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固定化细菌对铅和镉的吸附—解吸研究

郎兴华  
【摘要】:重金属离子进入环境后不象有机污染物那样能够被细菌等微生物降解,而往往进入食物链直接威胁人体健康。近年来,人们发现自然界中的某些微生物对重金属具有一定的吸附去除作用,通过筛选具有高效吸附性的微生物能有效去除重金属。然而微生物吸附重金属存在着一些不利的因素,如活性微生物体会因为重金属的毒性作用而死亡,非活性微生物在吸附重金属过程中由于膨胀或解离所带来的寿命缩短和二次污染等。为此人们采用了固定化技术将微生物固定,这样既结合了固定化技术的特点,又削除了微生物吸附重金属的不利因素,对处理低浓度重金属废水具有广阔的应用前景。 本文采用固定化包埋法,首先从污水处理厂的活性污泥中筛选出对低浓度Pb2+和Cd2+耐受性强且具有良好吸附作用的优势菌种,经鉴定为杆状的革兰氏阳性菌。然后以聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠作为包埋剂,以活性碳、硅藻土、二氧化硅作为吸附剂,以己二胺和戊二醛作为交联剂,制备固定化细菌小球,并对低浓度Pb2+和Cd2+溶液进行了一系列吸附-解吸实验研究。 以对Pb2+和Cd2+的吸附能力为主要考察指标,并结合机械强度、传质性、耐酸性等方面综合考虑,通过正交试验确定了固定化细菌小球制备的最佳条件。结果表明,在聚乙烯醇、海藻酸钠、活性碳、硅藻土、细菌、二氧化硅以及饱和硼酸中氯化钙的质量分数分别为10%、0.5%、1.5%、1%、0.8%、3%和4%,交联时间为24h,己二胺浓度为0.03mol/L的条件下,制得的固定化细菌小球对低浓度铅和镉的吸附能力都较强,并按照此最佳条件进行了验证实验,对铅和镉的吸附量分别达到4.7440μmol/g和4.1696μmol/g,去出率分别为54.00%和30.10%,且该小球的机械强度、传质性和耐酸性都较好。 在固定化细菌吸附实验中,探讨了被吸附重金属(Pb2+或Cd2+)浓度、吸附时间、pH值、温度、离子强度(NaNO3浓度)、共存离子(Cd2+或Pb2+)等因素对吸附量的影响。结果表明,随着被吸附重金属初始浓度的增大,吸附量也随之增加;随着吸附时间的延长,固定化细菌小球对Pb2+和Cd2+的吸附量都逐渐增大,在240min时达到吸附平衡;当pH值为5.0时,对Pb2+和Cd2+的吸附量都达到最大值;对Pb2+和Cd2+的吸附受温度影响较大,在40℃时吸附量达到最大值;溶液离子强度对吸附量的影响较小,当NaNO3浓度为1μmol/L时,吸附量达到最大值。由于Pb2+的竞争吸附能力大于Cd2+,所以Pb2+的存在对吸附Cd2+的影响较大,而Cd2+的存在对吸附Pb2+的影响较小。 为了验证固定化细菌小球的重复利用性,进行了不同初始浓度和时间的重复吸附实验。结果表明,固定化细菌小球对Pb2+和Cd2+的重复吸附能力都较强;随着吸附时间的增加,固定化细菌小球对Pb2+和Cd2+的重复吸附能力增强,但不是时间越长重复吸附能力越强。 将固定化细菌小球吸附Pb2+和Cd2+的溶液平衡浓度与吸附量之间的关系,采用Langmuir和Frendlich吸附等温式,进行数学拟合。结果表明,在所研究的重金属离子浓度范围内,固定化细菌小球对Pb2+和Cd2+的吸附可以用Langmuir和Frendlich等温式表征,其中对Langmuir等温式数据拟合得更好。对吸附动力学研究表明,Elovich和双常数速率模型都能很好地表征固定化细菌小球对Pb2+和Cd2+的吸附动力学规律。 在研究固定化细菌小球对Pb2+和Cd2+的吸附基础上,进一步探讨了在不同吸附条件下的解吸情况。在所研究的吸附条件相同时,吸附Cd2+后的解吸率普遍要比吸附Pb2+后的解吸率高,即Cd2+的解吸效果要比Pb2+的解吸效果好;无论是Cd2+共存时吸附Pb2+后的解吸率还是Pb2+共存时吸附Cd2+后的解吸率,和溶液中无共存离子时相比,均有不同程度下降,而前者解吸率降低更多。


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