铁氧化菌改性钢渣水体除砷性能研究

发布时间：2020-04-11 14:24

【摘要】：钢渣作为工业废弃物产量巨大,本课题利用钢渣作为吸附剂,“以废治废”,用于水体砷污染的修复,对钢渣进行再利用的同时,尝试以一种较新的微生物改性手段实现钢渣吸附性能的提升。首先对原始钢渣的除砷性能进行研究,结合钢渣成分以及所选微生物——铁氧化菌的代谢机理,利用铁氧化菌制备改性钢渣,并对得到的改性钢渣材料进行了吸附等温线、吸附动力学及影响因素研究,结果发现经改性后的材料吸附性能确有提升。采用X射线荧光(XRF)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)等材料表征手段对改性前后的材料进行分析,尝试探讨其除砷机理。具体研究结论如下:(1)铁氧化菌在将Fe(II)氧化为Fe(III)的过程中获得生长所需能量,且这一过程可发生在金属表面,能够由此改变金属的物理化学性质,结合钢渣的成分分析,钢渣中存在Fe(II)形态的铁元素,据此判断可利用铁氧化菌的代谢机制对钢渣进行改性,氧化其中的Fe(II)为Fe(III),增加Fe(III)的含量,提高对砷的吸附能力,改性结果发现,与原始材料相比,改性3个月后的钢渣对As(III)及As(V)的吸附量分别提高了378.2μg/g和506.2μg/g。(2)通过Langmuir模型和Freundlich模型的等温吸附拟合,结果发现Langmuir模型对原始钢渣以及改性钢渣吸附砷的拟合效果更优,由Langmuir等温吸附模型拟合得到的改性钢渣对As(III)及As(V)的最大吸附量别为2500.00μg/g和3333.33μg/g,与原始钢渣相比分别提高了1071.43μg/g和1333.33μg/g。(3)对原始钢渣及改性钢渣除砷的动力学研究采用了Lagergren准一级吸附动力学方程、Lagergren准二级吸附动力学方程和Elovich方程、粒子内扩散方程四种模型进行拟合分析,发现Lagergren准二级吸附动力学方程可以更好的描述钢渣除砷过程,说明钢渣对砷的去除以化学吸附为主。(4)通过对原始钢渣及改性钢渣除砷的影响因素研究发现,在中性pH的条件下,原始钢渣对砷的吸附量最大,而改性钢渣除砷的最佳pH为6;随着温度的提高,钢渣对砷的去除效果也有所提升,但提升幅度较小;投加量与钢渣的吸附量呈正相关关系,随着投加量的增加,钢渣的吸附量增速出现变缓趋势;溶液中的阳离子可促进钢渣除砷,而阴离子对钢渣除砷则有明显的抑制作用。(5)XRF分析发现改性钢渣中的Ca、Fe含量略有下降,烧失量由未检出增至11.936%,原因是改性材料中存在部分微生物残体,水羟基含量增加;XRD及FTIR分析结果显示,改性材料中Ca(OH)_2减少,且出现了少量的Fe(III),扫描电镜及比表面积测试表明改性钢渣中孔隙增多,比表面积较原始钢渣增大了40.1454m~2/g,孔隙容积增大至原来的5倍。(6)钢渣除砷的主要吸附机制包括:(a)物理吸附,钢渣依靠自身的比表面积及孔隙结构对砷离子有吸附作用,改性材料的孔隙容积增加、比表面积增大,吸附能力相应得到提升;(b)化学反应,钢渣中的钙、铁等金属元素或其氧化物与砷离子形成共沉淀,也是水体除砷的一条重要的途径。
【图文】：

技术路线图,钢渣,除砷,铁氧化菌

、改性钢渣的制备：使用富集培养后的铁氧化菌培养液对原始钢月的侵蚀浸泡改性，并定期向培养瓶中添加培养液，使细菌保持。对制备得到的材料进行除砷效果的初步研究，与原始钢渣进行、改性钢渣除砷性能研究：探究改性钢渣的吸附等温线以及吸附动择 pH、温度、投加量、共存离子作为除砷影响因素进行研究。且范围、变化梯度与原始钢渣保持一致，与原始钢渣的除砷性能研比。、钢渣除砷机理初探：利用 X 射线荧光（XRF）、X 射线衍射（X变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面积测试（对改性材料进行表征，研究钢渣的结构以及成分变化，尝试分析技术路线文研究技术路线见图 1-1。

菌落形态,铁氧化菌,菌落形态,钢渣

（1）FeO(OH)；（2）Ca(OH)2；（3）CaCO3；（4）Ca3SiO5（5）FeO图 3-1 钢渣 XRD 图谱Fig.3-1 The XRD map of steel-slag综合以上分析，结合铁氧化菌的代谢机制和钢渣的成分，铁氧化菌可通过氧化钢渣中的 Fe(II)为 Fe(III)，对钢渣的原有结构造成破坏，以此达到改变钢渣物理化学性质的目的。故最终选择铁氧化菌为实验中使用的菌种。3.3.2 铁氧化菌的培养首次培养出现的菌落形态均为白色丝状，，有研究者指出铁氧化菌存在于这些白色丝状菌中[86]，继续培养至红褐色圆形凸起状菌落，见图 3-2。与前人[86]研究结果一致，判定该菌落为铁氧化菌。图 3-3 为富集培养得到的铁氧化菌。0 10 20 30 40 50 60 700250Two-Theta
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X757

【相似文献】