微藻生物材料对工业污水二价汞的脱除性能及机理研究
发布时间：2021-03-10 15:11
20世纪以来,伴随着冶金、燃煤、氯碱以及电池等工业的快速发展,含汞废水的大量排放严重威胁了自然生态环境以及人类健康。针对含汞污水开发更加廉价高效并且绿色环保的新型处理技术是非常必要的。近年来随着生物柴油、藻基保健品等微藻资源化利用产物在全球范围内的兴起,通过污水培养降低成本以获取更高的经济效益和高附加值产品成为了目前的研究热点;同时微藻以其快速的生长能力、超强的环境耐受能力、丰富的原料来源、不占用耕地面积以及对重金属高效的吸附性能等优势脱颖而出,也成为了目前最受关注的一种重金属吸附剂原料。基于前人研究,本文提出一种利用微藻生物材料处理工业污水二价汞（Hg（Ⅱ））的技术路线。与农业污水、市政污水特点不同,工业污水中大量存在的重金属会对藻类的活性以及油脂产率造成致命的影响;同时由于微藻对Hg（Ⅱ）的吸附效率相比于其他重金属明显偏低,藻基生物吸附材料的结构稳定性不如无机吸附材料以及微藻资源化利用成本昂贵等问题,需要针对以上关键性技术难点开展相关前期基础研究。基于这些问题,本文主要开展了以下几方面的研究工作。首先,采用三种小分子有机酸——甲酸、乙酸、丙酸对微藻及其提脂残渣进行前处理。通过对吸附...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
6世纪以来世界汞排放变化趋势[1]
华中科技大学博士学位论文13图1-2微藻细胞对重金属离子的吸附机理[106,114]在目前的研究中，不同重金属的吸附容量有明显差异。Kumar等人对目前文献报道的微藻对不同重金属的吸附能力进行了综述，如图1-3所示[106]。可以看出其中微藻对Cd(II)和Ni(II)的最大吸附容量已经超过1000mg/g。Zeraatkar等人综述了利用微藻进行重金属生物吸附过程中多种环境变量（包括初始离子浓度、pH、生物量、温度、吸附时间、干扰离子等）的影响机理，同时还指出改性方法、藻种、细胞活性以及固定化处理等因素对微藻的吸附作用影响明显。他指出通过对微藻进行预处理方法改进、环境因素变量调控、以及固定化成型等，能够为重金属生物吸附提供一种高效低成本的藻基处理方法[90]。Abinandan等人指出藻类不仅能够在生活市政污水中生长，同时还能够在工业污水中培养；在利用污水培养微藻时不仅能够通过微藻的代谢作用降解污水中的氮磷等有机物，同时还能够通过生物吸附处理污水重金属[115]。Davis等人综述了褐藻对重金属生物吸附作用的生物化学特性[105]，指出在褐藻吸附重金属过程中细胞壁与胞外多糖起到了关键性作用[116]；在吸附过程中褐藻主要通过离子交换[54]、配位螯合[54,117]以及官能团吸附作用[118]三种方式结合重金属。Chojnacka等人在研究螺旋藻（Spirulinasp.）对Cr(III)、Cd(II)以及Cu(II)吸附过程时发现离子交换作用在吸附过程中占主导作用，这种交换作用机理与弱酸的离子交换形式类似；同时还发现微藻细胞的比表面积相对较小，孔隙结构不够发达，物理吸附的影响基本可以忽略不计[119]。与
华中科技大学博士学位论文14其他生物材料相比，微藻具有来源广泛、成本低廉、能够在各种极端条件下存活、生长周期短、不会占用过多的土地面积等优势[115]，同时微藻对多种重金属的吸附效率与其他生物材料相比优势明显[54]，是目前最具有商业利用潜能的生物吸附材料。图1-3微藻对不同重金属的吸附能力对比[106]微藻的吸附过程主要涉及到细胞表面的活性位点与金属离子之间络合作用，因此有众多研究结果表明通过一系列改性方法能够显著改善微藻细胞表面重金属结合能力，提高吸附效率。目前，对微藻材料的改性主要包括物理改性和化学改性两类。物理方法主要包括机械破碎法、加热法、冷冻法、干燥法及冷冻干燥法等；化学法主要包括酸改性、碱改性、高分子材料交联以及有机溶剂浸渍等[53]。这些改性方法都可以显著地改善藻基材料表面官能团分布、表面电势以及活性结合位点数量等，是提高吸附剂材料吸附性能的有效手段。Errasquin等人分别利用加热处理、化学灭菌以及机械破碎三种改性方法处理后的细胞吸附重金属Cu、Zn、Cd并与未改性处理的原样进行对比后发现，三种改性方法均显著提高了材料的吸附效率[120]；Rincón等人利用HCl、CaCl2、甲醛、Na2CO3、NaOH五种化学试剂对墨角藻Fucusvesiculosus进行了不同的化学改性，并比较了改性后的藻基生物材料对Cu、Cd、Pb、Ni的吸附性能，通过实验发现CaCl2的改性显著增加了墨角藻对四种重金属的最大吸附能力[121]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚氯乙烯生产废水的源头治理[J]. 郭志全,王庆天. 聚氯乙烯. 2017(07)
[2]我国燃煤部门履行《关于汞的水俣公约》的对策建议[J]. 张磊,王书肖,惠霂霖,郝吉明. 环境保护. 2016(22)
[3]有色金属冶炼烟气汞排放控制技术研究进展[J]. 马永鹏,杜京京,张新明,李亚松. 广州化工. 2016(16)
[4]《火电厂大气污染物排放标准》实施对燃煤电厂大气汞减排的影响[J]. 程轲,王艳,薛志钢,田宏,易鹏. 环境科学研究. 2015(09)
[5]典型行业含汞废水处理工艺[J]. 张晓东,邱运仁,杨兆光. 应用化工. 2015(08)
[6]冶炼烟气制酸中汞排放治理浅析[J]. 李云新,刘卫平. 世界有色金属. 2015(06)
[7]汞离子对细胞代谢通路影响的代谢组学[J]. 张瑞兴,刘舒,皮子凤,宋凤瑞,刘志强. 高等学校化学学报. 2014(06)
[8]美国燃煤电厂汞排放标准研究[J]. 王可辉,朱林,陈其颢,姜艳靓,步凡. 电力科技与环保. 2013(04)
[9]环境保护验收重金属污染与监测中的问题[J]. 齐文启,尤洋,林燕春,李韬,冯亚玲,邱立莉. 现代科学仪器. 2012(02)
[10]索氏提取器的起源与发展[J]. 关雅琼,张曜武,杨浩. 天津化工. 2011(03)
博士论文
[1]锰基低温催化剂氧化烟气中单质汞的机理研究[D]. 周子健.华中科技大学 2017
硕士论文
[1]混合废水耦合CO2培养微藻及处理废水的研究[D]. 姚丽丽.上海交通大学 2015
本文编号：3074862
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
6世纪以来世界汞排放变化趋势[1]
华中科技大学博士学位论文13图1-2微藻细胞对重金属离子的吸附机理[106,114]在目前的研究中，不同重金属的吸附容量有明显差异。Kumar等人对目前文献报道的微藻对不同重金属的吸附能力进行了综述，如图1-3所示[106]。可以看出其中微藻对Cd(II)和Ni(II)的最大吸附容量已经超过1000mg/g。Zeraatkar等人综述了利用微藻进行重金属生物吸附过程中多种环境变量（包括初始离子浓度、pH、生物量、温度、吸附时间、干扰离子等）的影响机理，同时还指出改性方法、藻种、细胞活性以及固定化处理等因素对微藻的吸附作用影响明显。他指出通过对微藻进行预处理方法改进、环境因素变量调控、以及固定化成型等，能够为重金属生物吸附提供一种高效低成本的藻基处理方法[90]。Abinandan等人指出藻类不仅能够在生活市政污水中生长，同时还能够在工业污水中培养；在利用污水培养微藻时不仅能够通过微藻的代谢作用降解污水中的氮磷等有机物，同时还能够通过生物吸附处理污水重金属[115]。Davis等人综述了褐藻对重金属生物吸附作用的生物化学特性[105]，指出在褐藻吸附重金属过程中细胞壁与胞外多糖起到了关键性作用[116]；在吸附过程中褐藻主要通过离子交换[54]、配位螯合[54,117]以及官能团吸附作用[118]三种方式结合重金属。Chojnacka等人在研究螺旋藻（Spirulinasp.）对Cr(III)、Cd(II)以及Cu(II)吸附过程时发现离子交换作用在吸附过程中占主导作用，这种交换作用机理与弱酸的离子交换形式类似；同时还发现微藻细胞的比表面积相对较小，孔隙结构不够发达，物理吸附的影响基本可以忽略不计[119]。与
华中科技大学博士学位论文14其他生物材料相比，微藻具有来源广泛、成本低廉、能够在各种极端条件下存活、生长周期短、不会占用过多的土地面积等优势[115]，同时微藻对多种重金属的吸附效率与其他生物材料相比优势明显[54]，是目前最具有商业利用潜能的生物吸附材料。图1-3微藻对不同重金属的吸附能力对比[106]微藻的吸附过程主要涉及到细胞表面的活性位点与金属离子之间络合作用，因此有众多研究结果表明通过一系列改性方法能够显著改善微藻细胞表面重金属结合能力，提高吸附效率。目前，对微藻材料的改性主要包括物理改性和化学改性两类。物理方法主要包括机械破碎法、加热法、冷冻法、干燥法及冷冻干燥法等；化学法主要包括酸改性、碱改性、高分子材料交联以及有机溶剂浸渍等[53]。这些改性方法都可以显著地改善藻基材料表面官能团分布、表面电势以及活性结合位点数量等，是提高吸附剂材料吸附性能的有效手段。Errasquin等人分别利用加热处理、化学灭菌以及机械破碎三种改性方法处理后的细胞吸附重金属Cu、Zn、Cd并与未改性处理的原样进行对比后发现，三种改性方法均显著提高了材料的吸附效率[120]；Rincón等人利用HCl、CaCl2、甲醛、Na2CO3、NaOH五种化学试剂对墨角藻Fucusvesiculosus进行了不同的化学改性，并比较了改性后的藻基生物材料对Cu、Cd、Pb、Ni的吸附性能，通过实验发现CaCl2的改性显著增加了墨角藻对四种重金属的最大吸附能力[121]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚氯乙烯生产废水的源头治理[J]. 郭志全,王庆天. 聚氯乙烯. 2017(07)
[2]我国燃煤部门履行《关于汞的水俣公约》的对策建议[J]. 张磊,王书肖,惠霂霖,郝吉明. 环境保护. 2016(22)
[3]有色金属冶炼烟气汞排放控制技术研究进展[J]. 马永鹏,杜京京,张新明,李亚松. 广州化工. 2016(16)
[4]《火电厂大气污染物排放标准》实施对燃煤电厂大气汞减排的影响[J]. 程轲,王艳,薛志钢,田宏,易鹏. 环境科学研究. 2015(09)
[5]典型行业含汞废水处理工艺[J]. 张晓东,邱运仁,杨兆光. 应用化工. 2015(08)
[6]冶炼烟气制酸中汞排放治理浅析[J]. 李云新,刘卫平. 世界有色金属. 2015(06)
[7]汞离子对细胞代谢通路影响的代谢组学[J]. 张瑞兴,刘舒,皮子凤,宋凤瑞,刘志强. 高等学校化学学报. 2014(06)
[8]美国燃煤电厂汞排放标准研究[J]. 王可辉,朱林,陈其颢,姜艳靓,步凡. 电力科技与环保. 2013(04)
[9]环境保护验收重金属污染与监测中的问题[J]. 齐文启,尤洋,林燕春,李韬,冯亚玲,邱立莉. 现代科学仪器. 2012(02)
[10]索氏提取器的起源与发展[J]. 关雅琼,张曜武,杨浩. 天津化工. 2011(03)
博士论文
[1]锰基低温催化剂氧化烟气中单质汞的机理研究[D]. 周子健.华中科技大学 2017
硕士论文
[1]混合废水耦合CO2培养微藻及处理废水的研究[D]. 姚丽丽.上海交通大学 2015
本文编号：3074862
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