بخشی از مقاله
چکیده
در پدیدهي جذب با دو اصطلاح اساسی "جذب سطحی" و "جذب" سروکار داریم. تجمع و تغلیظ یک ماده بر روي یک سطح و یا بر روي فصل مشترك دو فاز، به عنوان جذب سطحی شناخته میشود و جذب نیز به فرآیندي گفته میشود که طی آن، مولکولها یا اتمهاي یک فاز، به میان مولکولهاي فاز دیگر نفوذ میکنند و با آن امتزاج حاصل مینمایند. از این رو، جذب زیستی به معناي جداسازي مواد آلی یا معدنی از محلولهاي آبی، به وسیله موادي زیستی است که فعالیت متابولیکی ندارند.
این مواد زیستی، ترکیبات شیمیایی پیچیدهاي هستند که گروه هاي فعال شیمیایی زیادي در ساختار خود داشته و با استفاده از آنها، آلاینده ها را جذب کرده و به شکل یک توده در میآورند. با چنین عملی، جاذبهاي زیستی، غنی از مواد جذب شوندهاي میشوند که خود را از محیط جدا میکنند و ذرات جاذب غنی از مواد جذب شونده نیز به سادگی به صورت ذرات جامد از فاز مایع جدا میشوند. جذب زیستی روشی قوي و کارآمد در جداسازي است که توانایی حذف و جداسازي مواد شیمیایی خاص از سامانه موردنظر را دارد. از این رو، جذب زیستی میتواند در کنار دیگر سیستمهاي جذب مورد مطالعه قرار گیرد. در مقاله حاضر، تمرکز ما بر روي جذب زیستی فلزات سنگین خواهد بود.
-1 جذب و جذب زیستی
پدیدهي جذب براي اولین بار توسط اسشیل در سال 1773 در گازها مشاهده شد و به دنبال آن لوویتز در سال 1785، این پدیده را در محلولها مشاهده کرد. هماکنون، جذب و جذب سطحی به عنوان یک پدیده عمده در بیشتر فرآیندهاي طبیعی فیزیکی، زیستی و شیمیایی شناخته شده است. در ابتداي این فرآیند، غلظت ماده جذب شونده در محلول زیاد میباشد و از این رو، غلظت آن در ذرات جاذب صفر است. عدم وجود تعادل بین دو محیط باعث ایجاد نیروي محرکهاي براي مواد جذب شونده میشود. در ابتدا یک لایه از مواد جذب شونده بر روي سطح جاذب تشکیل میشود و سپس اگر امکانپذیر باشد، این مواد تا عمق بیشتري به درون جامد نفوذ میکنند.
با توجه به سازوکار جداسازي، عملیات جذب را به دو شکل جذب شیمیایی و جذب فیزیکی میتوان تقسیم کرد. در جذب شیمیایی، جداسازي در نتیجه به وجود آمدن پیوندهاي شیمیایی است، در حالی که جذب فیزیکی وابسته به خصوصیات فیزیکی سطح و نیروهاي فیزیکی بین مولکولی - نیروهاي واندروالس - است. عموما، فلزات سنگین مواد ارزندهاي هستند که تعداد زیادي از آنها براي زندگی ما موردنیاز نیز میباشند. استخراج و گستردگی کاربرد آنها باعث افزایش سطح وجود آنها در محیط زیست شده است. به علت فعالیتهاي فناوري بشر، سطح پیدایش فلزات سنگین در چرخه حیات به مقداري غیر قابل انتظار رسیده است. این فلزات پایدار بوده و وجود آنها تهدیدي جدي براي توازن طبیعت و سلامتی بشر میباشد.
این فلزات، در طی زنجیره غذایی که انسان در راس آن قرار دارد، در بافت هاي زنده تجمع مییابند و این خطر با حضور فلزات سمی چندین برابر نیز میشود. پس به روشهایی براي کنترل میزان نفوذ فلزات سنگین به درون محیط زیست نیاز داریم. روشهاي متداول مورد استفاده در حذف کاتیونهاي فلزات سنگین و آنیونها که مشتمل بر روشهاي فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی میباشند، هر کدام مزایا و معایبی دارند و اصولاً نمیتوان روشی را انتخاب کرد که از هر لحاظ بهینه باشد. روشهاي کاربردي در حذف این نوع از آلایندهها، استفاده از تبادلگرهاي یونی، استفاده از منعقدکنندهها، روشهاي ترسیب و غیره میباشند.
مشکل این روشها این است که بعد از استفاده از تبادلگر یونی و یا ماده ترسیبدهنده، نیاز به یک مرحله جداسازي ثانویه جاذب از محیط میباشد و همین موضوع باعث افزایش هزینه فرآیند و در مواقعی ایجاد آلودگی ثانویه در محیط میگردد. جذب زیستی میتواند به عنوان یک روش مقرون به صرفه، جایگزین روشهاي دیگر در حذف و بازیافت فلزات شود. مطالعات مقدماتی در زمینهي امکانپذیري اقتصادي، منجر به سه نتیجه اصلی در مورد کاربرد فناوري جذب زیستی میشوند:
الف- از دیدگاه فرآیند، براي تصفیه آب و پسابهاي صنعتی - اولین کاربرد قابل ملاحظه جذب زیستی در حال حاضر - ، جذب زیستی در مقایسه با دیگر فناوريهاي رقیب، مثل تبادل یونی، منجر به صرفه جویی در هزینه ها میگردد.
ب- در بررسی بازده، کیفیت کار و خصوصیات مواد شیمیایی، این فناوري میتواند در خیلی از موارد بسیار موثرتر از نزدیکترین رقیب خود، یعنی تبادل یونی باشد. به علاوه، نشانه هایی وجود دارد که جذب زیستی نسبت به عوامل محیطی و ناخالصی کمتر حساس بوده که این فناوري را در محدودة وسیعتري قابل استفاده میسازد. ج- به کمک بازیافت فلزات سنگین، هزینههاي مصرفی بیش از پیش کاهش مییابند. همچنین، در اثر بالا بودن قیمت فلزات بازیافت شده و پایینتر بودن قیمت توده زیستی مورد استفاده، میزان صرفه جویی در هزینهها افزایش مییابد. فرآیند تصفیه میتواند فقط با در نظرگرفتن بازیافت فلزات با ارزش، توجیه اقتصادي داشته باشد.
-2 جذب توسط توده زیستی
تحقیقات در زمینه جذب زیستی در اواخر دهه 1970 آغاز شد و به سرعت در دنیا گسترش پیدا کرد. قیمت پایین جاذبهاي زیستی، اصلیترین دلیل در ارجحیت این روش نسبت به روشهاي مرسوم بود. به همین دلیل، مطالعه منابع توده زیستی بسیار مهم بوده و میتوان بر اساس آن بازده اقتصادي فرآیند را محاسبه نمود. روش صحیح براي مقایسه بازده جذب زیستی بر پایه آزمایشهاي جذب تعادلی در سامانههاي ساده و ناپیوسته استوار است که منجر به استخراج یک منحنی دما ثابت میشود که براي مقایسه بازده جذب زیستی بین دو جاذب ترجیح داده میشود. اولین چالش بزرگ درباره جذب زیستی، انتخاب بهترین نوع توده زیستی از میان انبوهی از مواد زیستی در دسترس و ارزان است.
ارزیابی خصوصیات تودههاي زیستی در جذب فلزات سنگین، همواره مورد بحث بوده است. انواع مختلفی از تودههاي زیستی، نظیر جنگلها و درختان، پلانکتونهاي اقیانوسها و آبهاي شیرین، جلبکها و ماهیها و همه موجودات زنده که شامل حیوانات و انسان نیز میشود، وجود دارند. توده زیستی قابلیت رشد دارد و از نور خورشید به طور مستقیم یا غیرمستقیم تغذیه میکند و بدین ترتیب آن را به یک منبع پایانناپذیر از مواد شیمیایی تبدیل کرده است. اگر چه بسیاري از مواد زیستی، فلزات سنگین را به یکدیگر پیوند میدهند، اما فقط آنهایی که به قدر کافی داراي ظرفیت بالایی از اتصال فلز و انتخابپذیري براي فلزات سنگین هستند، میتوانند براي استفاده در یک فرآیند جذب زیستی مناسب استفاده شوند.
به عنوان مثال، پلیمرهاي طبیعی نظیر سلولز و نشاسته براي این هدف با برخی تغییرات مورد آزمایش قرار گرفتهاند. برخی از انواع تودههاي زیستی نامعمول مانند موي انسان - پس از اعمال شیمیایی - ، غشاي پوست تخممرغ و نیز انواع لجنهاي فاضلاب نیز مورد آزمایش قرار گرفتهاند و فقط حد میانهاي از جذب فلزات را نشان دادهاند. تحقیقات ویژهاي نیز براي امکان موثر و اقتصادي جذب زیستی فلزات سنگین انجام شده است که در این تحقیقات، تودههاي زیستی شامل کیتین که از جلبکها، باکتريها و برخی از قارچها به دست میآیند، جذب موثري از خود نشان دادند.
-1-2 جذب توسط توده زیستی کیتین
از آنجایی که جذب زیستی به میزان زیادي به بار یون بستگی دارد، انواع ویژهاي از تودههاي زیستی داراي گروههاي شیمیایی خاص وجود دارند که براي جدا کردن گونههاي آنیونی مناسب میباشند. به خاطر وجود گروههاي مولکولی آمینی در توده زیستی، توده زیستی با میزان زیاد کیتین و کیتوزان براي جذب زیستی آنیونها بسیار مناسب است. از آنجا که استخراج کیتین و کیتوزان هزینه زیادي دربردارد، تودههاي زیستی طبیعی داراي کیتین، در فرآیندهاي جذب زیستی براي حذف فلزات سنگین به اندازه کافی اثربخش تشخیص داده شدهاند. کیتین یک پلی ساکارید طبیعی است که شامل واحد هاي 4 - ،-2 - 1 استامید -2 دي اکسی دي- گلوکز میباشد و وقتی که گروه استیل خود را از دست میدهد، به کیتوزان تبدیل میشود . - 1 -
-2-2 جذب زیستی به وسیله جلبکها
فراوانی جلبکها در طبیعت قابل توجه است. جدا از در دسترس بودن آن، جاذبهاي زیستی ناشی از جلبکهاي دریایی سه مزیت اصلی دیگر نیز دارند. اول اینکه، جلبکهاي دریایی داراي میزان زیادي پلیمر زیستی میباشند که میتوانند فلزات سنگین را به یکدیگر پیوند دهند. بنابراین، ظرفیت برداشت فلزات در آنها بالا است. به عنوان مثال، جلبک دریایی سارگاسوم، برداشت اورانیوم و طلا تا حدود 40 درصد از وزن خشک توده زیستی را نشان داده است.
مزیت دوم این است که جلبک دریایی، بهتر از توده زیستی میکروبی تعریف شده است: به دلیل اینکه شرایط آب دریا نسبت به شرایط خوراك فرمانتور کمتر تغییر میکند و اینکه، از آنجا که ترکیب زیست شیمیایی میکروبهاي درون فرمانتور میتواند تغییر کند، بنابراین ناخالصی هاي باقیمانده از آبگوشت تخمیر شده، میتوانند پیوند فلزات را تحت تاثیر قرار دهند. مزیت دیگر اینکه، جلبکهاي دریایی، اغلب بزرگ و به اندازه کافی محکم هستند، به همین دلیل، نیاز به پیشتصفیه کنندههاي تثبیتی و گرانوله کردن که اغلب نیز پیچیده و گران هستند، ندارند. به راحتی میتوان از جلبکها در یک برج جذب زیستی، شامل بستري حاوي پرکن، بدون پیش تصفیه استفاده نمود، ولی براي خشک کردن - براي حملونقل و انبار کردن - باید پیشتصفیه صورت گیرد.
-3-2 جذب توسط توده زیستی میکروبی
-1-3-2 جذب زیستی توسط باکتريها
باکتريها - باسیلوس، استرپتومایسیس، سیتوباکتریا و ... - میتوانند از ضایعات صنایع تخمیري که مواد اولیه ارزانی به حساب میآیند، به دست آیند. با این حال، توده زیستی خام ممکن است شامل بقایایی از مواد شیمیایی نیز باشد که می تواند بر روي پیوند فلزات سنگین اثر بگذارد که در این صورت، به دلیل تفاوت در شرایط تخمیري، محصول داراي کیفیتهاي مختلفی خواهد بود. همچنین، ممکن است که نیاز به تثبیت توده زیستی قبل از استفاده از آن در راکتور نیز باشد که به هزینهها اضافه خواهد کرد. فرآیندهاي کاربردي بر روي جذب زیستی فلزات سنگین توسط ضایعات باکتري باسیلوس سابتیلیس، به نتایج اقتصادي قابل توجهی نرسیده است و جذب زیستی در این زمینه میتواند امیدبخش باشد، زیرا مقادیر و تنوع زیادي از باکتري ها براي این مورد موجود میباشند.
-2-3-2 جذب زیستی توسط قارچ ها
قارچها توسط ضایعات صنعتی ارزان در دسترس میباشند. آسپرژیلوس نیجر که در تولید اسیدسیتریک و آنزیم گلوکوآمیلاز کاربرد دارد، ساکارومایسیس سرویسیه که در صنایع غذایی و نوشیدنی استفاده میشود، ریزوپوس آریزوس که آنزیم لیپاز را تولید می کند و...، چند مثال از انواع قارچها و مخمرهایی هستند که در مطالعات جذب زیستی استفاده شدهاند. برخی از قارچ هاي رشتهاي مانند آسپرژیلوس نیجر، در گویچههایی رشد میکنند که براي بازیافت و نگهداري جاذب زیستی فلزات سنگین باردار شده مناسب میباشند.
انواع دیگري از قارچها نیز وجود دارند که در جداسازي مایع از جامد تولید مشکل میکنند و به راحتی فیلتر نمیشوند. از دیگر مضرات استفاده از قارچها، ناخالصی آنها است که به دلیل وجود بقایاي مایع تخمیري، بر روي جذب فلزات اثر میگذارد.. گزارشات اخیر در مورد جذب زیستی اورانیوم و سرب توسط پنیسیلیوم، جذب فلزات در مبناي وزنی را بیان میکند و از آنجا که هر دو فلز سنگین هستند، جذب بیش از حد آنها بسیار خوشبینانه است. همچنین، انواع معمول آسپرژیلوس نیز خیلی خوب عمل نمیکنند. توده زیستی قارچی آبسیدیاارکیدیس جذب خوبی از سرب را نشان می دهد. با این حال، این امر هیچ گاه تحقق پیدا نکرده است.
-3 انتخاب فلزات براي جذب زیستی
-1-3 دفع فلزات سنگین سمی
نگاهی کوتاه به جدول تناوبی عناصر نشان میدهد که در بین فلزات سنگین، تنوع بسیار زیاد است. براي محدود کردن اثر فلزات سنگین در محیط و بر سلامتی بشر نیازمند هدفی منطقی هستیم تا ترتیبی از اولویت ها را مشخص کنیم.
