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羟肟酸类捕收剂生物降解性能研究

周文君  
【摘要】:羟肟酸是一种新型浮选捕收剂,在矿物浮选中的应用日益广泛,具有一定的毒性,能造成水体富营养化,目前关于此类化合物的生物降解性研究并不多见,因此研究羟肟酸类捕收剂的生物降解性对于指导选矿废水的处理具有一定的意义。 本研究选取了四种典型羟肟酸类捕收剂—苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、N-羟基邻苯二甲酰亚胺和H205(2-羟基-3-萘甲羟肟酸)作为研究对象,采用BOD5/CODCr法、振荡培养法、高锰酸钾指数法、改良斯特姆法四种评价方法对上述四种羟肟酸类捕收剂的生物降解性进行了系统性评价,并建立了降解反应的动力学方程,比较了其在单基质条件下以及添加碳源和氮源作为共基质条件下的生物降解特性。研究了羟肟酸类捕收剂的定量结构—生物降解性能关系(QSBR)模型,初步探讨了羟肟酸类捕收剂的生物降解机理。 本论文通过实验研究得出了以下主要结论: (1)在BOD5/CODCr比值法实验中,浓度为30mg/L的苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、N-羟基邻苯二甲酰亚胺的BOD5/CODCr比值分别为:0.35、0.33、0.32,三种羟肟酸的比值都大于0.3,可归为可生物降解有机物,H205的BOD5/CODCr比值为0.09,为难降解有机物。 振荡培养法实验中,苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、N-羟基邻苯二甲酰亚胺能较快的降解,H205的降解进行缓慢,四种羟肟酸的降解满足一级动力学方程,四种羟肟酸的反应动力学方程分别为:C=29.32e-0.7717t、C=30.38e-0.6415t、 C=29.61e-0.5413t以及C=29.85e-0.1012t。 在高锰酸钾指数法实验中,苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸以及N-羟基邻苯二甲酰亚胺第8d的降解率分别为58.78%、54.37%、50.36%,均大于30%,第20d的降解率分别为83.35%、80.88%、79.68%,均大于60%,这三种物质为易降解有机物;H205第20d的降解率为27.52%,小于30%,因此H205为较难降解类有机物。参比油酸钠第4d的降解率达100%,表明实验有效。 在改良斯特姆法实验中,苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸和N-羟基邻苯二甲酰亚胺和H20528d最终降解率分别为75.09%、72.97%、70.21%、-22.62%,IB值分别为199.37、189.46、187.40、72.06,前三种有机物为可降解有机物,H205为难降解有机物。 综合四种评价方法的实验结果可初步判断:苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、N-羟基邻苯二甲酰亚胺属于易降解类有机物,而H205属于难降解类有机物。 (2)四种羟肟酸类捕收剂在单基质条件下的降解性较差,其生物降解过程都满足一级动力学方程,活性污泥中的微生物没有被底物饱和,增加羟肟酸初始浓度时其生物降解速率会增加。 在添加碳源和氮源的条件下对羟肟酸类捕收剂进行生物降解,实验表明,在同时添加葡萄糖和蛋白胨作为共基质条件下,苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、N-羟基邻苯二甲酰亚胺以及H205的最终降解率分别由单基质条件下的63.77%、62.31%、60.58%、36.84%增大到99.26%、99.03%、98.17%、53.87%,共代谢是提高羟肟酸类捕收剂生物降解性的一个有效方法。 (3)建立了羟肟酸类捕收剂的定量结构—初级生物降解性能关系(QSBR)pri模型:κ=2.4083+0.1471EHOMO-0.4703ClogP (R2=0.9530);定量结构—最终生物降解性能关系(QSBR)ult模型为:PCD=0.9704-0.0757EHOMO-0.9628CLogP, R2=0.9022,得出羟肟酸类捕收剂的生物降解性主要受电性参数EHOMO和疏水性参数CLogP的影响。 (4)通过紫外光谱和红外光谱分析,初步判断羟肟酸类捕收剂降解的可能途径是在微生物作用下苯环先生成了苯酚后再生成邻苯二酚,邻苯二酚进一步被降解导致苯环断裂,可能生成羧酸、带羟基或羧基的醛,继续被降解生成己二烯二酸或者2-羟基己二烯二酸,这些物质在微生物作用下最终氧化产物为C02. H20. 本论文的主要创新点及意义: (1)采用了四种不同的有机物生物降解性评价方法对羟肟酸类捕收剂的生物降解性进行了系统性评价,四种评价方法相互补充,避免了单一评价方法自身的局限性,为含羟肟酸类捕收剂的选矿废水的处理提供了科学依据。 (2)研究了四种羟肟酸类捕收剂分别在单基质条件下以及共基质条件下的生物降解性,发现添加碳源、氮源能缩短羟肟酸类捕收剂的降解反应时间,提高降解率,尤其是对难降解羟肟酸类捕收剂H205,共代谢是提高降解效率的一条有效途径,为强化含羟肟酸类捕收剂的选矿废水的处理开辟了新的途径。 (3)建立了羟肟酸类捕收剂的定量结构—初级生物降解性能关系(QSBR)pri模型和定量结构—最终生物降解性能关系(QSBR)ult模型,根据所建立的模型分析了影响羟肟酸类捕收剂生物降解性的决定因素,为预测羟肟酸类捕收剂的生物降解性提供了一定的依据,对于设计合成新型、环保、易降解的羟肟酸类捕收剂有一定的指导作用。


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