CC BY
37
УДК 628.3
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ОТРАБОТАННОЙ ФИТОМАССЫ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ В ПРОЦЕССЕ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ
© 2016 А.Ю. Копнина, О.Ф. Заводская, Е.Н. Петренко
Самарский государственный технический университет
Статья поступила в редакцию 01.12.2015
В статье представлены результаты экспериментального исследования процесса фиторемедиации с помощью высших водных растений - Урути Мутовчатой и Элодеи Канадской. Экспериментально доказана возможность накопления металлов в массе растения, участвовавшего в процессе фиторемедиации. Проведено исследование отработанной фитомассы, загрязненной ионами рассматриваемых тяжелых металлов, по определению ее компонентного состава, возможности экстрагирования ионов загрязнителей из фитомассы, на примере Урути Мутовчатой и Элодеи Канадской тремя разными экстрагирующими веществами.
Ключевые слова: фитотехнология, фитоочистка, высшие водные растения, уруть мутовчатая, элодея канадская, отработанная фитомасса
Сегодня все большее распространение получают технологии на основе естественных процессов, протекающих в окружающей среды: такие как биотехнологии, фиторемедиация и др. Такие процессы обладают высокой эффективность обезвреживания, не являются деструктивными по отношению к загрязнителям неорганической природы, что позволят после извлекать данные компоненты из биомассы. Но все таки, главным недостатком, использования практических любых биотехнологий является образование большого количества отходов биомассы, имеющей высокую влажность, содержащую токсичные компоненты, что вообще-то не способствует утилизации.
Одним из широко применяемых методов обезвреживания различных загрязнений в водной и воздушной средах, а также в почвах, является фиторемедиация. Высшие водные растения (ВВР) хорошо справляются с корректировкой состава природной воды по содержанию биогенных элементов, в настоящее время появляется много подтверждающих исследований по возможности использования ВВР для извлечения из природных и сточных вод токсичных компонентов - ионов тяжелых металлов, радионуклидов и т.п. [1, 2, 3]. Но одним из основных недостатков фитотехно-логий является образование отхода - фитомассы. Самым распространенным и простым способом решения этой проблемы на данный момент является захоронение фитомассы, что нельзя назвать
Копнина Алина Юрьевна, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химическая технология и промышленная экология». E-mail: alina-kopnina@yandex.ru Заводская Ольга Федоровна, ассистент кафедры «Химическая технология и промышленная экология». E-mail: olgazavodskaya@gmail.com Петренко Елена Николаевна, магистрант кафедры «Химическая технология и промышленная экология». E-mail: SHN.007@mail.ru
примером рационального использования природных ресурсов, поэтому возникает необходимость альтернативного метода утилизации или переработки таких отходов.
Существуют исследования о сорбционной способности высших водных растений, таких как Уруть Мутовчатая и Элодея Канадская, которые рассматриваются авторами как основные объекты экспериментального исследования. Полученные результаты исследовательских работ, проводимых на кафедре «Химическая технология и промышленная экология» Самарского Государственного Технического Университета, позволяют судить о высокой эффективности поглощения этими растениями ионов тяжелых металлов. Однако, эти исследования не дают ответа на вопрос о последующей утилизации растительной массы, возможности извлечения из нее ценных или токсичных компонентов [2, 3].
Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий метод обезвреживания и утилизации необходимо определить возможность накопления/ трансформации металлов в биомассе, а также извлечения из этой биомассы компонента без изменения его структуры.
В процессе изучения механизма накопления и преобразования загрязнителя в массе растения было проведено исследование отработанной фитомассы, загрязненной ионами рассматриваемых тяжелых металлов, по определению ее компонентного состава. Образующаяся в процессе эксперимента масса растений подвергалась лиофильной сушке (с помощью прибора серии УаСо 5.2.), после чего проводилось определение элементарного химического состава высшего водного растения с помощью растрового электронного микроскопа }БОЬ-6390Л для выявления возможности накопления представленных ионов в фитомассе.
Результаты исследования по ионам меди (II) можно увидеть на фото (Рис. 1-4). Как видно из материалов, структура листовой части и Урути, и Элодеи подвергается существенным изменениям после обработки соответствующими растворами: становится более плотной, структурированной, с уменьшением расстояния между слоями (сжимается). Визуально можно увидеть появление более четкой структуры листа.
По данным эксперимента по извлечению ионов меди (II) с исходной концентрацией всех металлов 0,1 мг/л, времени обработки 2 часа и при соотношении массы растения к количеству раствора равной 1/40 были получены положительные результаты, демонстрирующие накопление металлов как в листе, так и в стебле фитофага. Эффективность извлечения растением из растворов ионов меди (II) составила 61%. По анализу содержания металлов в теле макрофита были получены результаты, показывающие, что содержание ионов меди (II) в биомассе увеличилось с 0,17% масс до 1,19% масс.
В ходе этого эксперимента также были рассмотрены данные, полученные для ионов железа (III) и ионов хрома (VI) с концентрацией металлов 0,1 мг/л, времени обработки 2 часа. По всем опытам было зафиксировано увеличение концентрации ионов загрязнителей в составе биомассы. Таким образом, можно сделать вывод, что
|Ц5Н наиыяу . —_у
содержание тяжелых металлов в образцах увеличилось для всех рассмотренных компонентов, что позволяет говорить о возможной аккумуляции загрязнителей в теле растения.
Для того чтобы определить возможность экстракции ценных компонентов из фитомассы (на примере извлечения ^(П)), необходимо было проведение фиторемедиации в статических условиях с получением загрязненной биомассы, которую в дальнейшем подвергали сушке и экстракции. Определение меди (II) в растворе проводилось согласно ГОСТ 4388-72 «Вода питьевая. Методы определения массовой концентрации меди» [4].
Исследование проводилось в статических условиях, при постоянной массе растений равной 2 г и концентрации ионов меди в модельном растворе 0,5мг/л, Т = 20оС, атмосферном давлении, и pH = 6 - 6.5. Были проведены серии опытов для Урути Мутовчатой и Элодеи Канадской. По результатам эксперимента были построены зависимости значения эффективности фитореме-диации ионов меди обоими высшими водными растениями от длительности процесса (см. рис. 5).
График показывает, что в среднем зависимость эффективности от времени обработки имеет вид резковозрастающей функции на промежутке 0-10 минут и убывающей в интервале 10-30 минут, в то время как при больших про-
Рис. 1. Лист Урути до эксперимента
ОД рта
Рис. 2. Лист Урути после эксперимента
л н о о к
м
Ё о
о
80 70 60 50 40 30 20 10 0
Уруть Мутовчатая
■ Элодея Канадская
10 20 30
Время, мин
Рис. 5. Зависимость эффективности фиторемедииации с участием высших водных растений от длительности процесса
межутках времени данная зависимость имеет вид кривой попеременно возрастающей и убывающей [3]. Такое поведение кривой объясняется накоплением тяжелого металла в биомассе, и отравлением организма. Можно сделать вывод о том, что исследованного интервала времени достаточно для проведения фиторемедиации с участием Урути Мутовчатой и Элодеи Канадской, так как достигается высокая эффективность порядка 66,58 % масс. - 72,27 % масс. Таким образом была получена биомасса с предполагаемым количеством загрязнителя.
Вторая часть эксперимента представляла собой экстракцию меди (II) из растения тремя разными экстрагентами с предварительной сушкой фитомассы [2, 5]. Эта часть выполнялась, во-первых, для определения средней влажности фитомассы, во-вторых для подтверждения возможности экстракции и оценки её эффективности в зависимости от экстрагента, в - третьих, составление материального баланса процессов сорбции и экстракции.
Для предотвращения разбавления реагентов и более эффективного воздействия экстрагирующего вещества образцы фитомассы сушились. Так как зеленые части растений после срезания быстро теряют воду, взвешивание проводилось сразу же. Сушка биомассы, участвовавшей в исследовании процесса фиторемедиации при малом времени обработки, проводилась в сушильном шкафу при температуре порядка 800С и времени около 1,5 ч. до постоянной массы. По окончании процесса растения взвешивались на аналитических весах, и рассчитывалась средняя влажность. Для получения более полных сведений об исследуемых процессах, наравне с загрязненной биомассой осуществлялась сушка и чистых образцов. На основании результатов
измерений рассчитывалась средняя влажность растений по серии опытов.
Эксперимент проводился для растений, участвовавших в первой части исследований (процесс фиторемедиации), а также для фитомассы Урути и Элодеи не использованных в экспериментах. Для Урути Мутовчатой после фиторе-медиации среднее массовое содержание влаги составило 76,30% масс., а для Элодеи Канадской - 70,75% масс., а для необработанных растений порядка 96% масс.
Для составления материального баланса процесса утилизации было проведено экспериментальное исследование экстракции ионов меди (II) из Урути Мутовчатой и Элодеи Канадской, использованных в вышеупомянутых опытах. Для выполнения была составлена методика и апробированы три экстрагирующих вещества: деци- и сантинормальный растворы соляной кислоты и раствор гидрокарбоната натрия (3,73 мг Ыа+/л). Выбор данных экстрагирующих веществ был обусловлен найденной в литературе информации о возможном использовании перечисленных веществ [2, 5].
Для наглядности были составлены графические зависимости эффективности экстракции с помощью выбранных реагентов ионов меди (II) из биомассы высших водных растений в зависимости от времени его взаимодействия с модельным раствором (см. рисю 6 и рис. 7).
По диаграмме видно, что при использовании в качестве экстрагирующего вещества децинор-мального раствора соляной кислоты эффективность экстракции наибольшая и составляет порядка 100%. Это значение достигается за счёт извлечения меди, содержащейся в растении от природы, при учёте «фоновой» массы поллютанта в объекте.
0
л н о о к
м
Ё О
О
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
-ИС1 0.1 -№ИС03 ИС1 0.01
5
10
25
30
15 20
Время, мин
Рис. 6 . Графическая зависимость эффективности экстракции от времени обработки Урути Мутовчатой модельным раствором
л н о о к
м О
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
-ИС1 0,1н (уср.) ИС1 0,01н
-КаИСОЗ
5
10
25
30
15 20 Время, мин
Рис. 7. Графическая зависимость эффективности экстракции из биомассы Элодеи Канадской от времени обработки при сорбции
Процесс экстракции с участием Элодеи Канадской проводился аналогично эксперименту, представленному выше. По полученным результатам, были построены зависимости эффективности экстракции от времени обработки для Элодеи Канадской (см. рис. 7).
Из вида графиков можно сделать вывод о том, что эффективнее всего в качестве экстрагирующего вещества ведёт себя децинормальный раствор соляной кислоты, так же, как и в эксперименте с Урутью Мутовчатой. Таким образом, можно сделать вывод, что этот раствор является оптимальным выбором для поставленной цели.
Растения, не участвовавшие в процессе фи-торемедиации, тоже подвергались экстракции выбранными экстрагирующими веществами с целью определения «фонового» содержания меди в биомассе. Их содержание в биомассе Урути Мутовчатой составило 0,02 г при экстрагировании гидрокарбонатом натрия и 0,028 г в присутствии
сантинормального раствора соляной кислоты, для Элодеи Канадской были получены подобные результаты: 0,023 г и 0,028 г соответственно, а также 0,044 г при использовании децинормального раствора соляной кислоты.
Проведя процессы экстракции меди из Урути Мутовчатой и Элодеи Канадской тремя разными экстрагирующими веществами, можно судить о возможности экстрагирования загрязнителей и ценных компонентов из используемой биомассы, что дает возможность обезвреживать получаемый отход фиторемедиации различными способами, например, технологией переработки и утилизации растительной биомассы в метан-тенках с получением биогаза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов А. Е. Прикладная экобиотехнология в 2 т.
Т.2. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний 2012. 485 с.
0
0
0
2. Копнина А.Ю., Петрова А.М., Егорова О.А. Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. Пенза: Апрель, 2013.
3. В сб.: Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии. Томск, 2011.
4. ГОСТ4388-72. Вода питьевая. Методы определения массовой концентрации меди (с Изменением N 1) .
Взамен ГОСТ 4388-48; введ. 1972-01-01. М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2010 5. Пат. 2006476 Российская Федерация, МПК7 С 02 Б 1/42. Способ получения минеральных веществ из морской воды / Миронова Л. И., Хамизов Р.Х.; заявитель и патентообладатель Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского. заявл.22.06.92; опубл. 30.01.94, Бюл. №2
STUDY OPPORTUNITIES EXTRACTION OF VALUABLE COMPONENTS FROM WASTE PHYTOMASS GENERATED IN THE PROCESS OF PHYTOREMEDIATION
© 2016 A.J. Kopnina, O.F. Zavodskaya, E.N. Petrenko
Samara State Technical University
The article presents the results of an experimental study phytoremediation process with higher water plants - myriophyllum verticillatum and Elodie Canadian. Experimentally proved the possibility of accumulation of metals in the mass of the plants involved in the process of phytoremediation. A study of a biomass waste contaminated with heavy metals ions considered, by definition of its component composition, the possibility of extracting ions from a biomass contaminants, as an example myriophyllum verticillatum and Elodie Canadian three different extracting agents.
Keywords: phytotechnology, fitoochistka, higher aquatic plants, myriophyllum verticillatum, Canadian waterweed, Waste phytomass.
Alina Kopnina, Candidate of Chemical Science, Associate Professor at the Chemical Technology and Industrial Ecology Department. E-mail: alina-kopnina@yandex.ru Olga Zavodskaya, Assistant Lecturer at the Chemical Technology and Industrial Ecology Department. E-mail: olgazavodskaya@gmail.com Elena Petrenko, Student at the Chemical Technology and Industrial Ecology Department. E-mail: SHN.007@mail.ru
