半导体矿物光电子对铀生物矿化的影响

发布时间：2017-12-30 04:19

本文关键词：半导体矿物光电子对铀生物矿化的影响　出处：《西南科技大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：重金属和放射性核素污染治理是全球关注的热点。与其他方法相比,光电子协同微生物对重金属离子的还原固化具有显著的优势。为了考察半导体矿物光电子协同微生物对铀去除及其矿化的影响与机制,本研究以半导体矿物TiO_2和粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)为研究对象,在光源-半导体矿物-微生物-变价重金属体系中,以柠檬酸(CA)为空穴捕获剂研究光电子协同A.faecalis对铀去除和成矿的影响。利用XPS、XRD、FTIR、SEM等测试手段揭示光电子与A.faecalis协同作用调控溶液体系中铀的光催化去除矿化过程,从而为铀元素环境污染修复和治理提供一定的理论基础。研究结果如下:(1)某铀矿山周围地表土壤样品重金属污染评测分析得出,某铀矿山土壤中7种重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Sr、U、Zn)含量均超过对照区域,出现重金属积累性;PLI和内梅罗综合指数法表明研究区域土壤已处于中-重度污染状态。重金属赋存形态分析阐明,各重金属形态主要以残渣态为主,但Sr的可交换态、U和Zn有机结合态以及碳酸盐结合态明显高于其他元素;对于整个调查区域土壤重金属风险评测分析表明,Sr、U和Zn处于中-高污染风险状态,离铀矿山较近的土壤中U已经处于高度污染风险状态。(2)通过以柠檬酸钠,乙酸钠和乙醇作为空穴捕获剂对比研究得出,柠檬酸钠对溶液体系中U(VI)光催化去除率提高最为明显,达到53.48%;同时以柠檬钠作为空穴捕获剂在pH=4.0时,U(Ⅵ)浓度去除符合准一级动力学方程,并且紫外光照射TiO_2在2.00 g/L时产光电流浓度最大。得出最佳的实验条件:TiO_2浓度为2.00g/L,pH=4.0,有机空穴捕获剂为柠檬酸根。(3)对于不同CA与U(Ⅵ)摩尔浓度比对U(Ⅵ)光催化去除影响的研究结果发现,U(Ⅵ)与CA摩尔浓度比例越大,体系中U(Ⅵ)去除率越低,铀结晶物越少;当CA:U(Ⅵ)=1:1时,U(Ⅵ)去除量变化符合准一级动力学方程,并且反应速率常数为对照组(CA:U(Ⅵ)=0:1)的3.2倍,光照64 h后U(Ⅵ)去除率高达98.60%,并出现棒状铀结晶物。(4)不同CA与U(Ⅵ)摩尔浓度比拟合结果表明,其主要以复合物[(UO_2)(Cit)]-形式存在。从各反应组U(Ⅵ)和CA浓度变化,以及XRD和TEM-EDS分析发现过氧化铀结晶物的结果可以得出,TiO_2紫外光催化产生的光生空穴(h+)破坏复合物[(UO_2)(Cit)]-结构,使溶于水的复合物[(UO_2)(Cit)]-络合于TiO_2表面形成沉淀;此外,CA明显提高Tio2光催化光电流产量,即TiO_2表面的U(Ⅵ)接触光电子(ecb-)的机会增多而发生还原;根据TiO_2光催化后ecb-和h+的氧化还原电势可推测,体系中H2O与ecb-和h+作用产生大量具有强氧化性的H2O_2和环境中的O_2共同使体系中的UO_22+生成圆弧片状的UO4 · 2H20结晶物。CA的加入有效地促进体系中U(Ⅵ)的还原,以及反应过程的不同使pH发生显著的变化,最终铀结晶物形貌发生改变。(5)A.faecalis-TiO_2共存体系中,红外分析表明A.faecalis壁膜中的蛋白质和磷酸等基团中的-OH、-C=O、N-H、C-N、-PO42-等活性基团加速体系中U(Ⅵ)的吸附去除。黑暗处理24 h后CA:U(Ⅵ)=0:1和CA:U(Ⅵ)=1:1体系中U(Ⅵ)去除率分别达到了 95.54%和53.59%以上;CA:U(Ⅵ)=1:体系光照12h U(Ⅵ)光催化后去除率达到98.63%,最终U(Ⅵ)还原率达到了 27.80%;此外,TiO_2表面铀结晶物形貌由薄膜片状转变为完整鱼鳞形片状。(6)本研究提出TiO_2光电子协同A.faecalis对溶液体系中U(Ⅵ)光催化去除和还原矿化机理如下:黑暗条件下,由于CA与UO_22+形成复合物,TiO_2表面的物质减少而使其对A.faecalis作用增强,加速其死亡分解;紫外光照下TiO_2产生光生空穴攻击CA,复合物[(UO_2)(Cit)]-的结构受到影响,释放出UO_22+与A.faecali 的有机基团形成络合物而矿化,从而U(Ⅵ)光催化去除进程得到促进;相对无菌体系而言,CA明显提高A.faecali 对U(Ⅵ)的光催化去除效率,CA作为空穴捕获剂促使TiO_2释放出更多光生电子将U(Ⅵ)还原成U(Ⅵ);最终由于A.faecalis和ecb-对铀价态改变以及h+与A.faecalis活性基团之间的作用造成TiO_2表面铀结晶物形貌的变化。综合本研究结果分析,CA作为空穴捕获剂,可有效促进半导体矿物光电子协同A.faecali 对U(Ⅵ)的光催化去除和还原矿化。面对不断出现的重金属环境污染问题,半导体矿物光电子协同微生物对重金属的还原及矿化是一种可持续,效率佳,能耗低的方法。本研究可为铀污染处理提供一定参考。
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【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X591;P579

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