抗生素菌渣的改性及其对重金属吸附性能研究

发布时间：2018-03-11 00:24

  本文选题：抗生素菌渣　切入点：改性　出处：《西北农林科技大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,电镀、冶金、制革和纺织印染等行业排出的重金属污染废水已成为生态环境的重要污染物,并直接或间接地对人类健康造成极大的危害。我国是抗生素类药物生产与出口大国,菌渣产量很大,因为存在抗生素残留等问题,已经被定义为危险废物。对于菌渣的处理国内外尚无切实可行的技术手段,这成为制约制药行业可持续发展的瓶颈。生物吸附技术作为新兴的重金属去除技术,愈来愈受到人们的关注。与传统的重金属离子去除方法相比,生物吸附法的吸附原料来源广泛,且在原料的成本及环境保护方面显示出较大的优势,因此具有广阔的应用前景。本论文选用抗生素药厂废弃物菌渣(AFD)为原料,通过对其进行化学改性和热解处理,制备了几种重金属离子生物吸附剂,并通过对水溶液中Cr(VI)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)吸附行为的研究,考察了改性菌渣和生物炭菌渣吸附剂的吸附性能。采用现代分析检测技术,如BET-N2吸附法、红外光谱分析和扫描电镜等,对改性前后菌渣的比表面积、表面电荷、结构、形貌进行了表征,探讨了菌渣吸附重金属的机理,优化了改性反应的条件。通过静态吸附实验,考察了在不同加入量、p H、温度、时间、初始浓度的条件下,改性菌渣吸附剂和生物炭菌渣对重金属离子吸附效果的影响,并对吸附热力学及动力学行为进行了研究;同时,对菌渣的再生技术进行了试验。未改性菌渣具备一定的吸附重金属离子的能力,但是吸附效果较差。因此,对菌渣进行了改性,酸浸泡和盐浸泡改性法研究发现HCl改性(AMAFD)和Ca Cl2改性菌渣(CCMAFD)对Cr(VI)有一定的吸附效果。结果表明,随着吸附剂加入量的提高,改性菌渣对水溶液中阴离子的去除率也随之提高,增加到一定程度,去除率变化不大,当加入量为20 mg·L-1时,改性菌渣对水溶液中Cr(VI)具有较好的吸附效果。溶液的p H能够影响改性菌渣的吸附效果,其主要原因是p H值改变了Cr(VI)离子的存在形态以及吸附剂表面的电荷电性。p H值为1时,改性菌渣对Cr(VI)去除率达到90%以上。在不同的初始浓度条件下,改性菌渣对水中Cr(VI)的吸附动力学曲线有相同的趋势,AMAFD在3 h、CCMAFD在2 h内即可达到吸附平衡。随着温度的提高,改性菌渣吸附阴离子效果稍有下降,说明改性菌渣对阴离子的吸附是放热反应,降低温度可以提高吸附效果,从吸附热的数值看,温度对吸附效果的影响不大,这就使得改性菌渣能在不同的季节使用并能取得较好的吸附效果。两种改性菌渣对Cr(VI)的理论饱和吸附量分别为9.53 mg·g-1和8.02 mg·g-1。吸附机理主要涉及:少量的物理吸附作用;以及吸附剂上的一些基团与Cr(Ⅵ)的氧化还原作用。另一种化学处理方法是碱处理。结果显示Na OH浸泡改性菌渣(SHMAFD)对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)有一定的吸附效果。静态吸附实验结果表明,吸附过程的最佳p H值为Pb(Ⅱ)是3.5,Cd(Ⅱ)是5;随着固体吸附剂加入量的提高,改性菌渣对水溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的去除率也随之提高,当固液比为16 g·L-1和20 g·L-1时,SHMAFD对水溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)具有较好的吸附效果;SHMAFD对重金属离子的吸附在2 h基本达到平衡,吸附反应速率先快后慢。热力学数据说明碱改性菌渣生物吸附剂对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附过程是自发进行的、熵增大的放热过程。吸附机理主要涉及:少量的物理吸附作用;Na+与Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)之间的离子交换,以及吸附剂上的基团比如—OH和—COOH与Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的络合作用。热解可能是抗生素菌渣处理的有效方式,因为通过热解有机物会分解,无机物被浓缩趋于稳定。本研究在500℃下热解1 h得到菌渣生物炭(BAFD),将其用于废水中重金属的去除。静态吸附实验结果表明,随着菌渣生物炭加入量的增大,对溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的去除率也随之提高,当固液比为20 g·L-1时,菌渣生物炭对溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附效果较好。菌渣生物炭对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附是一个快速吸附的过程。溶液的p H能够影响菌渣生物炭的吸附效果,Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)分别在p H 4和5时取得最大的去除效果。吸附过程的焓变△H0,表明菌渣生物炭对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附是一个放热的吸附过程,吉布斯自由能△G0,说明菌渣生物炭对Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附是自发进行的。使用吸附热力学模型研究菌渣的吸附性能,研究表明,菌渣生物吸附剂对重金属离子的吸附均符合Langmuir等温吸附模式。与AFD相比,AMAFD和CCMAFD对水中Cr(Ⅵ)的吸附容量均得到提高。吸附反应的活化能处于8.63~12.56 k J·mol-1范围内,说明改性菌渣吸附剂吸附重金属离子是化学吸附。使用吸附动力学模型研究菌渣生物炭的吸附性能,研究表明,菌渣生物炭对水溶液中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附过程符合准二级动力学方程和颗粒内扩散方程。吸附速率主要受颗粒内扩散控制。改性菌渣在使用一段时间后,由于吸附杂质的增多,吸附孔径的改变,致使吸附容量下降,吸附效率降低。因此,需要对吸附效率降低的菌渣吸附剂进行再生处理。使用0.1 mol·L-1 HCI溶液、0.1 mol·L-1EDTA溶液和0.2 mol·L-1Na OH溶液对吸附饱和的生物吸附剂上的Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)进行解吸,解吸率可达到90%以上。通过至少4次吸附-解吸循环试验表明,菌渣的吸附容量未发生明显的变化,可以循环利用。综上所述,本文制备的改性菌渣在Cr(VI)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)废水净化处理中的有着良好的应用前景。同时将为抗生素菌渣的资源化及深度利用提供一种新的思路。
[Abstract]:In recent years, electroplating, metallurgy, heavy metal pollution in tannery wastewater and textile printing and dyeing industry has become an important pollutant discharge of the ecological environment, and directly or indirectly caused great harm to human health. China is the antibiotic production and export country, mushroom production is very big, because of the problem of antibiotic residues, has been defined as hazardous waste. For handling domestic mushroom residue and there is no feasible technical means, which have become the bottleneck restricting the sustainable development of the pharmaceutical industry. Biosorption technology as a novel technique to remove heavy metals, has received more and more attention. Compared with the traditional method of removing heavy metal ions, adsorption material source biological adsorption method widely. Showed great advantages and cost and environmental protection material, so it has broad application prospect. This paper selected antibiotics plant waste Mushroom residue (AFD) as raw materials, through the chemical modification and pyrolysis process, the preparation of some heavy metal ions biosorption, and through the solution Cr (VI), Pb (II) and Cd (II) study on the adsorption behavior, adsorption properties of modified bacteria and bacteria biological carbon residue slag adsorbent was studied. By using modern analytical techniques, such as BET-N2 adsorption, infrared spectroscopy and scanning electron microscopy, the modified residue specific surface area, surface charge, structure and morphology were characterized and discussed the mechanism of adsorption of heavy metal residue, modified reaction conditions were optimized. Through static adsorption experiments under different amount of P, H, temperature and time were investigated, the initial concentration under the condition of modified bacteria residue adsorbent and biological carbon residue effect on the adsorption of heavy metal ions. And the adsorption thermodynamics and kinetics were studied; at the same time, the regeneration technology of mushroom residue in 琛屼簡璇曢獙.鏈�鏀规�ц弻娓ｅ叿澶囦竴瀹氱殑鍚搁檮閲嶉噾灞炵�诲瓙鐨勮兘鍔�,浣嗘槸鍚搁檮鏁堟灉杈冨樊.鍥犳��,瀵硅弻娓ｈ繘琛屼簡鏀规，

本文编号：1595770