Microbial-electrochemical systems for metal recovery

Suanny Mosquera Anaya Juan
Recovering metals from effluents is imperative to decrease the environmental impact and afford potential supply sources. However, microbial treatments can do more than only retrieving metals from solution, but also mediate the production of valuable products for the nanotechnology market. That is really an achievement! Here, research was conducted to promote metal recovery as metallic nanoparticles (NPs) with potential valorization in a green chemistry approach.

Dirty waste converted into nanotechnology luxury. Shewanella oneidensis MR-1 mediate metal recovery as metallic nanoparticles in MES

Herstellende metalen s van effluenten is noodzakelijk om de impact op het milieu te verminderen en om potentiële leveranciers te voorzien. Microbiële behandelingen kunnen echter meer doen dan alleen terugwinnen metalen uit oplossing, maar bemiddelen ook in de productie van waardevolle producten voor de nanotechnologiemarkt. That is echt een prestatie! Hier werd onderzoek uitgevoerd om metaalwinning te bevorderen als metallische nanodeeltjes (NPs) met potentiële valorisatie in een groene chemiebenadering.

Verhuizen naar een groene chemie

Vervuiling van de watervoorraden tijdens de metaalverwerking en de awa reness van metaal eindige reserves te verhogen op de waarschuwing om typische primaire grondstoffen te vervangen door meer duurzame alternatieven. Belangrijk voor Europa, die vooral afhankelijk zijn van metaalinvoer (≈ 80%) en hun verontreinigde locaties (35% veroorzaakt door verontreiniging met zware metalen) hebben de urgentie van de sanering gekatapulteerd. Met het oog op een oplossing symboliseren met metaal beladen afvalstromen mogelijke bronnen voor herstel in overeenstemming met het concept van een circulaire economie.

Ik ndustrial afvalwater en percolatiewater kan de markt waardevolle metalen zoals goud en chroom dragen. Hier kunnen metaalconcentraties relatief laag zijn (van ug.L-1 tot mg.L-1 ) ; derhalve kan fysisch klassieke technieken inefficiënt gebruik / produceren onnodig hoeveelheden van giftige chemicaliën, en zijn energie-intensief. Duurzamere technieken, zoals microbiële mijnbouw, hebben veel aandacht getrokken, omdat het ook waardevolle producten kan opleveren, zoals metalen nanoprecipitaten (NP). Deze NP's zijn de afgelopen jaren opmerkelijke bruikbare materialen geworden voor veel velden, bijvoorbeeld. medische diagnostiek, katalytische toepassing en milieusanering.

Microbiële mijnbouw wordt beschouwd als goedkoop, energiebesparend en milieuvriendelijk. Vooral omdat de bacterie een korte levensduur heeft, is NP-productie relatief snel. Aan de energie-eisen voor metallische reductie kan worden voldaan door oxidoreductasen enzymen die zich bevinden op de bacterie CW; en de amfipathische aard van lipidestructuren verschaft het afsluitmiddel voor stabiliteit van de NP's. Daarom voorkomen de microbiële strategieën afval zonder gebruik te maken van externe gevaarlijke chemicaliën in een waterige omgeving die voldeden aan het concept van groene chemie en opwegen tegen andere traditionele methoden.

Hoe doen bacteriën dat?

Voorgestelde mechanismen die microben kunnen hebben met metaal op de oplossing die tot hun herstel leidt, zijn passieve (sorptie, fysisch-chemische reductie) of actief bacterieel metabolisme door hun dissimilatieve en resistentiemechanismen van aanvankelijk levensvatbare cellen. Ten eerste treedt de reductie van metalen opgevangen door de bacteriële functionele groepen op vanwege hun specifiek microbieel metabolisme. Na reductie beginnen veel verminderde atomen te agglomereren in colloïden vanwege hogere bindingseffecten daartussen dan die van het oplosmiddel. Veel metaalatomen diffunderen bijvoorbeeld naar de kiemplaats, terwijl ze geleidelijk de groeiende kristallen binnengaan als nanoschaal-precipitaten (NP's). NP's kunnen extracellulair, intracellulair of bij de CW worden gevormd en gelokaliseerd, afhankelijk van de locatie van de reductiemiddelen en het metabolisme.

Shewanella oneidensis MR-1 . Een bacterie ontmoette meer dan één mechanisme

In eerste instantie konden actieve bacteriecellen interactie aangaan met metalen door hun dissimilerende ademhaling zoalsde Dissimilatory Metal Reducing-bacterie (DMRB). Shewanella oneidensis MR-1 (figuur 1), archetypische DMRB, kunnen metalen door anaerobe ademhaling verminderen door ac e ll membraan-functionele enzymen. Bovendien is dit mechanisme gemedieerd door elektronendonor met verhoogde tarieven waargenomenwanneer H2 werd verstrekt.

In een recent perspectief kunnen de werkingsmechanismen niet alleen worden toegeschreven aan hun actieve mechanismen, maar eerder aan een gekatalyseerde reductie van metalen. Tot op heden kan deze verschijnselen worden bevestigd tijdens de synthese van AuNPs waarbij H2 aanwezig met gedeactiveerde Shewanella genus was verwaarlozen hun actieve bacteriële metabolisme. Beschouwing dan als am icrobiële passieve fysicochemische reductie en kristallisatie.

Dus hoe de dingen die groener en gecontroleerd voor een productieproces kan zijn?   Hydrogen als hoofdrolspelers

 

Het antwoord zou kunnen zijn in dienst een mi crobieel elektrochemisch systeem (MES). Het klinkt ingewikkeld, maar dat is het niet. Met een vonk van energie, kan een gecontroleerde toevoer van elektronen van de elektrode waterstof (H2) produceren door elektrolyse van water. Zoals uitgelegd, lijkt Bacteria de H2 te waarderen als een elektronendonor voor NPs synthese. H2-productie in situ in een homogene verdeling kan dus de NP's-synthese verbeteren en kan ook het opslagrisico van de explosieve H2-tank in het magazijn voorkomen!

Dan is het gewoon een kwestie van onschuldige bugs, S. oneidensis, in het kathodecompartiment genaamd bio-kathode. S. oneidensis zijn gecategoriseerd als een modelorganisme voor directe en zelf-gemedieerde elektronenoverdracht geïnoculeerd in elektrochemische cellen, voornamelijk in het anodische compartiment en minder in de kathodische cellen. Hier, deze MES het gebruik van biokathode werd getest als proof of concept voor een nieuwe toepassing in metaalherstel .

De strategieën met biokathoden kunnen bio-gekatalyseerde elektrochemische reacties in de kathode en / of stimulatie van de microbiële metabolismes inhouden, hetzij door directe elektronenoverdracht door membraan-enzymen of indirect via redox-mediatoren en / of waterstof. Het werkingsmechanisme dat focust op H2 kan worden waargenomen in Figuur 2. Dergelijke mechanismen met betrekking tot biotische kathoden zouden inderdaad gunstige omstandigheden voor metaalreductie en transformatie van met metaal verdunde effluenten kunnen stimuleren. Bovendien kan het de productie van NP's verbeteren.

Van de theorie tot de praktijk

Deze onderzoeksstudie werd eerst uitgevoerd met synthetische oplossingen van goud en chroom in penicillineflessen onder 7 verschillende factoren die de productie van NP's kunnen beïnvloeden, volgens de literatuur. De toegepaste methodologie was de fractionele factor van DOE voor het snel volgen van de significante factoren. De eerste bevinding van deze masterproef was dat de omstandigheden van hogere pH (5-7) en lage initiële metaalconcentratie (0,2 mM) de hogere metaalverwijdering significant beïnvloeden. Na validatie van de resultaten werd gevonden dat de significante factoren voor beide metalen, gecombineerd met Shewanella oneidensis en H2 als elektrondonor in anoxische omstandigheden, een maximale respons gaven. Daarom werden deze aandoeningen nagebootst in MES en vergeleken met een abiotische controle. De resultaten van dit onderzoek tonen duidelijk   dat MES een hogere verwijdering biedt (91% voor goud en 61 % voor chroom) en in een snellere tijd (<24 uur) met NP's-productie dan abiotische elektrochemische systemen (57 % voor goud en 1 % voor chroom).

Als besluit kan worden dat metalen konden worden teruggewonnen uit metaalhoudende afvalstoffen als nanodeeltjes in een benadering van groene chemie door MES, waardoor twee inzichten van metaalherstel en valorisatie werden verenigd

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Universiteit of Hogeschool
MsC. Environmental Sanitation
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Jeet Varia, Korneel Rabaey
Kernwoorden
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