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《哈尔滨工业大学》 2017年
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黑曲霉—稻草秸秆复合吸附剂吸附重金属离子特征及机制研究

王婧瑶  
【摘要】:重金属污染问题亟待解决,生物吸附法在处理低浓度重金属离子废水的过程中彰显出的优势使其成为研究热点。生物吸附剂包括很多种:细菌、真菌、放线菌、藻类及木质纤维素类生物质等,传统的工艺多沿用的是单一种类的生物质吸附剂,本文创新的将真菌和木质纤维类生物质联用,采用固相发酵技术,制得廉价绿色的复合型吸附剂,同时以Cu~(2+)为探针对生物吸附机制进行了系统的探索和研究。本文首先以固相发酵技术代替传统的液相发酵制备出黑曲霉固相产物吸附剂,再以产孢量为指标筛选出木质类纤维素发酵底物,以响应面法优化发酵过程中的固相发酵条件,制备出廉价的真菌-木质纤维素类复合吸附剂,同时发现其吸附量高的原因在于黑曲霉固相发酵产物中孢子的存在。以黑曲霉液相发酵产物和未经发酵处理的木质纤维素类生物质为对照组,详细研究了黑曲霉孢子及黑曲霉-木质纤维类生物质复合吸附剂的吸附行为。采用碘值、比表面积测定、Zeta电位、电子扫描电镜、X射线光电子能谱、傅立叶红外光谱、场发射透射电镜、X射线衍射、原子力显微镜等分析手段对生物质吸附剂进行了表征;考察了溶液初始 pH值、生物质吸附剂投加量、吸附反应时间、重金属离子的初始浓度对吸附效果的影响,研究了共存离子对黑曲霉孢子吸附剂的选择吸附性及吸附剂吸附后处置方案;分析了吸附剂的吸附动力学、吸附热力学及吸附等温线;并对黑曲霉孢子吸附Cu~(2+)的机理进行了探讨。黑曲霉孢子吸附剂,黑曲霉固相发酵产物,液相发酵产物,黑曲霉-稻草秸秆复合吸附剂和稻草秸秆的碘值分别为1778mg/g、1239.8mg/g、593.7mg/g、348.92mg/g和233.68 mg/g。对于初始浓度为30mg/L的Cu~(2+)溶液,当吸附剂投加量为0.1g, pH未调,温度30℃,转速100rpm的条件下,黑曲霉孢子吸附剂,黑曲霉固相发酵产物,液相发酵产物,黑曲霉-稻草秸秆复合吸附剂和稻草秸秆的吸附Cu~(2+)的容量分别为21.9mg/g、20.3mg/g、8.1mg/g、4.75mg/g和1.94mg/g。扫描电镜-能谱(SEM-EDX)结果显示了黑曲霉固相发酵产物和液相发酵产物具相似的形貌和化学组分(CNOPK),FTIR结果表明(–COOH),(–NH2),(–PO43-)和(–OH)参与了反应。得出结论:孢子是吸附量高的关键。黑曲霉孢子在初始金属离子为30mg/L、吸附时间2h,温度30℃,转速100rpm的条件下,活性炭对Pb~(2+)、Hg~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附量分别为25.3mg/g、27.9mg/g、23.4mg/g和22.1mg/g,黑曲霉孢子对Pb~(2+)、Hg~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附量分别为24.8mg/g、26.8mg/g、22.1mg/g和21.9mg/g,两者差异不显著(P0.05)。在相同反应条件下,继续投加黑曲霉孢子分别至0.5g、0.4g、0.6g和0.3g时,Hg~(2+)、Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的浓度分别达到了国家污水综合排放标准。干扰阳离子(100-300mg/L)对黑曲霉孢子吸附Cu~(2+)的吸附能力影响顺序为Mg~(2+)Ca~(2+)Na+,而阴离子SO42-和PO43-存在的情况下对黑曲霉孢子吸附Cu~(2+)有促进作用,反向证明了络合机制的存在。响应面法优化黑曲霉固相发酵稻草秸秆的发酵工艺参数为:接种量1×106,温度303K,料液比为1:1。黑曲霉孢子和黑曲霉-稻草秸秆复合吸附剂吸附Pb~(2+)、Hg~(2+)、Cd~(2+)的容量为7.02mg/g、8.07mg/g和5.28mg/g。最适 pH均为未调 pH,并且两者分别在60min和30min内达到吸附平衡。黑曲霉孢子和黑曲霉-稻草秸秆复合吸附剂吸附Pb~(2+)、Hg~(2+)、Cd~(2+)的过程均符合二级动力学方程,等温吸附模型为Freundlich模型,说明了生物类吸附剂吸附阳离子重金属类的共性。FTIR显示–OH,C=O,C=O和C=C参与了黑曲霉-稻草秸秆吸附Cu~(2+)的过程。黑曲霉孢子是一种表面zeta电位为负值,直径2mm的小球,表面带有沟壑和凹槽,对水中Cu~(2+)的吸附机制主要是配位络合,其次是离子交换和静电吸引,黑曲霉孢子对水中Cu~(2+)的吸附过程符合准二级动力学和Freundlich模型,说明主要吸附机制是化学吸附过程且吸附剂表面是非均一的;热力学分析表明黑曲霉孢子吸附剂对Cu~(2+)的吸附为自发且吸热的过程。
【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】:2017
【分类号】:X703;O647.3

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