Изучение вопросов биотехнологии в курсе химии средней школы (стр. 14 из 18)

Какой химический процесс лежит в основе всех бродильных(спиртовых) производств?

2. Актуализация знаний

Ни для кого из вас не секрет, что человек в ходе своей деятельности создает большую экологическую нагрузку окружающей среде (примеры учащихся). И здесь биотехнология внесла и вносит свой вклад. Под запись: специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды, таких как переработка отходов, очистка воды, устранение загрязнений, составляет предмет экологической биотехнологии.

3. Изучение нового материала

(Основная часть урока проходит в форме лекции, позволяющей компактно передать учащимся укрупненную дидактическую единицу)

отходы
бытовые (сточные воды городов, с/х отходы мелких хозяйств и т.д.)	промышленные (отвалы металлургических предприятий, стоки химических комбинатов и т.д.)

На сегодняшнем уроке мы «займемся» бытовыми отходами.

Необходимо отметить, что проблемой очистки сточных вод занялись только в 1890 году, когда был предложен первый биофильтр. Вообще, все биологические методы очистки сточных вод основаны на использовании закономерностей самоочищения водоемов.

Для очистки используют:

а) биофильтры – сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. С 1970 года на смену клинкеру и гравию в качестве пористого материала пришли пластмассы. Таким образом, видим сочетание механической (пористый носитель) и биологической (биодеградация органических остатков) очистки сточных вод. Недостаток – избыточный рост микроорганизмов и, как следствие, засорение фильтра.

б) биологические пруды – отстойные цветущие водоемы. Характеризуются малой эффективностью и большим временем самоочистки.

в) аэротенки – известны с 1914 года. Именно 1914 год считается годом рождения биоочистки сточных вод. Аэротенки – это огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий (Zoogloea) и микроскопических животных. Процесс очистки непрерывный, аэробный, т.е. нуждается в активной аэрации воздухом (отсюда высокие эксплуатационные расходы) и высоко эффективный.

г) «псевдоожиженный слой» – применяется с 1980 года по сей день. «Псевдоожиженный слой» – это сочетание биофильтра и активного ила. Подложка – полимерный носитель или песок. Процесс периодический и не требует аэрации. После биоочистки проводят дезинфекцию жидким хлором, хлорной известью, УЗ, озоном или электролизом.

Каким бы способом не проводилась биоочистка сточных вод, в конце имеем избыточную биомассу. Наиболее эффективный способ утилизации – анаэробное брожение с получением биогаза.

Биогаз – смесь 65% СН₄; 30% СО₂; 1% Н₂S … NH₃ …

Энергия 1,7м³ биогаза эквивалентна энергии 1м³ природного газа. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения или биометаногенез. Биометаногенез – сложный микробиологический процесс разложения органического вещества до СО₂ и СН₄ в анаэробных условиях (под запись).

Участвуют свыше 190 микроорганизмов.

Стадии:

I. Белки аминокислоты Липиды ВЖК и глицерин Полисахариды моносахара	II. H₂ + СО₂ + НЖК(СН₃СООН) + низшие спирты (в основном)
III. Образование метана: (1) 4H₂ + СО₂= СН₄+ 2Н₂О… (2) 4СН₃ОН = 3СН₄+ СО₂ + 2Н₂О (3) СН₃СООН = СН₄+ СО₂

90–95% используемого углерода превращается в метан, остальное в биомассу. Температура процесса 30–60ºС; рН ~ 7. Основное преимущество биогаза – возобновляемый и экологически чистый источник энергии.

4. Вывод

Итак, что же мы сегодня изучили? Какую роль, по вашему мнению, может сыграть технология биометаногенеза в ближайшем будущем в свете дефицита энергоносителей?

УРОК №3 по теме «Бактериальное выщелачивание»

Задачи:

1. Образовательная: расширить сведения учащихся о переработке отходов на примере использования промышленных отвалов. Рассмотрение основных процессов микробного выщелачивания. Промышленное использование на примере переработки медных отвалов.

2. Развивающая: а) развитие познавательного интереса в процессе знакомства с материалом;

б) формирование логического мышления в ходе дедуктивного изложения материала;

в) формирование умений и навыков умственного и практического труда.

3. Воспитательная: а) в целях формирования диалектического мировоззрения показать, что, при всей необычности процессов микробного выщелачивания, они закономерно вписываются во всеобщую биотрансформацию неорганических веществ;

б) «прививание» экологического мировоззрения.

Ход урока:

1. Организация класса

Какие виды очистки сточных вод вы можете назвать? Как вы понимаете понятие биометаногенез?

2. Актуализация знаний

Еще за 1000 лет до н.э. финикийцы извлекали медь из рудничных вод. Валлийцы (Британские острова) в 17 веке описали аналогичный процесс. Сегодня мы попытаемся разобраться в секрете древних металлургов. Тема урока: «Бактериальное выщелачивание».

3. Изучение нового материала

1947 г. – Колмер и Хинкл выделили из шахтных вод бактерию Thiobacillus ferrooxydans. Попытайтесь перевести название на русский язык («Серобацилла железоокислительная»).

И действительно этот вид осуществляет процесс:

Fe²⁺ Fe³⁺, что соответствует окислению железа.

Данный вид бактерий относиться к группе хемосинтезирующих автотрофов (вспомните, что это такое), открытых Виноградским в 1920-е годы. Позже были обнаружены Thiobacillus thiooxydans – организмы, живущие в среде при рН = 0,65, и Sulfolobus, «терпящие» до 85ºС. Эти бактерии существуют за счет окисления серы.

T.ferrooxydans

4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺ 4Fe³⁺ + 2H₂O

Sulfolobus

S₈ + 12O₂ = 8 H₂O 8H₂SO₄

T.thiooxydans

ZuS + 2O₂ ZuSO₄

T. ferro-/thiooxydans

4FeS₂ + 15O₂ + 2H₂O 2Fe₂ (SO₄)₃ + 2H₂SO₄

Обратите на последние два процесса особое внимание, так как данные процессы «растворения» минералов сфалерита (ZuS) и пирита (FeS₂) идут в земной коре и могут быть использованы человеком как альтернатива

2ZuS + 3O₂ = 2ZuO +2SO₄, дающего много загрязнителей атмосферы.

Особый интерес для промышленности представляет перевод в раствор полудрагоценной меди:

Cu₂S + 4Fe³⁺ = 2Cu²⁺ + 4Fe²⁺ + S

T.ferrooxydans Sulfolobus H₂SO₄

Данный процесс позволяет перерабатывать бедные руды и отвалы с содержанием меди 0,4% (w).

Возможные схемы проведения

I. р-р H₂SO₄

(рН=2)

сбор продукта

II. р-р H₂SO₄ откачка

О₂ продукта

III. Чановое выщелачивание (меньше потерь)

Продукт: р-р, содержащий 0,75 – 2,2 г/л меди:

Cu²⁺ + Fe = Cu + Fe²⁺ (можно показать меднение гвоздя в растворе медного купороса)

Образующийся раствор Fe²⁺ снова направляют в отвал.

· Проблемы:

1) Бактерии живут только в кислой среде. Что будет происходить при контакте выщелачивающего раствора с известковыми породами?

2) Потери раствора и возможное смешивание с грунтовыми водами.

3) Разогревание породы при «работе» бактерий (зафиксировано до 80ºС) и как следствие стерилизация.

4) Инженерные проблемы введения кислоты и воздуха в породу.

· Перспективы:

1) Удаление серы из каменного угля. Подумайте, как это можно сделать.

2) Извлечение металлов из морской воды (Au) – привлечение ГМО.

4. Вывод

Итак, при желании человек может применять природосберегающие технологии даже при разработке медных, и не только, руд.