重金属离子吸附材料的制备及性能研究

【摘要】：水是人类生产和生活不可缺少的环境资源要素,重金属污水处理关系到人们的生活质量和生活环境。污水处理常用方法之一是吸附法,而该技术的关键是吸附材料。陶瓷颗粒是一种吸附效率高、吸附成本低的备受关注的水处理吸附材料。 基于物质吸附和基因工程的复合功能,本论文通过对多孔陶瓷滤料的模拟研究,以资源丰富、价格低廉的粘土为陶瓷骨料,采用造孔剂添加法和颗粒堆积法制备多孔陶瓷滤料。研究了多孔陶瓷对重金属离子的吸附能力和机理,为处理重金属污水提供实验基础和理论依据；从抗逆性强的枣树中克隆具有结合重金属能力的基因——金属硫蛋白基因,构建了能够实际应用于污水处理的基因工程菌,并研究了多孔陶瓷载金属硫蛋白基因工程菌对重金属离子的吸附性能。研究的主要内容和结果如下： 1、陶瓷的性能与微观结构密切相关,所以研究陶瓷烧结过程中的微观结构演化至关重要。论文以经典Monte Carlo方法为基础,改进了Monte Carlo方法。模拟时不仅考虑陶瓷晶粒本身,同时考虑气孔相的影响。使用改进了的Monte Carlo方法,开发了陶瓷烧结微观结构演化模拟程序。使用该程序模拟了陶瓷烧结过程在不同烧结温度、烧结时间条件下的微观演化。 2、具有良好的吸附和离子交换性能的粘土类吸附剂的制备。本论文采用造孔剂添加法和颗粒堆积法,在1250℃烧成温度下保温0.5h、60～80目的造孔剂煤粉和石墨分别添加15%、5%,100～120目的改性剂、蛭石添加2%的实验条件下,制得显气孔率为58%,体积密度为1.081g/cm3的粘土基多孔陶瓷滤料。 3、多孔陶瓷对金属离子的吸附性能受溶液pH值、初始浓度等因素影响。论文具体研究了多孔陶瓷对Cu2+、Zn2+的吸附率随溶液pH值、初始浓度的变化规律；通过吸附动力学曲线分析吸附过程分为起始的快速吸附、随后的缓慢吸附以及平衡吸附三个阶段,使用Langmuir方程和Freundlich方程描述多孔陶瓷对Cu2十的吸附过程,确定吸附速率主要由化学吸附所控制,且吸附过程由多个步骤组成。 4、采用第一性原理对石墨烯及掺杂金属类的石墨烯体系对金属硫蛋白的吸附进行了研究,从理论角度提出了通过掺杂金属原子来提高石墨烯对金属硫蛋白的吸附的方法。 5、采用生物法治理重金属污染是一条高效、经济的途径。本论文构建了谷胱甘肽硫转移酶和枣树金属硫蛋白基因的融合表达载体,并成功导入大肠杆菌E.coli BL21(DE3),从而构建了金属硫蛋白的基因工程菌。论文利用该基因工程菌为对象,研究其对重金属离子的吸附能力,具体研究硫的最佳投配量、接种量等因素对重金属Zn2+、Cu2+和Cd2+等的吸附率的影响,此研究为重金属废水的处理奠定了一定的基础。