Технология создания биосорбентов на основе отходов пищевой промышленности - Магистерская работа

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН Диссертация на получение академической степени магистра биотехнологаРабота посвящена изучению возможности использования крупнотоннажного отхода виноделия - выжимок винограда в качестве сырья для получения биосорбентов тяжелых металлов из водных растворов. Методом ИК-спектроскопии проведена визуализация спектра нативной и модифицированной биомассы выжимок винограда, подтверждающая целлюлозосодержащую природу исходной биомассы. Показано, что максимальная эффективность биосорбции ионов меди осуществляется при начальной концентрации последних не превышающих 20 мг/л. Осуществлена иммобилизация биомассы в Са-альгинатный гель, с целью получения твердого биосорбента - технологичного продукта, позволяющего использовать модифицированную биомассу из виноградных выжимок в динамическом режиме в колоночном варианте для ремедиации сточных и поверхностных вод. Сорбционная способность таких биосорбентов позволяет использовать последние в качестве альтернативы традиционным дорогостоящим минеральным и синтетическим ионообменникам и сорбентам, использование которых в ряде технологических процессов экономически не целесообразно.При выборе сорбционных материалов следует руководствоваться такими параметрами как величина сорбции, стоимость, доступность, эффективность, возможность применения вторичных материальных ресурсов, экологическая безопасность утилизации насыщенных сорбентов. Сорбенты на основе неорганических материалов обладают невысокой сорбционной емкостью, гидрофильны, требуют дополнительного модифицирования, вызывают трудности с утилизацией. Практически неограниченные запасы этих материалов, их дешевизна, простая технология получения, экологическая безопасность процессов переработки использованных сорбентов, а также сравнительно высокие адсорбционные, ионообменные и фильтрационные свойства биосорбентов стимулируют исследования, направленные на получение новых адсорбционно-активных материалов из растительного сырья, содержащего в своей основе целлюлозу [90]. Анализ литературных источников показывает, что в последнее время для осуществления ремедиации сточных вод промышленных предприятий все чаще применяются биосорбенты на основе отходов пищевой, сельскохозяйственной и фармацевтической промышленности. Показать возможность применения отходов виноделия для создания на их основе сорбционных материалов и разработать технологию получения биосорбента для извлечения ионов меди из водных растворов.К настоящему времени в литературе накоплен большой объем экспериментального материала по сорбции ионов металлов из водных растворов их солей различными целлюлозосодержащими полимерными материалами, причем в последние годы наблюдается бурный рост исследований, касающихся использования целлюлозных материалов как в нативном состоянии, так и в виде модифицированных продуктов, для удаления ионов тяжелых металлов из водных сред [41,46]. Используемые для сорбции ионов тяжелых металлов целлюлозосодержащие материалы представлены обширным набором растительного сырья - опилками, листьями, корой лиственных и хвойных пород деревьев, шишками, скорлупой орехов, шелухой, семенами, плодами, стеблями различных растений, жмыхами и шротами, свекловичным жомом, кожурой фруктов, соломой, травянистыми и водными растениями, торфом, илом, морскими водорослями, биомассой бактерий, дрожжей; грибов, и др. Для очистки сточных вод от ионов Pb(II) используют сорбенты на основе высушенных и измельченных сосновых иголок, волокон из бамбука и хлопка, пшеничных отрубей. Однако следует заметить, что для более корректного сопоставления представленных в обзоре экспериментальных литературных данных следует указывать условия проведения процесса сорбции, такие как начальные концентрации ионов тяжелых металлов в водных растворах, модуль сорбент / раствор, температура, РН среды, размер частиц сорбента и др. В работе [25] отмечается, что на сорбцию ионов тяжелых металлов биополимерными сорбентами на основе целлюлозы влияют многие факторы, такие как природа сорбента, природа катиона металла, его концентрация в растворе, а также температура и РН водной фазы.Химическая обработка может быть основана на специфической отмывке биомассы (деионизованной водой, метанолом, этанолом , моющими детергентами), поперечной сшивке с использованием формальдегида, глутарового альдегида, проведении щелочного или кислотного гидролиза с целью изменения поверхности и возможности доступа к функциональным группам, ответственных за биосорбцию [49]. Например, в работе [52] исследователи показали, что клетки дрожжей, подвергнутые экстремальным условиям (физическая или химическая обработка) могут проявлять совершенно другие биосорбционные свойства по отношению к ионам тяжелых металлов. На рисунке 1.2. приведена ставшая уже классической схема превращения биомассы в коммерческий продукт - биосорбент [49].

Содержание

Введение

Глава I. Обзор литературы

1.1 Использование полисахаридных биосорбентов для извлечения ионов тяжелых металлов из водных растворов

1.2 Влияние химической предобработки биомассы на эффективность биосорбции

1.3 Инструментально-техническое и математическое обеспечение исследования биосорбционных процессов

Заключение по литературному обзору

Глава II. Материалы и методы исследования

2.1 Материалы

2.1.1 Биомасса

2.1.2 Реактивы и растворы

2.2 Приборы и оборудование

2.3 Методика эксперимента

2.3.1 Расчет параметров биосорбционного процесса на основании уравнения Фрейндлиха

2.3.2 Расчет параметров биосорбционного процесса на основании уравнения Ленгмюра

2.4 Методы математической и статистической обработки полученных результатов

Глава III. Полученные результаты и их обсуждение

3.1 Исследование физикохимических характеристик биомассы из выжимок винограда

3.1.1 Химический состав винограда

3.1.2 Характеристика основных компонентов, входящих в состав полисахаридных материалов

3.1.3 Исследование структуры биомассы из выжимок винограда физическими методами

3.1.3.1 ИК-спектроскопия

3.1.3.2 Потенциометрическое титрование

3.2 Изучение биосорбционного потенциала биомассы из виноградных выжимок и факторов на него влияющих

3.2.1 Изотермы адсорбции ионов Cu(II) нативной биомассой из виноградных выжимок

3.2.2 Влияние начальной концентрации ионов Cu 2 на биосорбцию

3.2.3 Влияние РН

3.3 Модификация целлюлозосодержащих биосорбентов

3.3.1 Анализ известных способов модифицирования целлюлозосодержащих материалов

3.3.2 Химические способы модифицирования

3.3.2.1 Модифицирование раствором NAOH

3.3.2.2 Модифицирование гидрофильными азотсодержащими полимерами

Глава IV. Создание твердого биосорбента на основе биомассы из виноградных выжимок

4.1 Основные понятия и терминология

4.2 Иммобилизация биомассы из виноградных выжимок на твердых носителях

4.3 Сорбция ионов Cu 2 в динамическом режиме с использованием твердых биосорбентов

Заключение

Выводы

Литература