Гибридная технология очистки окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт недропользования ИРНИТУ

Гибридная технология очистки компонентов окружающей среды

Hybrid technology for the purification of environmental components

Научный руководитель: Тимофеева С.С.

доктор технических наук, профессор

Гудилова О.С. Магистрант 2 курса

Введение

Растительно-микробные топливные элементы (РМТЭ) - это новая технология, которая позволяет генерировать электроэнергию с использованием комплекса растений и микроорганизмов. Важно отметить, что данная система не влияет на рост растений и не приносит вреда окружающей среде. Растительно-микробные топливные элементы (РМТЭ) являются новыми производными устройствами микробных топливных элементов (МТЭ). Органические вещества поставляются корневыми системами растений.

Далее они потребляются микроорганизмами, находящимися в анодном слое конструкции и происходит выработка электроэнергии.

Растительно-микробные топливные элементы могут служить компонентами систем очистки сточных вод в пищевой промышленности, применяться для очистки рыбохозяйственных водоемов; для частичной переработки органических твёрдых бытовых отходов (ТБО), в том числе агропромышленного комплекса и индивидуальных хозяйств.

Результаты

Микробные топливные элементы (МТЭ) производят электрическую энергию за счет деградации субстратов (загрязнителей) живыми микроорганизмами [1]. В дополнение к выработке электроэнергии МТЭ могут использоваться для выполнения конкретных задач, таких как обработка сточных вод и мониторинг загрязняющих веществ [2,3].

Растительно-микробные топливные элементы (РМТЭ) являются новыми производными устройствами МТЭ. Органические субстраты в основном поставляются корневыми отложениями водных растений в РМТЭ, и они деградируют, используя бактерии на поверхности анода для выработки электроэнергии.

Почвы, взаимодействующие со сточными водами аккумулируют в себе тяжелые металлы, как Cr, Zn, Pb, Cd и Ni. Когда способность почвы удерживать тяжелые металлы снижается, тяжелые металлы вымываются в грунтовые воды или в почвенный раствор, где их поглощают растения. Решение проблемы загрязнения почв возможно за счёт использования растений-гиппераккумуляторов, накапливающих до 5 % поллютантов от массы своих тканей. Такими растениями могут быть: овёс (количество накопленной меди 185 мкг/г, цинка 125 мг/г, свинца 1,4 - мг/г); клевер (количество накопленной меди 180 мкг/г, цинка 42 мг/г свинца 3,6 мг/г); горчица (количество накопленной меди 190 мкг/г, цинка 100 мг/г,), а также прочие крестоцветные и злаковые растения [4]. Поэтому растительно-микробные топливные элементы могут принимать участие в процессах очистки почв и сточных в от загрязнителей. Также растения, используемые в РМТЭ могут накапливать в себе пестициды, гербициды, органические растворители, тяжёлые металлы, радионуклиды и прочие поллютанты.

В поглощении и транспорте тяжелых металлов в растения можно выделить следующие этапы:

1) накопление ионов в свободном пространстве корня;

2) преодоление ионами мембранного барьера и их проникновение в симпласт;

3) радиальное передвижение ионов по тканям корня и сосудистым проводящим пучкам.

Первый этап поглощения тяжелых металлов корневой системой осуществляется посредством физико-химической адсорбции, а также за счет неметаболического связывания ионов металлов активными участками клеточной стенки. Последующие этапы поглощения металлов связаны с затратой энергии с участием ионных каналов и белков-переносчиков. Помимо симпластного пути ионы тяжелых металлов могут передвигаться и по апопласту до поясков Каспари (рис. 1).

Рис. 1. Поступление тяжелых металлов в растения корневым путем [5]

растительный микробный очистка

Способность растений поглощать тяжелые металлы из почвы характеризуется коэффициентом биологического поглощения (КБП), представляющим собой отношение содержания металла в растении к его содержанию в почве. Например, КБП свинца для многих растений (овес, кукуруза, горох и т. д.) составляет 0,001 - 0,005, а КБП кадмия для этих же культур - 0,01 - 0,5. Отсюда следует, что одни и те же виды растений поглощают значительно больше кадмия, чем свинца [1].

Конструирование макетов РМТЭ. Разработка растительно-микробных топливных элементов.

РМТЭ представляет собой взятый из природы материал и помещенный в лабораторные условия. Состоит из гравия, угля и растений, произрастающих на поверхности. Вещества, вырабатываемые корнями растений, редуцируются микроорганизмами ризосферы, генерируя электрический ток (рис. 2).

Анодным составляющим служит угольная крошка и анодный электрод. Электродами в данной конструкции служила углеродная ткань.

Рис. 2. РМТЭ (1 - растительная масса; 2- гравий; 3 - уголь; 4 - катод;5-анодный электрод, угольная крошка)

РМТЭ стационарного типа с системой периодического культивирования сконструирован на основе гидропоники. Гидропоника - это способ выращивания растений на искусственных средах без почвы. Конструкция состоит из следующих элементов (рис. 3):

1. Изолирующий слой гравия - служит для разделения катодного и анодного слоев;

2. Растения - используются злаковые культуры;

3. Анодный и катодный отсеки обычно представлены слоем угля, или углеродного материала. На аноде в анаэробных условиях располагаются микроорганизмы и корни растений. Катод расположен на поверхности системы;

4. Электроды представлены углеродным материалом, изготовленным путем термической обработки органических волокон.

Рис. 3. РМТЭ стационарного типа с системой периодического культивирования (1 - изолирующий слой гравия; 2 - растения; 3 - катодный электрод; 4 - анодный электрод; 5 - слой угля)

Список литературы

1. Schrцder U. From Wastewater to Hydrogen: Biorefineries Based on Microbial Fuel?Cell Technology / U. Schrцder // ChemSusChem. - 2008. - №1. - Р. 281-282.

2. Improvement of a microbial fuel cell performance as a BOD sensor using respiratory inhibitors / I. S. Chang [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. - 2005. - V. 20, № 9. - P. 1856-1859.

3. A dynamic periplasmic electron transfer network enables respiratory ?exibility beyond a thermodynamic regulatory regime / G. Sturm [et al.] // ISME J. - 2015. - V. 9. - P. 1802-1811.

4. Zhang Y. An Overview of Electron Acceptors in Microbial Fuel Cells / Y. Zhang, I. Angelidaki //All content following this page was uploaded by Yifeng Zhang on 30 March 2017 - DOI: 10.3389/fmicb.2017.00643.

5. Титов А. Ф. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам: учебное пособие: А. Ф. Титов, В. В. Таланова, Н. М. Казнина. - Петрозаводск: Институт биологии КарНЦ РАН, Карельский научный центр РАН, 2011. - 77 с.

Размещено на Allbest.ru