バイオ吸着

バイオソープションは、特定のバイオマスで自然に発生する物理化学的プロセスであり、これによりバイオマスは受動的に汚染物質を濃縮し、その細胞構造に結合します。^[1]バイオソープションは、代謝を介したまたは物理化学的経路による吸収を通じて、廃水から重金属を蓄積する生物学的材料の能力と定義できます。^{[2]環境浄化にバイオマスを使用することはしばらく前から実践されていますが、科学者や技術者は、この現象が}産業廃水から有毒な重金属を除去するための経済的な代替手段となり、環境修復に役立つことを期待しています。

汚染は自然に生物系と相互作用します。汚染は現在制御されておらず、曝露範囲内のあらゆる生物に浸透しています。最も問題となる汚染物質には、重金属、農薬、および低濃度で野生生物や人間に有毒となる可能性のあるその他の有機化合物が含まれます。修復方法は存在しますが、高価であったり効果がありません。^[3] しかし、広範な研究により、卵の殻、骨、泥炭、^[4]菌類、海藻、カニの殻、^[5]酵母、バガス^[6]およびニンジンの皮^{[7]など、一般的に廃棄されるさまざまな廃棄物が、}汚染された水から有毒な重金属イオンを効率的に除去できることがわかっています。水銀などの金属からのイオンは、環境中で反応して、人体に有毒であることが知られている化合物であるメチル水銀などの有害な化合物を形成する可能性があります。さらに、吸着バイオマス、またはバイオ吸着剤は、 ヒ素、鉛、カドミウム、コバルト、クロム、ウランなどの他の有害金属も除去することができます。^{[8] [9]}

バイオマスを環境浄化のツールとして利用するというアイデアは、1900年代初頭にアーデンとロケットが、ある種の生きたバクテリア培養物が、曝気槽で混合された未処理の下水から窒素とリンを回収できることを発見したころからありました。^{[10] [11]}この発見は活性汚泥法として知られるようになり、生物蓄積の概念に基づいて構築され、現在でも下水処理場で広く使用されています。科学者が死んだバイオマスの隔離特性に気づいたのは1970年代後半になってからで、研究は生物蓄積から生物吸着へと移行しました。^[8]

生体蓄積と生体吸着は同義語として使われますが、汚染物質を隔離する方法は大きく異なります。

バイオ吸着は代謝的に受動的なプロセスであり、エネルギーを必要とせず、吸着剤が除去できる汚染物質の量は運動平衡と吸着剤の細胞表面の組成に依存します。^[9]汚染物質は細胞構造に吸着されます。

生体蓄積は、生物のエネルギーによって駆動される活発な代謝プロセスであり、呼吸を必要とする。^{[9] [12]}

生体蓄積と生体吸着は、すべての生物において自然に発生します^{[13] 。しかし、}バチルス・スフェリカスの生菌株と死菌株を対象に実施された対照実験では、クロムイオンの生体吸着は、生細胞よりも死細胞で13～20％高いことがわかりました。^[9]

環境修復の観点からは、バイオ吸着はバイオ蓄積よりも好ましい。なぜなら、バイオ吸着はより速い速度で起こり、より高い濃度を生成できるからである。^[9]金属は細胞表面に結合するため、バイオ吸着は可逆的なプロセスであるのに対し、バイオ蓄積は部分的にしか可逆的ではない。^[9]

バイオ吸着は平衡によって決定されるため、 pH、バイオマス濃度、異なる金属イオン間の相互作用に大きく影響されます。 ^[3]

例えば、異なる菌株を用いたペンタクロロフェノール（PCP）の除去に関する研究では、pHが低pHから高pH（酸性から塩基性）に変化すると、大多数の菌株で除去量が減少しましたが、1つの菌株は変化の影響を受けませんでした。 ^[14]複合吸着剤を使用した銅、亜鉛、ニッケルイオンの除去に関する別の研究では、pHが低pHから高pHに増加すると、吸着剤は亜鉛イオンやニッケルイオンよりも銅イオンの除去を優先しました。 [ ^15]吸着剤の変動性のため、これはバイオ吸着の欠点になる可能性がありますが、さらなる研究が必要になるでしょう。

バイオソープションという用語は比較的新しいかもしれませんが、長い間多くの用途に使用されてきました。バイオソープションの非常に広く知られている用途の1つは、活性炭フィルターです。このフィルターは、汚染物質をその非常に多孔質で表面積の大きい構造に結合させることで、空気と水をろ過することができます。活性炭の構造は、木炭を酸素で処理した結果として生成されます。^[16]別の種類の炭素である隔離炭素は、ろ過媒体として使用できます。これは、活性炭を作成するのとは逆の技術を使用する炭素隔離によって作成されます。酸素のない状態でバイオマスを加熱することによって作成されます。2つのフィルターは、化学組成により異なる種類の汚染物質のバイオソープションを可能にします。一方は酸素が注入され、もう一方は注入されていません。

多くの産業排水には除去しなければならない有毒金属が含まれています。除去はバイオ吸着技術で行うことができます。これは、バイオ吸着剤よりも10倍もコストがかかる人工イオン交換樹脂を使用する代わりになります。^[17]コストがはるかに低いのは、使用されるバイオ吸着剤が農場からの廃棄物であることが多いか、海藻やその他の収穫されていないバイオマスの場合のように非常に簡単に再生できるためです。

工業的なバイオ吸着は、図 1に示すように、吸着カラムを使用して行われることが多いです。重金属イオンを含む廃液は、カラムの上部から供給されます。バイオ吸着剤は汚染物質を吸着し、イオンを含まない廃液はカラムの下部から排出されます。このプロセスを逆にすると、金属汚染物質の高濃度溶液を収集できます。バイオ吸着剤は再利用することも、廃棄して交換することもできます。