DK168533B1

DK168533B1 - Ikke-levende biomassereaktionsprodukt med evne til optagelse af metalkationer fra vandige opløsninger, fremgangsmåde til fremstilling deraf samt dets anvendelse

Info

Publication number: DK168533B1
Application number: DK462085A
Authority: DK
Inventors: James A Brierley; Corale L Brierley; Raymond F Decker; Gerge M Goyak
Original assignee: Advanced Mineral Tech
Priority date: 1984-10-17
Filing date: 1985-10-09
Publication date: 1994-04-18
Also published as: GB2168076A; DE3576680D1; JPS61158796A; EP0181497A1; AU583542B2; AU4882985A; GB8525110D0; JPH06189778A; EP0181497B1; DK462085D0; JPH0759197B2; CA1261709A; GB2168076B; DK462085A

Description

DK 168533 B1 i

Den foreliggende opfindelse angår et ikke-levende biomassere-aktionsprodukt med evne til optagelse a£ metalkationer fra vandige opløsninger, en fremgangsmåde til fremstilling deraf samt produktets anvendelse.

5 Spildevand fra mange industrielle processer, såsom metaloverfladebehandling, der indeholder forskellige metalioner, hvoraf nogle er toksiske og nogle er værdifulde, frembringes i store mængder. Disse væsker kan ikke udledes i vandløb eller kloakker uden at forårsage miljøskade. En sådan udledning ville endvi-10 dere i mange tilfælde indebære en overtrædelse af strenge miljøregler. Der kraves behandling af sådant vand til fjernelse af metalionerne. Eksisterende fremgangsmåder til behandling af sådant spildevand lider af mange ulemper, hvortil hører store udgifter, produktion af metalholdigt slam, der er vanskeligt 15 at behandle med henblik på metaludvinding og derfor udtømmes i landopfyldninger, kompleks teknik etc. Anvendelsen af kaustisk udfældning, sulfidudfældning, elektrolyse, fordampning, omvendt osmose, ionbytning etc. er alle kendte og lider af en eller flere ulemper i henseende til energibehov, begrænset 20 anvendelighed, lav absorptionsevne, krav til nøjagtig styring etc.

Forsøg på anvendelse af biomasse af levende mikrober til metaludvinding er omtalt i US-patentskri fterne nr. 4.407.954 og nr. 4.293.333. T.J. Beveridge et al. har omtalt, at cellevægge af 25 B. subtilis vil optage metaller fra opløsning (jf. artiklen "The interaction of metals in aqueous solution with bacterial cell walls from Bacillus subtilis", Metal-Organic Relations, kapital 79, side 975 - 987) . Levende mikrober skal imidlertid dyrkes, hvilket er en kostbar og kapital intensiv proces, og de 2 DK 168533 B1 udsættes for kontaminering med andre mikrober samt inhibering ved høje metal koncentrat i oner eller ekstreme pH-værdier og andre toksiske komponenter i spiIdevandstrømme. De udsættes også for forrådnelse. US-patentskrifterne nr. 4.293.334 og 5 4.320.093 omhandler anvendelse af ikke-levende biomasse hidrø rende fra mikrober, men disse processer udviser begrænset me-talsorption eller optagelsesevne. DE-A-2.404.562 omhandler en adsorbant omfattende varmebehandlede mikrobielle celler, der er i stand til selektivt at absorbere tungmetaller fra spilde-10 vand. I forhold hertil opnår man ved brug af det ikke-levende biomassereaktionsprodukt ifølge den foreliggende opfindelse, at man undgår anvendelsen af varmebehandling, hvilket indebærer en væsentlig fordel i økonomisk henseende.

Det ikke-levende biomassereaktionsprodukt ifølge opfindelsen 15 med evne til optagelse af metalioner fra vandige opløsninger er ejendommeligt ved, at det omfatter en mikroorganisme med en cellevægsstruktur, som er blevet behandlet med kaustisk alkaliopløsning, hvorved dets metaloptagelsesegenskaber er blevet forbedret.

20 Sorptionen eller metaloptagelsesevnen for metalioner forbedres voldsomt ved behandling af mikroorganismen med en kaustisk opløsning, der omdanner den til et i det væsentlige fast biomassereaktionsprodukt. Udtrykket "fast" indbefatter også et reaktionsprodukt med porøs struktur.

25 Udtrykket "kaustisk" skal dække alkaliske opløsninger med en relativt høj egentlig pH-værdi, f.eks. over 9, fortrinsvis over 10 eller 11, forud for omsætning med mikroorganismen, idet den alkaliske opløsning er en opløsning, som ved omsæt- 3 DK 168533 B1 ning med en udvalgt mikroorganisme producerer et relativt fast biomassereaktionsprodukt med forbedret metal optagel sesevne sammenlignet med mikroorganismens metal optage 1 sesegenskaber forud for den kaustiske behandling. Udtrykket kaustisk er i 5 Websters Collegiate Dictionary defineret som i stand til at nedbryde eller bortæde ved kemisk omsætning, således som den finder sted ved kaustisk behandling af mikroorganismer ifølge opfindelsen.

Udtrykket "sorption" anvendes i bred forstand til at indbefat-10 te alle former for metaloptagelse, hvad enten den sker ved adsorption, absorption, ionisk binding eller andre former for metal optagelse.

Fremgangsmåden til fremstilling af det ikke-levende biomassereaktionsprodukt ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at en 15 mikroorganisme med en cellevægsstruktur og evnen til optagelse af metalkationer fra vandige opløsninger behandles med kaustisk alkaliopløsning ved en pH-værdi over 9, og at den behandlede mikroorganisme udvindes og tørres til dannelse af et relativt fast, stabilt biomassereaktionsprodukt med forbedrede 20 metaloptagelsesegenskaber sammenlignet med den ubehandlede mikroorganisme. Mikroorganismerne er valgt blandt de mikroorganismer, der har cellevægsstruktur (f.eks. Bacillus subtilis) , som ved omsætning med en kaustisk opløsning danner et i det væsentlige fast biomassereaktionsprodukt med forbedrede 25 metaloptagelsesegenskaber. Det "kausticerede" biomasse- eller reaktionsprodukt med den forbedrede optagelsesevne er en smule alkalisk, når det dispergeres i vand.

En foretrukken kaustisk opløsning er en opløsning valgt blandt opløsninger af NaOH og KOH.

4 DK 168533 B1

Som anført kan den kaustiske behandling udføres ved temperaturer indtil kogning og fortrinsvis i et temperaturinterval fra ca. 50°C til ca. 100°C.

Fremgangsmåden er anvendelig til et relativt bredt interval af 5 mikroorganismer, forudsat at de er karakteriseret ved cellevægsstrukturer. Fremgangsmåden kan således anvendes til celler af baciller, såsom grampositive bakterier (f.eks. B. subtilis) og gramnegative bakterier (f.eks. E. coli). Eksempler på mikroorganismer er bakterier, gær, svampe og alger, når blot mi-10 kroorgan ismer er karakteriseret ved en cellevægsstruktur og er selektiv til optagelse af metalioner, og den ved behandling med en kaustisk opløsning producerer et relativt fast, stabilt biomassereaktionsprodukt med betydelig forøget meta1 optage 1 sesevne for metalioner sammenlignet med optag 1 sesevnen før be-15 handling.

En særlig fordel ved opfindelsen er, at et mikroorganismeafledt biomassereaktionsprodukt i form af et fast, stabilt partikelformet materiale kan anvendes som et fluidiseret lag i en vandig opløsning indeholdende metalkationer, idet opløsningen 20 i modstrøm strømmer gennem laget. Når partiklerne i laget bliver fyldt, segregerer de til'en nedre del af laget, hvorfra de kan fjernes til den efterfølgende udvinding af metal derfra.

Til fremstilling af det faste biomassereaktionsprodukt fore-25 trækkes opløsninger af NaOH og KOH med koncentrationer gående fra ca. 0,25 molær til 1,25 molær. Mikroorganismen, f.eks. Bacillus subtilis, behandles med den kaustiske opløsning ved 5 DK 168533 B1 temperaturer gående op til kogning, fortrinsvis over omgivelsernes temperatur, f.eks. fra ca. 50°C til 100°C, til dannelse af biomassereaktionsproduktet, som derpå vaskes til fjernelse af overskud af alkalisk opløsning og derpå tørres. Den behand-5 lede tørrede biomasse kan foreligge i form af hårde, formalelige legemer, såsom plader. Biomassereaktionsproduktet i partikelform er en smule alkalisk og kan i en kolonne anvendes til kontakt med den metalholdige vandige strøm.

Endelig angår opfindelsen anvendelse a£ et biomassereaktions-10 produkt ifølge ethvert af kravene 1-7 eller et ved fremgangsmåden ifølge ethvert af kravene 8-13 fremstillet biomas sereakt ionsprodukt til fjernelse af metalkationer fra opløsning.

Når den metalholdige vandige strøm bringes i kontakt med den 3.5 behandlede biomasse, finder hurtig metaloptagelse sted. Når f.eks. det faste biomassereaktionsprodukt i partikelformet tilstand suspenderes i den vandige strøm, og biomassepartiklerne bliver fyldt med metal, sedimenterer de fyldte partikler som følge af vægtstigningen hurtigt og kan skilles fra den 20 vandige strøm ved hjælp af konventionelle midler, og deres metalværdi udvindes let.

ProcesspiIdevand, der er behandlet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, kan indeholde meget varierende mængder af et tungmetal, f.eks. fra ca. 20 mg eller mindre til ca. 2.000 mg 25 eller mere pr. liter. For at kunne behandles ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen skal metallet foreligge i kat ionform. Anioniske komplekse ioner, såsom cyanid-metalkomplekser, kan ved hjælp af kendte metoder dekomponeres forud for behandling.

DK 168533 Bl 6

Almindelige anioner, såsom sulfater, chlorider, nitrater, phosphater, carbonater etc., kan være til stede uden at gøre fortræd, og opløsninger kan med held behandles over pH-inter-vallet fra ca. 2 til ca. 11, f.eks. fra ca. 3 til ca. 11, fortrinsvis fra ca. 4 til ca. 8, f.eks. fra ca. 4 til ca. 6. 5

Tungmetallet vil sædvanligvis have et atomtal, der er større end 20, selv om aluminium med atomtallet 13 kan udvindes fra vandige opløsninger.

Det faste biomasseprodukt hidrørende fra B. subtilis celler 10 anvendes i den kaustisk behandlede tilstand, eftersom større optagelsesevne for metalkationer reulterer deraf. Som anført i det foregående foretages behandlingen fortrinsvis ved opvarmning af cellebiomassen til 50°C - 100 °C eller til kogning i 1 til 15 minutter med en opløsning, som fortrinsvis indehol-15 der fra ca. 0,25 molær til ca. 1,25 molær NaOH-koncentration. Κ0Η i ækvivalente mængder kan anvendes. NH^OH kan anvendes, men er ikke så effektivt. Ethvert overskud af natrium- eller kaliumhydroxid fjernes ved hjælp af vaskning med vand. Celle-biomassen kan hydroxyleres og/eller "renses" ved fjernelse af lipider og andet organisk materiale, som maskerer aktive steder, ved hjælp af den kaustiske behandling. I hvert tilfælde er metal optagel se ved hjælp af den kausticerede biomasse hurtig, idet den behandlede biomasse udviser høj metaloptagelsesevne. Behandling med base ved forhøjede temperaturer, f.eks. 25 kogetemperaturer, nedbryder autolytiske enzymer (enzymer, som organismerne har, og som forårsager forrådnelse). Biomasse, der er behandlet med varm eller kogende natriumhydroxidopløsning til dræbning af cellerne og inaktivering af potentielt forrådningsforårsagende materiale, kan afvandes og tørres før anvendelse. Centrifugering, filtrering etc. kan anvendes til afvand i ng. Når tørring udføres i flade pander, produceres en fast, hård, stenlignende plade, der minder om skifer. Dette i hårde materiale kan knuses, formales og størrelsesinddeles til anvendelse i en metalekstraktionkolonne. Når tørring udføres 35 på en måde til produktion af biomassereaktionsproduktet i pulverform, kan pulveret agglomereres til anvendelse i en metal ekstrakt i onkolonne.

7 DK 168533 B1

Standardenheder til vandbehandling kan anvendes. F.eks. kan procesudstyr omfattende en blandeenhed til kontakt mellem cel-1ebiomasseprodukt og metalholdig væske efterfølges af en sedimentationsenhed til fjernelse af metalholdige partikler fra suspensionen sammen med eventuel afsluttende filtrering. Denne 5 egenskab ved den partikelformede biomasse letter separation fra den behandlede væske. En polymermembranenhed til ultrafiltrering af kontinuerlig type eller portionstype kan benyttes til blanding, sorption og filtrering. Andre metoder til frembringelse af kontakt mellem metalholdige væsker og fast base- 10 behandlet biomasse indbefatter f.eks. kontakt mellem opløsningen og den behandlede biomasse, som er immobi1iseret i en matrix, såsom en gel, eller med en granular biomasse indeholdt i en søjlekonf i guration, der betjenes som et pakket eller flui- diceret lag. Under metalakkumulation i basebehandlet biomasse 15 stiger pH-vsrdien endog selv om tilbageværende base udvaskes af den behandlede biomasse. Det antages, at pulverformet basebehandlet biomasse ved ækvilibrium har større endelig metalfyldningsevne end groft granuleret basebehandlet biomasse, idet dette skyldes det pulverformede produkts forøgede over- 20 fladeareal. Det viser sig imidlertid, at den basebehandlede biomasse kan metalmættes mere effektivt end pulverformet biomassereaktionsprodukt, hvis den tørres, formales, størrelsesinddeles, f.eks. til 0,25-0,5 mm og derpå bringes i kontakt med en kontinuerlig strøm af metalopløsning med en given kon- 2 5 centration i et pakket kontakt-apparat eller et kontaktapparat med fluidiseret lag. Pakkede systemer eller systemer med flui-di seret lag indeholdende et mirkoorganismeafledt granuleret biomassereaktionsprodukt vil således udvise forøget metalfyld-ningsevne sammenlignet med konventionelle blande/sedimente-ringssystemer, der anvender pulverformet biomasse.

Metallet kan udvindes fra den fyldte biomasse på et antal måder. F.eks. kan kobber, sølv og guld skilles fra afvandet, fyldt biomasse ved kontakt med jern. Den indledningsvise kon- 3 5 takt kan være meget ringe, f.eks. en rift eller rids i en "tef-lon"-belagt stålpande, til initiering af separation af metal fra biomassen, og når først separation er initieret, fortsæt- 8 DK 168533 B1 ter den til dannelse af viftelignende metal figurer, der udstråler fra kontaktbegyndelsespunktet, til frembringelse af dendritisk udseende krystaller af nssten rent metal. Spor af jern findes nær ved det indledningsvise kontaktpunkt. Høj udvinding af (metalbelægning) opnåes. Udfældning af (metalbelæg- 5 mng) viser sig at fortsætte på atom-for-atom basis, ved lav temperatur, f.eks. 80°C. Denne iagttagelse vidner om, at den iagttage separation foregår ved hjælp af galvanisk virkning og vidner således om, at opfindelsen har særlig værdi til ekstraktion fra opløste metaller, som ligger under jern i spæn- 10 dingsrækken, nemlig kadmium, kobalt, nikkel, tin, bly, antimon, arsen, vismut, kobber, kvivsølv, sølv, pal-ladium, platin og guld. Andre tungmetalioner kan ekstraheres.

Metal kan også udvindes pyrolytisk fra det fyldte, afvandede 15 biomassereaktionsprodukt ved hjælp af forbrænding i fluidise-ret lag eller andre forbrændingsmidler, der anvender biomassen som brændsel. Et eksempel vil nu blive givet.

EKSEMPEL 1 20

Dette eksempel viser, at metal akkumulation i basebehandlet biomasse, der er opnået som et biomassereakt ionsprodukt fra B.

subtil is, forøges meget sammenlignet med den akkulution, der opnåes med ubehandlet B. subti1 is-biomasse. Metalakkumulation 25 forøges også, når den behandlede biomasse tørres til et hårdt, fast legeme, der formales og størreisesinddeles, og biomassereaktionsproduktet i partikel i modstrøm bringes i kontakt med en kontinuert strøm af metalopløsning i en pakket eller fluidi- seret sorptionskolonne. Resultater opnået ved behandling af 3 0 fortyndede sølv- og kobberopløsninger med basebehandlet biomasse, som er produceret efter kogning med 0,75M NaOH, og som derpå blev tørret og formalet til 0,25 mm er vist i den følgende tabel 1: 35 9 TABEL 1 DK 168533 B1

Forsøg Behandling Metal Indledningsvis Sorption (mg metalkoncentra- metal/g bio- tion(mg/liter) masse, tørvægt 5 1 Ingen Ag + 94,4 11,4

2 Kogt, 0,75M

NaOH Ag+ 101,0 54,8

3 Kogt, 0,75M

10

NaOH, tørret, størrelses-i nddelt, 0,25 mm Ag+ 110,0 86,7 4 Ingen Cu2+ 91,6 9,2 15

5 Kogt, o,75 M

NaOH Cu2+ 97,4 35,1

6 Kogt, 0,7 5M

NaOH, tørret, størrelses- 20 i nddelt, 0,25 mm Cu2 + 97,1 79,2

Bemærk: Forsøg 1 til 6 blev udført portionsvis i en reaktor til færdig blanding.

25

Et antal andre mikroorganismer, såsom Aspergillus flavus og

Saccharomyces uvarum, blev givet i det væsentlige den samme basebehandling som beskrevet for Bacillus subtilis i tabel 1.

De afprøvede NaOH-behand1ede mikroorganismer blev undersøgt 30 for metal optagel se og viste sig med hensyn til visse metalioner at tilvejebringe forbedret effektivitet til udvinding af metalioner fra opløsning, men viste sig i nogle tilfælde ikke at være lige så effektive som den NaOH-behand 1 ede Bacillus subtilis. Eksempler på sådanne mikroorganismer er anført i den 3 5 efterfølgende tabel 2.

TABEL 2 10 DK 168533 B1

Mikroorganismer undersøgt for metal optagel se.

Bakterier: Escherichia coli 5

Micrococcus luteus Pseudomonas aeruginosa Thiobacillus ferrooxidans TH3, jernoxiderende fakultative, termofile Zoogloea ramigera 10

Svampe: Aspergillus flavus

Cladosporium sp.

Neurospora crassa

Rhizopus stolonifer Gær: Saccharomyces uvarum 15

Alger: Chlorella pyrenoidosa

Ulothrix sp.

Yderligere forsøg med mikroorganismer har vist, at visse mikroorganismer havde tendens til at være mere selektive overfor 20 udvindingen af visse metalioner end andre. F.eks. kunne en udvalgt mikroorganisme være overlegen i henseende til metaloptagelsesevne overfor en bestemt metalion, sammenlignet med B.

subtilis, medens den er mindre effektiv sammen1ignet med B.

subtilis overfor en anden metalion.

25

Ved udøvelse af opfindelsen er den udvalgte mikroorganisme således den mikroorganisme, der tilvejebringer forøget metaloptagelsesevne overfor den pågældende metalion af interesse, efter behandling af mikroorganismen med base. Ved behandling 3 0 af en opløsning indeholdende metalioner A og B, hvor metalionen af interesse er B, ville den valgte mikrorganisme således være en mikroorganisme, som er særlig selektiv til optagelse af B. Det tilbageværende metal A kan derpå fjernes ved hjælp af et biomassereakt i onsprodukt produceret fra en anden mi-

O O

kroorganisme, der er mere selektiv med hensyn til A, selvom noget A kan være blevet optaget ved hjælp af det første biomassereaktionsprodukt.

11 DK 168533 B1

Sammenligningsforsøg blev udført med en række mikroorganismer valgt blandt den ovennævnte gruppe omfattende bakterier, gærarter, trådformede svampe og alger. Ved udførelsen af sammenligningen blev Bacillus subtilis benyttet som standard. Resultaterne viste, at visse af mikroorganismerne havde tendens til 5 at være mere selektive med hensyn til udvindingen af en bestemt metalion end andre. Til belysning af denne selektivitet føres det følgende eksempel.

EKSEMPEL 2 10

Forskellige mikroorganismer blev dyrket og forberedt til sammenligning af deres respektive evne til metal akkumulation fra opløsninger indeholdende bly som Pb (^3)2 og sølv som AgN03·

Mikroorganismerne blev afprøvet i ubehandlet tilstand og i ba-15 sebehandlet tilstand.

Biomasse, der ikke var kaustisk behandlet, blev høstet fra vækstmedium under anvendelse af centrifugering. Cellepastaen blev vasket med vand til fjernelse af komponenter fra tilbage- 20 værende medium, og den vaskede cellepasta blev ovntørret og formalet til opnåelse af 0,25 mm partikler. Basebehandlet biomasse blev fremstillet ved blanding af cellepasta med 3%

NaOH, fjernelse af tilbageværende base, vaskning af pastaen, ovntørring af pastaen til opnåelse af et hårdt, skifer 1ignende 2 5 materiale, formaling og størrelsesinddeling af materialet til 0,25 mm.

Ovntemperaturen lå i nærheden af ca. 80eC - l00ec.

30

Et halvt gram af hvert fremstillede biomassegranulat 0,25 mm størrelse) blev sat til 990 ml af en opløsning indehoIdende tilnærmelsesvis 100 mg metal/liter, og der blev rystet i 24 timer ved 150 omdrejninger pr. minut og ved 30°C. Kornenes metalfyldning blev beregnet ved bestemmelse af den indlednings-35 vise metal koncentration og den endelige metalkoncentration i prøveopløsningen. Forskellige betingelser blev benyttet ved udførelse af forsøget. Biomassen var enten ikke behandlet med 12 DK 168533 B1

NaOH eller behandlet ved anvendelse af 3% NaOH. Til bestemmelse af virkningen af pH på metalakkumulation blev et forsøg udført til blyakkumulation under anvendelse af en pH-indstillet opløsning, så at de NaOH-behandlede korn havde en forsøgs-pH- værdi nær ved pH-værdien for de ubehandlede korn. Resultaterne 5 er sammenfattet i tabel 3.

10 15 20 25 30 35 TABEL 3 13 DK 168533 B1

Sammen 1 igningsværdi er for sølv- og blyakkumulation i behandlede og ubehandlede granulerede mikroorganismer 5

Mikroorganisme Behand- Metal Koncen- pH Metal- Sammen- ling tration akku- lignings- (mg/1) mula- metalakku- tion mulation* (mg/g) 10

Bakterier:

Bacillus Ingen Ag 94 5,6 45 1 subtilis NaOH Ag 99 9,6 65 1

Ingen Pb 100 5,3 74 1 15 NaOH Pb 95 9,7 174 1

NaOH Pb 97 6,5 170 1

Escherichia Ingen Ag 95 5,5 54 1,2 coli NaOH Ag 93 10,5 106 1,6 20

Ingen Pb 100 5,5 60 0,8

NaOH Pb 91 10,7 174 1,0

NaOH Pb 101 6,3 180 1,1

Pseudomonas Ingen Ag 89 5,4 36 0,8 aeruginosa NaOH Ag 90 8,5 43 0,7

Ingen Pb 87 5,3 60 0,8

NaOH Pb 90 9,5 142 0,8

NaOH Pb 101 5,9 176 1,0 30 Gær:

Saccharomyces Ingen Ag 100 6,1 41 0,9 uvarium NaOH Ag 91 6,7 18 0,3

Ingen Pb 100 5,6 86 1,2

NaOH Pb 97 4,5 109 0,6

Trådformede svampe:

Neurospora Ingen Ag 93 6,1 26 0,6 35 14 ' DK 168533 B1 crassa NaOH Ag 96 9,1 87 1,3

Ingen Pb 81 4,9 75 1,0

NaOH Pb 80 9,2 151 0,9

NaOH Pb 101 4,7 108 0,6 5

Rhizopus Ingen Ag 93 5,1 51 1,1 arrhizus NaOH Ag 84 8,3 101 1,6

Ingen Pb 95 4,2 118 1,6

NaOH Pb 92 8,6 171 1,0 10

Aspergillus Ingen Ag 94 5,5 24 0,5 flavus NaOH Ag 94 8,3 94 1,4

Ingen Pb 86 4,7 34 0,5

NaOH Pb 96 6,6 179 1,1 15

Alger:

Chlorella Ingen Ag 95 6,9 55 1,2 vulgaris NaOH Ag 96 8,4 115 1,8

Ingen Pb 95 5,9 165 2,2

NaOh Pb 95 8,7 178 1,0 20

NaOH Pb 97 5,8 188 1,1

Chlorella Ingen Ag 95 6,4 38 0,8 pyreniodosa NaOH Ag 99 9,0 103 1,6

Ingen Pb 95 4,8 69 0,9 2 5

NaOH Pb 102 9,2 175 1,0

NaOH Pb 101 4,9 143 0,8 mg akkumuleret metal/g forsøgsmikrobe * sammenlignings-metalakkumulation = _ mg akkumuleret metal/g B. s u b t i 1 i s Λ_ NaOH-behandli ngen forøgede akkumulation af sølv og bly for 35 hver afprøvet mikrobe med undtagelse af gæren Saccharomyces uvarum, som var selektiv med hensyn til bly.

15 DK 168533 B1

Den forøgede blyakkumu1 at ion var ikke udelukkende en virkning af høj pH-værdi. Forsøgene med pH-indsti11ing under anvendelse af NaOH-kornene viste lignende optagelse uanset pH-værdi (ca. 9 sammenlignet med ca. 6).

5

Sammenligning af de afprøvede mikrober med B. subtilis viste, at de fleste af mikroberne udviste forøget metaloptagelsesevne, når de var behandlet med base. Mange af de afprøvede mikrober viste højere metaloptagelsesevne end B. subtilis. Andre mikroorganismer, såsom Ps. aeruginosa, S. uvarum og A.

10 flavus, var ikke så effektive, men viste ikke desto mindre forbedring med hensyn til visse metalioner, når de var behandlet med base. Imidlertid foretrækkes B. subtilis, eftersom det deraf producerede biomassereaktionsprodukt er lettere at håndtere, når det anvendes til udvinding af metalioner fra vandige 15 opløsninger.

Kornene eller granulaterne produceret ud fra B. subtilis, E. coli og S. uvarum er relativt faste, men ikke skør-hårde. I subjektiv forstand kunne biomassereaktionsproduktet betragtes 2 0 som blødt, selvom de er ret stabile og i det væsentlige uopløselige i vandige opløsninger. Biomassereaktionsprodukter fremstillet ud fra Ps. aeruginosa, N. crassa, R. arrhizus, A. flavus, C. vulgaris og C. pyrenoidosa var subjektivt blødere end biomassereaktionsprodukterne fremstillet af de ovennvænte mikroorganismer. De resulterede imidlertid i meget effektive resultater i forbindelse med bly og/eller sølv.

Ikke alle kaustiske materialer har de samme egenskaber som 3Q NaOH og KOH til produktion af korn af biomassereaktionsprodukt.

F.eks. er calciumhydroxid effektivt, men ikke så effektivt som NaOH. Kaustiske materialer, der medtages ved udøvelsen af opfindelsen, er sådanne alkaliske materialer, som omdanner mikroorganismen til et biomassereaktionsprodukt, der er i det væsentlige fast og stabilt og i stand til at danne korn, som

O O

er i det væsent1ige uopløselige i de vandige opløsninger, der behandles. Udtrykket "korn" dækker partikelformede biomassereaktionsprodukter af enhver partikelstørrelse, der let kan behandles i et system til udførelse af fremgangsmåden.

16 ' DK 168533 B1

Korn af det i det væsentlige faste biomassereaktionsprodukt er fordelagtige til udvinding af metalioner fra opløsning, idet kornene som følge af deres lave massefylde let kan suspenderes ligesom et fluidiseret lag i en søjle af opløsning, hvori opløsningen bringes til at strømme op efter gennem en bæresøj-5 le ved en opholdstid, der er tilstrækkelig til at frembringe ekstraktion af de metalioner, som har interesse, fra opløsningen.

Efterhånden som kornene eller partiklerne af biomassereaktions- 10 produktet bliver fyldt med metalionerne, der har interesse, sedimenterer kornene på bunden af søjlen, hvorfra de herefter fjernes.

En glaskolonne anvendes, som indeholder biomassekornene i en 15 bestemt dybde. Kornenes tørvægt registreres. En opløsning med en bestemt metalkoncentration pumpes i opadstrømmende retning gennem kolonnen. Ved anvendelse af denne fremgangsmåde udførtes forsøg med en blynitratopløsning under anvendelse af et biomassereaktionsprodukt fremstillet af basebehandlet B. sub- 20 tilis. Flere én liter opløsninger indeholdende blynitrat blev separat ført gennem kolonnen indeholdende 4 g af biomassereaktionsproduktet, indtil ialt 94 ti 1 strømn insvolurnener på én liter havde passeret gennem kolonnen. Efter passage af hvert volumen på en liter blev mængden af ekstraheret bly bestemt ved 2 5 at analysere det bortstrømmende volumen på én liter for det tilbageværende bly. Når den procentiske udvinding når en værdi mindre end ca. 90%, afsluttes forsøget.

30 Efter afslutning bestemmes dybden af de sedimenterede korn og slutvægten (tørvægt). De nederste 2,54 cm korn i kolonnen bestemmes for metalindhold. De nederste 2,54 cm antages at være næsten mætningsfyldte. De tilbageværende korn i kolonnen blandes og bestemmes for metalindhold. Resultaterne er anført i tabel 4. Som det vil ses fjernes 99% af metallet fra den ind-

O O

strømmende opløsning. Dette bestemmes ved at analysere metalindholdet i den bortstrømmende opløsning.

TABEL 4 17 DK 168533 B1

Fjernelse af kationisk bly ved hjælp af korn i opstrømn ingsko-1 onne ® Opløsning: Blynitrat (Pb(N03)2) pH i tilgangsstrøm: 5 Vægt af korn: A g

Korndybde: 7,3 cm

Kornstørrelse: 0,25-0,5 min 10 Overfladisk opløsningskontakttid: 1% minut

Endelig meta1fy1dning: 1150 mg Pb/g korn (tørvægt) Særlige betingelser: Chokfyldninger.

Behandlet Tilgangs- Afgangs- Afgangs- Fjernelses- 15 volumen (1) strøm(mg/l) strøm(mg/1) strøm, procent pH-værdi 1.0 8,5 0,1 9,09 99 2.0 8,5 0,1 8,64 99 20 3.0 8,5 0,1 8,93 99+ 4.0 8,5 0,1 8,74 99+ 5.0 8,5 0,1 9,05 99+ 6.0 8,5 0,1 8,71 99+ 7.0 8,5 0,3 8,33 96 25 8.0 8,5 0,1 8,63 99 9.0 8,5 0,1 8,57 99 10.0 8,5 0,1 8,66 99+ 11.0 8,5 0,1 8,87 99+ 12.0 8,5 0,1 8,46 99+ 30 13.0 8,3 0,1 7,01 99+ 14.0 18,5 0,1 7,82 99+ 15.0 18,5 0,1 7,57 99 16.0 18,5 0,1 7,51 99+ 17.0 18,5 0,1 6,14 99+ 35 18.0 18,5 0,1 6,40 99+ 19.0 18,5 0,1 6.23 99 20.0 508,0 0,8 7,87 99 18 DK 168533 B1 21.0 17,6 0,2 8,06 99 22.0 17,6 0,1 7,64 99 23.0 17,6 0,1 7,19 99 24.0 17,6 0,1 7,94 99 25.0 494,0 118,0 5,36 99 5 26,0 8,7 5,9 5.58 32 27.0 8,7 0,1 6,72 99 + 28.0 9,2 0,1 6,98 99+ 29.0 9,2 --- --- 30.0 9,2 --- --- 10 31,0 9,2 0,1 6,92 99+ 32.0 8,9 0,1 6,64 99 33.0 8,9 0,1 6,31 99 34.0 8,9 0,1 5,82 99+ 35.0 8,9 0,1 6,77 99+ 15 36.0 8,0 0,1 6,53 99+ 37.0 8,0 0,1 6,16 99+ 38.0 8,0 0,1 6,32 99+ 39.0 7,3 0,1 6,06 99 40.0 7,3 0,1 6,35 99+ 20 41.0 7,3 0,1 6,56 99+ 42.0 7,3 0,1 6,42 99+ 43.0 7,3 0,1 6,44 99+ 44.0 7,3 0,1 6,14 99+ 45.0 7,3 0,2 6,49 99 2 5 46.0 8,1 0,8 6,47 95 47.0 8,1 0,1 6,35 99+ 48.0 8,2 0,1 6,51 99 49.0 8,2 0,2 6,51 99 50.0 8,2 0,1 6,28 99 30 51.0 8,2 0,1 5,94 99 52.0 8,2 0,1 6,11 99 53.0 20,4 0,1 6,51 99 55.0 20,4 0,2 6,25 99 57.0 20,1 0,1 6,32 99+ 35 59.0 20,1 0,1 6,90 99 61.0 20,1 0,1 6,66 99+ 63.0 16,8 0,1 6,50 99+ 19 DK 168533 B1 65.0 16,8 0,1 6,17 99+ 67.0 16,8 0,1 6,24 99 69.0 19,0 0,1 5,63 99+ 71.0 19,0 0,1 5,67 99 73.0 18,8 0,1 6,42 99 5 75.0 18,8 0,1 6,53 99+ 77.0 18,8 0,1 6,25 99+ 79.0 18,8 0,2 6,09 99 81.0 19,8 0,4 --- 98 83.0 19,8 0,3 5,96 98 10 85.0 19,8 0,1 5,98 99 87.0 19,2 0,2 6,03 99 89.0 19,2 0,8 --- 96 91.0 18,9 0,8 5,90 96 93.0 18,9 4,6 5,53 76 15 94.0 18,9 1.5 5.44 92

De undersøgte opløsninger var fortyndede med undtagelse af to opløsninger (volumener 20 og 25), som indeholdt chokfyldninger på henholdsvis 508 og 494 mg bly pr. liter. Hvert gennemløb af opløsning fra volumen 1 til 87 viste væsentlig fjernelse af bly på ca. 99% for hvert volumen. Dette forsøg illustrerer den meget høje metaloptagelsesevne hos de 4 g biomassereaktionsprodukt, uanset chokfyldningerne af volumenerne 20 og 25. I det væsentlige alt blyet var fjernet fra opløsningen ved hjælp af 25 kornene.

Yderligere forsøg blev udført med kobbersulfatopløsning. Disse forsøg er omtalt i tabellerne 5 og 6. De ifølge tabel 5 behandlede opløsninger havde en temmelig høj fyldning af tilgangs-o U

strøm med kobber på ca. 100 mg/1 , medens tilgangsstrømmens kobberfy1dning ifølge tabel 6 var meget lavere og lå fra ca.

8,5 til ca. 9,5 mg kobber pr. liter.

35 Begge forsøg viste en temmelig høj metal optagel sesevne for biomassereaktionsproduktet.

20 ' DK 168533 B1 TABEL s

Fjernelse af kationisk kobber ved hjælp af korn i indstrømningskolonne {ti Igangsstrøm = 100 mg/cu/1) 5

Opløsning: Kobbersulfat (CuSO^) pH i tiIgangsstrøm: 5 Vægt af korn: 5,75 g

Korndybde: 9,53 cm

Kornstørrelse: 0,25—0,5 min 10

Overfladisk opløsningskontakttid: 2,3 min.

Endelig metalfyldning: 150,7mg Cu/g korn (tørvægt) Særlige betingelser: Ingen

Behandlet Tilgangs- Afgangs- Afgangs- Fjernelses- 15 volumen(l) strøm(mg/l) strøm(mg/l) strøm procent pH-værdi 1 100 0,1 7,3 99+ 2 100 0,3 6,9 99 20 3 100 2,5 6,2 97 5 100 6,1 6,2 94 7 100 24,8 5,6 75 9 100 49,7 5,0 50 25 TABEL 6

Fjernelse af kationisk kobber ved hjslp af korn i opstrøm-ningskolonne (tilgangsstrøm = 10 mg/Cu/1) 30

Opløsning: Kobbersulfat (CUSO4) pH i tilgangsstrøm: 5,41

Kornvægt: 6»5 g

Korndybde: 10,57 cm

Kronstørrelse: ' 0,25-0,5 mm

o O

Overf 1 adisk opløsningskontakttid: 2,3 min.

Endelig metalfyldning: 140 mg Cu/g korn (tørvægt) Særlige betingelser: Ingen 21 DK 168533 B1

Behandlet Tilgangs- Afgangs- Afgangs- Fjernelsesvolumenti) strøm(mg/1) strøm(mg/l) strøm procent pH-værd i 5 1 8,5 0,1 9,66 99 2 8,5 0,2 7,94 98 3 8,5 0,3 6,94 96 5 9.1 0,1 6,93 99 7 9,1 0,1 6,83 99+ 10 9 9,2 0,1 7,31 99+ 11 9,2 0,1 6,85 99+ 13 9,2 0,1 6,42 99 15 9,3 0,1 6,85 99 17 9,3 0.2 7,05 98 15 19 9,6 0,1 6,54 99+ 21 9,6 0,1 6,54 99+ 23 9,5 0,4 --- 96 25 9,5 0,4 6.56 96 27 9,5 0,1 7,06 99+ 20 29 8,5 0,1 7,45 99+ 31 8,5 0,1 7,68 99+ 33 8,5 0,1 7,05 99+ 35 8,5 0,1 6,75 99+ 37 9,0 0,1 6,77 99 25 39 9,0 0,1 6,87 99 41 9,0 0,1 6,89 99+ 43 9,0 0,1 6,95 99+ 45 9,0 0,1 6,74 99 47 9,4 0,1 6,81 99 30 49 9,4 0,2 6,48 98 51 9,4 0,1 6,64 99 53 9,4 0,2 6,31 98 55 9,0 0,8 5,85 91 57 9,0 1,1 5,98 88 35 58 9,0 1,2 5,96 87

Som det vil fremgå af de i tabellerne 4 til 6 sammenfattede DK 168533 B1 22 " forsøg, kan et biomassereaktionsprodukt udvise forskellige metaloptagelsesegenskaber overfor forskellige metalioner. Ligeledes, som det vil fremgå af tabel 3, udviser forskellige biomassereaktionsprodukter forskellig selektivitet overfor forskellige metalioner.

5 På trods af sådanne forskelle har de her beskrevne biomassereaktionsprodukter stor anvendelighed. Når det f.eks. er ønskeligt at oprense spildevand indeholdende toksiske metalioner, hvoraf mindst to er selektive med hensyn til forskellige biomasseprodukter, kan en blanding af to eller flere biomasseprodukter anvendes til fjernelse af de toksiske grundstoffer .

Med hensyn til det kaustiske reagens, som anvendes til udøvel-15 se af opfindelsen, har det vist sig, at et kraftigt rensemiddel, der sælges under varemærket "Alconox”, synes at virke på lignende måde som natriumhydroxid ved behandling af B. subtilis. Dette rensemiddel er et langkædet al kyl sul fonat, som er et befugtningsmiddel. Det er bionedbrydeligt. Det indeholder 20 ca. 7,5 vægt% phoshpor som tri natriumphosphat. Rensemidlets pH-vsrdi er 9 til 9,5.

Der har været gjort forsøg på at forklare årsagen til den selektive opførsel af kaustisk behandlede mikroorganismer. Selv 2 5 om der ikke ønskes en fastholdelse til nogen bestemt teori, har det været anført, at cellevæggene hos Bacillus subtilis (en grampositiv bakterie) betragtes som værende polymer af natur incl. strenge af mucopeptider (peptidoglykaner), tei- koinsyrer og teichuronsyrer, der er fordelt og tilknyttet langs 3 0 deres længde. De lange polymere omfattende mucopeptider er sammensat af tre slags byggesten, nemlig N-acety1 g 1ucosamin (AGA), N-acetyImuraminsyre (AMA), og et peptid bestående af fire eller fem aminosyrer, dvs. L-alanin, D-alanin, D-gluta-minsyre og enten lysin eller diaminopimeli nsyre . En væsentlig o 5 del, f.eks. ca. 35% af mucopeptidstrengene, er tværbundet sammen via transpeptid (D-alany1 -(L)-meso-diaminopimelyl)-bindin-ger. Den polymere struktur indeholder kemisk reaktive grupper

Claims

1. Ikke-levende biomassereaktionsprodukt med evne til optagelse af metalkationer fra vandige opløsninger, kendeteg- DK 168533 B1 net ved, at det om£atter en mikroorganisme med en med kau-stisk alkaliopløsning behandlet cellevægsstruktur, hvorved dens metaloptagende egenskaber er blevet forbedret.

2. Biomassereaktionsprodukt ifølge krav 1, kendeteg-5 net ved, at det foreligger i tørret, relativt fast og stabil form.

3. Biomassereaktionsprodukt ifølge krav 2, kendetegnet ved, at det foreligger i formalet partikelform.

4. Biomassereaktionsprodukt ifølge krav 1 eller 2, kende-10 tegnet ved, at mikroorganismen er en bakterie.

5. Biomassereaktionsprodukt ifølge krav 4, kendetegnet ved, at bakterien er en gram-positiv bakterie med muco-peptidstrenge, der er tværbundet med transpeptidbindinger.

6. Biomassereaktionsprodukt ifølge krav 4, kendeteg-15 net ved, at bakterien er en bacillusart.

7. Biomassereaktionsprodukt ifølge krav 6, kendetegnet ved, at bakterien er bacillus subtilis.

8. Fremgangsmåde til fremstilling af et ikke-levende biomassereaktionsprodukt, kendetegnet ved, at en mikroor- 20 ganisme med en cellevægsstruktur og evne til optagelse af me-talkationer fra vandige opløsninger behandles med kaustisk alkaliopløsning ved en pH-værdi over 9, og at den behandlede mikroorganisme udvindes og tørres til dannelse af et relativt fast, stabilt biomassereaktionsprodukt med forbedrede metalop-25 tagelsesegenskaber sammenlignet med den ubehandlede mikroorganisme .

9. Fremgangsmåde ifølge krav 8, kendetegnet ved, at mikroorganismen er en bakterie. DK 168533 B1

10. Fremgangsmåde Ifølge krav 9, kendetegnet ved, at mikroorganismen er en gram-positiv bakterie med mucopeptid-strenge, der er tværbundet med transpeptidbindinger.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 9, kendetegnet ved, 5 at mikroorganismen er en bacillusart.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 11, kendetegnet ved, at mikroorganismen er bacillus subtilis.

13. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 8 - 12, kendetegnet ved, at det kaustiske alkali er NaOH eller KOH, 10 og at behandlingen udføres ved en temperatur i intervallet fra ca. 50°C til ca. 100°C.

14. Anvendelse af et biomassereaktionsprodukt ifølge ethvert af kravene 1-7 eller et biomassereaktionsprodukt fremstillet ved fremgangsmåden ifølge ethvert af kravene 8-13 til fjer- 15 nelse af metalkationer fra opløsning.

15. Anvendelse ifølge krav 14, kendetegnet ved, at kationerne er tungmetalkationer, og at opløsningen bringes i kontakt med en biomasse omfattende polymert cellevægsmateriale hidrørende fra en gram-positiv bakterie med mucopeptidstrenge, 20 der er tværbundet med transpeptidbindinger, hvilken bakterie er blevet behandlet med en base valgt blandt natriumhydroxid og kaliumhydroxid til sorption af tungmetalkationeme i biomassen, og at den resulterende metalholdige biomasse derefter separeres fra opløsningen.

16. Anvendelse ifølge krav 15, kendetegnet ved, at biomassen hidrører fra bacillus subtilis.

17. Anvendelse ifølge krav 16, kendetegnet ved, at biomassen behandles med en varm, fortyndet basisk opløsning før nævnte kontakt. DK 168533 B1

18. Anvendelse ifølge krav 17, kendetegnet ved, at den metalholdige opløsning er en spildevandsopløsning indeholdende op til ca. 2 g per liter af nævnte metal.

19. Anvendelse ifølge ethvert af kravene 16-18, kende-5 tegnet ved, at tungmetallet er sølv, guld eller et pla- tingruppemetal.

20. Anvendelse ifølge ethvert af kravene 16 - 19, kende -tegnet ved, at den metalholdige biomasse behandles galvanisk til genvinding af metallet.

21. Anvendelse ifølge ethvert af kravene 16-19, kende te g n e t ved, at den metalholdige base behandles pyroly-tisk til genvinding af metallet.

22. Anvendelse ifølge ethvert af kravene 16 - 21, kende -tegnet ved, at den vandige opløsning er en spildevands- 15 strøm, at den behandlede biomasse sættes til og blandes med spildevandsstrømmen, og at den metalholdige biomasse fjernes fra strømmen ved hjælp af flokkulation og sedimentation.

23. Anvendelse ifølge krav 14, kendetegnet ved, at kationeme er tungmetalkat ioner, og at opløsningen føres gen- 20 nem en søjle af granulær biomasse omfattende celler at bakterien bacillus subtilis, der er blevet behandlet med en base valgt blandt natriumhydroxid og kaliumhydroxid, tørret til et hårdt, formaleligt legeme samt formalet til granulær form.

24. Anvendelse ifølge krav 23, kendetegnet ved, at 25 den granulære biomasse anbringes i en pakket søjle, der er egnet til opstrømsdrift.

25. Anvendelse ifølge krav 23, kendetegnet ved, at den granulære masse anbringes i en pakket søjle, der er egnet til nedstrømsdrift. DK 168533 B1

26. Anvendelse ifølge krav 23, kendetegnet ved, at den granulære biomasse anvendes i en ikke-begrænset opstrømssøjle, der muliggør fluidisering af den granulære biomasse.

27. Anvendelse ifølge krav 23, kendetegnet ved, at 5 det formalelige legeme af behandlet biomasse formales til opnåelse af en række forskellige partikelstørrelser, at den formalede behandlede biomasse anvendes i en opstrømssøjle, hvori den vandige opløsning gennemledes med en hastighed, der bevirker lagdannelse af biomassen med større biomassepartikler 10 i søjlens nedre del og finere biomassepartikler i søjlens øvre dele, hvorved de mindre og mere aktive biomassepartikler kommer i kontakt med opløsningen efter at hovedmængden af kationerne er blevet fjernes derfra ved hjælp af de større partikler.

28. Anvendelse ifølge krav 23, kendetegnet ved, at søjlen bringes til at fungere som et pulserende lag af nævnte biomasse, idet den vandige opløsning bevæger sig opad i søjlen, frisk behandlet biomasse indføres portionsvis på et sted nær toppen af søjlen, medens metalfyldt biomasse fjernes fra 20 et punkt i nærheden af søjlens bund.

29. Anvendelse ifølge krav 28, kendetegnet ved, at de respektive volumener af friske biomasseportioner og metal-fyldte biomasseportioner er i det væsentlige de samme.

30. Anvendelse ifølge krav 28 eller 29, kendetegnet 25 ved, at de metalfyldte biomasseportioner fjernes, og at de friske biomasseportioner indføres i det væsentlige på samme tidspunkt.