увеличением времени счета в хвостовых участках данных профилей.

Идентификация произведена по рентгенометрической  картотеке JCPDS. Параметры элементарной ячейки определены методом центроида, расчет выполнен методом наименьших квадратов с последующими итерациями.

 

 

2.4 Основные факторы, оказывающие влияние на биосорбцию металлов

Изучены основные физико-химические факторы, влияющие на биосорбцию металлов биомассой: высокая рН – зависимость процесса, элементный состав и концентрация элементов в растворе, возраст культуры. Изменения температуры мало влияют на биосорбцию металлов грибами. Сравнительное изучение возможностей извлечения золота различными типами сорбентов (АГ-90,ВИОН КН-1,АН-1,биомасса P. chrysogenum) при pH 5 показало, что извлечение золота биомассой составило 98%. что на порядок выше, чем химическими сорбентами. Полученные результаты показали перспективность использования биомассы в качестве биосорбентов благородных металлов. Механизмы аккумуляции металлов грибами разнообразны: от физико-химического взаимодействия на клеточной стенке до механизмов, зависящих от процесса метаболизма (транспорт, внутриклеточная компартментализация, внеклеточное осаждение), однако основным для грибов является процесс биосорбции. Сорбционные свойства микромицетов обеспечиваются особым строением клеточной стенки, основные компоненты которой имеют в своем составе различные функциональные группы. В биосорбции одних катионов (Au³⁺, Ag⁺, Pb²⁺) учавствуют карбоксильные, гидроксильные, сульфгидрильные, аминные и фосфатные группы образующие координационные соединения. [6]