蛋白型微生物絮凝剂去除水中重金属离子的效能与机制

发布时间：2020-04-02 00:26

【摘要】：重金属具有毒性大、稳定性强、易被生物富集和通过食物链传递等特点,不但造成了水体环境的恶化,而且严重威胁着水生生物的生存和人类的健康。微生物絮凝剂因其生物兼容性和无毒性,已在重金属废水治理领域引起了高度关注。然而,大部分微生物絮凝剂只能通过吸附作用而去除水中的重金属离子,并不能将高价态毒性强的重金属离子还原成低价态毒性弱的离子形式,而且在水处理后微生物絮凝剂自沉降效果不佳,在水中难分离,为吸附后续处置带来困难。关于机制的研究尚浅,缺少直接的证据,造成了微生物絮凝剂选择上的盲目性。基于此,本文以Klebsiella sp.J1(CGMCC No.6243)分泌的微生物絮凝剂MFX为研究对象,通过化学手段将磁性四氧化三铁纳米颗粒与微生物絮凝剂MFX结合制备成一种磁性微生物絮凝剂,克服它在处理水中重金属离子后难分离的瓶颈,为微生物絮凝剂的发展拓宽了思路。利用能提供直接证据的定性和定量方法深入解析微生物絮凝剂对水中重金属离子的去除转化机制和竞争吸附机制,为微生物絮凝剂的定向选择和改性提供指导依据。采用定性和定量方法,分析微生物絮凝剂MFX的组成结构和理化特性。结果表明微生物絮凝剂MFX的主要成分是蛋白质(80.65%)和多糖(14.86%),属于蛋白型微生物絮凝剂。其中蛋白质由天冬门氨酸等16种氨基酸组成,而多糖由鼠李糖,岩藻糖,甘露糖,葡萄糖和半乳糖五种单糖组成。蛋白型MFX中丰富的蛋白含量使其官能团种类繁多,还具有很强的还原性,为多种重金属离子的去除提供了有利条件。为了考察微生物絮凝剂MFX对水中重金属离子的去除,选取了8不同重金属离子进行吸附实验,发现其吸附容量差异显著。通过化学方法将磁性Fe3O4纳米颗粒和微生物絮凝剂MFX复合形成磁性微生物絮凝剂Fe3O4@MFX,并进行结构性质分析,结果显示整体呈具有核壳结构的纳米球体,直径大约为50 nm,具有良好的磁性,可实现从水中快速分离。对8种重金属离子的吸附实验结果表明Fe3O4与MFX的结合并未影响MFX对水中重金属离子的吸附能力,Fe3O4的引入仅仅发挥了它的磁性分离作用,并没有对水中重金属离子吸附起作用。此外,Fe3O4@MFX具有很强的循环再生性,为微生物絮凝剂MFX的发展拓宽了思路,具有一定的科学意义和推广价值。以Pb(II)和Cr(VI)作为水中常见且毒性较强的重金属离子典型代表,利用定性和定量分析方法(如Zeta电位分析,傅里叶红外光谱分析FTIR,能谱分析EDS和元素的质量平衡计算等)系统地探究去除效能与机制。室温下(22oC)MFX对Pb(II)和Cr(VI)的最大去除率分别为99.47%和80.02%,单位吸附容量分别为99.5 mg/g和53.3 mg/g。在Pb(II)的去除过程中,络合和离子交换起主要作用,而物理静电吸附作用只起到辅助作用。而对于Cr(VI)的去除,主要是通过MFX上的 NH 基团的还原作用,82.3%的Cr(VI)被 NH 还原成Cr(III),物理静电吸附、离子交换和络合起辅助作用。相比于其他生物吸附材料,MFX对水中的Pb(II)和Cr(VI)都具有更强的去除转化能力,具有很大的潜力。机制的解析为生物吸附材料的定向选择和改性提供理论依据和指导。实际水环境中往往不只包含一种重金属离子,而是许多种不同的金属离子共存于水系统中,例如电池产业和饲料加工业的快速发展造成了铜锌离子大量共存于水环境中。因此,为了进一步完善微生物絮凝剂对重金属离子的吸附研究,选取同源的Cu(II)和Zn(II)作为共存重金属离子的典型代表,利用微生物絮凝剂MFX考察共存体系中Cu(II)和Zn(II)的竞争吸附,发现Zn(II)的存在并不会影响微生物絮凝剂MFX对Cu(II)的吸附,然而,Cu(II)的存在会抑制微生物絮凝剂MFX对Zn(II)的吸附。多参数的竞争性Langmuir和Langmuir-Freundlich吸附等温线模型可以较好的描述共存体系中Cu(II)和Zn(II)在MFX上的竞争吸附过程,暗示着MFX上的一个吸附位点只能吸附一个金属离子,当Cu(II)和Zn(II)共存时,Cu(II)更容易吸附在微生物絮凝剂MFX上,通过竞争机制的分析发现这主要是因为MFX吸附Cu(II)和Zn(II)的活性官能团是完全重叠的,微生物絮凝剂MFX上色氨酸和酪氨酸对Cu(II)的稳定常数K和有机配体比例f均高于Zn(II),说明微生物絮凝剂MFX对于Cu(II)的亲和力要高于Zn(II),因此,当Cu(II)和Zn(II)共存于水中时,Cu(II)会优先吸附在微生物絮凝剂MFX上。基于微生物絮凝剂MFX的组成结构及特性,引入磁性Fe3O4纳米颗粒强化微生物絮凝剂的可分离性,解析微生物絮凝剂对水中常见且毒性较强的重金属离子(Pb(II)和Cr(VI))的去除转化机制,建立多参数模型来描述共存重金属离子之间的竞争吸附效应并揭示竞争吸附机制,为微生物絮凝剂的定向选择和改性提供指导依据,为微生物絮凝剂MFX的发展拓宽了思路,为生物吸附法朝着一个更高效、更经济可行的方向发展奠定基础。
【图文】：

图 3-3 微生物絮凝剂 MFX 的表观形貌Fig.3-3 The apparent appearance of bioflocculant MFX表 3-3 微生物絮凝剂 MFX 元素组成Table3-3 Element composition of bioflocculant MFX 质量百分比（%） 原子个数百50.94 517.26 123.26 20.99 04.76 20.71 02.07 0絮凝剂 MFX 荷电特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

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本文编号：2611175