褐腐菌生物吸附劑去除水體重金屬的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、本文以褐腐菌Lentinusedodes的固態(tài)發(fā)酵物為原料，制備了褐腐菌生物吸附劑。采用多種先進(jìn)的技術(shù)手段，對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)鑒定研究；通過電位滴定和MATLAB模擬，對(duì)其在生物吸附過程中起作用的官能團(tuán)進(jìn)行了定性和定量分析。并將其應(yīng)用于陰離子Cr(Ⅵ)和陽離子Pb2+、Cd2+的生物修復(fù)上，對(duì)吸附過程的影響因素及吸附機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的探討。 生物吸附劑本身所含的物質(zhì)性質(zhì)，是決定該吸附劑吸附潛力的關(guān)鍵。本文通過掃描電鏡、等離子體光譜

2、分析、熱重分析、13C核磁共振波譜分析、傅立葉紅外變換光譜分析，對(duì)它進(jìn)行物質(zhì)結(jié)構(gòu)的鑒定和元素含量分析。分析結(jié)果表明，褐腐菌生物吸附劑是一種富含真菌菌絲體的、以木質(zhì)纖維素為主的生物質(zhì)。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元是愈創(chuàng)木基。主要含量的元素是Ca、Si、K、Mg和P，重金屬Cr和Pb的濃度都非常低。褐腐菌Lentinusedodes的固態(tài)發(fā)酵廢物是富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的產(chǎn)物，其中：纖維素含量22.86％，半纖維素含量19.71％，木質(zhì)素含量在1

3、0.24％。結(jié)構(gòu)官能團(tuán)中的羥基、羧酸基和磷酸基在生物吸附過程中起非常重要的作用。 為了解褐腐菌生物吸附劑對(duì)重金屬的吸附潛力，分別采用了電位滴定方法和MATLAB數(shù)學(xué)軟件計(jì)算的方法，對(duì)褐腐菌生物吸附劑的吸附官能團(tuán)進(jìn)行了定性與定量。電位滴定結(jié)果表明，在三個(gè)pH范圍內(nèi)存在著可以提供H+的官能團(tuán)。結(jié)合傅立葉紅外變換光譜，利用MATALB計(jì)算，褐腐菌生物吸附劑在吸附重金屬方面存在的3個(gè)重要官能團(tuán)，它們分別為0.44mmol/g的羧基(pK

4、H5.00)，1.38mmol/g的磷酸基(pKH7.32)，以及1.44mmol/g的酚羥基(pKH10.45)。 在褐腐菌吸附劑對(duì)陰離子Cr(Ⅵ)的吸附研究方面，分別考察了時(shí)間、吸附劑的粒徑、吸附劑用量、溶液pH值、氧化還原電位以及Cr(Ⅵ)的濃度對(duì)吸附效果的影響。并通過傅立葉紅外變換光譜和能譜分析，對(duì)褐腐菌吸附劑吸附Cr(Ⅵ)的機(jī)理進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，褐腐菌吸附劑吸附Cr(Ⅵ)時(shí)，有部分Cr(Ⅵ)被還原成Cr(Ⅲ)。45

5、0μm的粒徑是比較理想的粒徑。隨著吸附劑用量的增加，褐腐菌吸附劑對(duì)鉻的吸附在逐漸增加，但被還原的三價(jià)鉻卻變化不明顯。 對(duì)鉻的最大吸附量發(fā)生在pH4.0左右。隨著pH繼續(xù)增加，Cr(Ⅵ)去除量不斷下降。pH在2.0以下，溶液中幾乎不存在Cr(Ⅵ)。溶液的酸性越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的氧化勢(shì)越高，Cr(Ⅵ)被還原成Cr(Ⅲ)的量越多。在強(qiáng)酸性條件下，不論加入的Cr(Ⅵ)濃度多高(甚至達(dá)到1000mg/L)，溶液中幾乎都沒有Cr(Ⅵ)的存在，但被還

6、原成的Cr(Ⅲ)的量高于被吸附的量。在pH4.0左右，吸附的鉻的量比還原成三價(jià)鉻的量多出49.4％-100％，顯示出該條件下吸附作用比還原作用強(qiáng)。Langmuir等溫模型模擬的褐腐菌生物吸附劑在pH4.0左右吸附Cr(Ⅵ)時(shí)的最大吸附量是0.43mmol/g，與其它一些生物吸附劑比較，它有著非常大的應(yīng)用前景。吸附機(jī)理的分析表明，褐腐菌吸附劑吸附鉻后，增加了氮氧化物和羧基的含量，并且發(fā)生了陽離子的交換吸附。 在應(yīng)用褐腐菌生物吸附劑

7、對(duì)溶液中的陽離子Pb2+、Cd2+吸附方面，通過考察影響生物吸附的諸多因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該生物吸附劑吸附Pb2+在4h時(shí)就可以達(dá)到平衡，平衡吸附量可高達(dá)90mg/g。吸附劑用量為1g/L時(shí)生物吸附量最大。但吸附劑用量的增加，對(duì)鉛的去除率變化不大。溶液的pH在4.0以上的酸性條件下，可很大程度提高吸附劑對(duì)pb2+的吸附。1g/L的吸附劑用量條件下可達(dá)90％以上的去除效率。Pb2+濃度越高，由于溶液pH條件不同而引起的差別越大。在Pb2+

8、初始濃度600mg/L以下，pH處于4.5-5.5之間時(shí)，去除率都在85％以上。Cd2+對(duì)Pb2+的吸附存在干擾。Cd2+濃度小時(shí)干擾不強(qiáng)，但Cd2+濃度大時(shí)干擾在不斷增強(qiáng)。Langmuir等溫模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合相對(duì)較好(R2=0.989)，吸附劑對(duì)Pb2+最大吸附量可達(dá)4.02mmol/g。 對(duì)吸附陽離子Cd2+達(dá)到平衡的時(shí)間是4h。強(qiáng)酸性不利于對(duì)Cd2+的吸附；隨著溶液pH的升高，吸附量和吸附效率不斷地增加。當(dāng)含Cd2+溶液

9、的pH處于5.3-7.0之間時(shí)，褐腐菌吸附劑對(duì)鎘的吸附能力達(dá)到最好。Cd2+濃度越高，吸附劑對(duì)其吸附量越大，去除效率也越大。當(dāng)吸附劑用量高于10g/L時(shí)，吸附量基本達(dá)到飽和。利用Langmuir模型模擬的吸附鎘的最大吸附量是8.90mmol/g，顯著地高于其它一些生物吸附劑。 傅立葉紅外變換光譜和能譜分析結(jié)果顯示，褐腐菌生物吸附劑吸附陽離子Cd2+與Pb2+的機(jī)理是一致的。吸附后導(dǎo)致吸附劑上的羥基從多聚體向低聚體或單體轉(zhuǎn)移，并且