纳米氧化镁在水污染治理方面的应用研究

摘要

近年来，随着工业化的发展，全球范围内环境污染日益严重，已经危害到了人们的健康和生存的环境卫生。治理染料、重金属及致病微生物等污染的水体，已经成为刻不容缓的事情。目前治理水体污染的方法很多，其中吸附法具有高效、简便等优点而备受青睐，而随着纳米科技的迅速发展，纳米材料作为吸附剂已经表现出优异的净化能力。纳米MgO作为纳米无机材料，有着成本低、来源广泛、无毒以及环境友好等特性，并对水中染料、重金属离子和细菌有着优异的去除能力。本文围绕纳米MgO对有机染料吸附、重金属离子的吸附以及抗菌性能研究，以期为高效治理水体污染提供实验和理论依据。具体如下：
　　(1)通过溶胶-凝胶技术制备纳米MgO，并用SEM、XRD、FTIR、XPS和 BET等对其进行物相结构、表面形貌、比表面积等分析。结果表明所制备的纳米MgO呈颗粒状，分散均匀，粒径在20~30 nm范围。以甲基橙（MO）和大肠杆菌(Escherichia coli, E.coli)模拟污染废水，研究不同初始溶液浓度、不同反应时间、不同溶液组分等条件下纳米MgO对染料和细菌的去除效果。结果表明单一甲基橙情况下，5mg/L（实验中最大是10mg/L）的甲基橙对细菌没有毒性；纳米MgO在只含有E.coli时，60min内约有6-log的细菌失活；纳米MgO在E.coli-MO体系下，3h后对MO的去除率达到90％左右，且6-log细菌在60min内失活；纳米MgO在E.coli-MO体系下的抗菌效果略有减弱，当溶液中MO浓度增加时。
　　(2)以Cd2+和Pb2+-E.coli模拟污染废水，研究了纳米MgO在溶液中同时去除重金属与细菌性能，探讨了其去除机理。结果发现，100mg/L纳米MgO在E.coli-Cd2+体系中能够在30min内使7-log的细菌几乎完全失活并且在10min内将50mg/L的Cd2+完全去除。更有意义的是，在Cd2+存在下，纳米MgO的抗菌能力得到了增强。当Cd2+浓度达到10mg/L时，纳米MgO呈现出最强的抗菌能力，7-log数目的细菌在20min内就被完全杀死；但是进一步增加Cd2+浓度，纳米MgO的抗菌能力反而变弱。100mg/L纳米MgO在E.coli-Pb2+及E.coli-Cd2+-Pb2+体系中时，细菌在2h内都不能够被完全杀死，并且发现纳米MgO对重金属的吸附顺序为Pb2+>Cd2+。通过详细的研究纳米MgO在E.coli-Cd2+体系的吸附及杀菌，纳米MgO在去除Cd2+和E.coli时会生成Cd(OH)2和CdCO3，并伴随着细菌的矿化。隔离实验发现纳米MgO的抗菌性能随着Cd2+浓度增加明显增强；结合ROS测量实验结果，ROS的产生以及纳米MgO和细菌之间的直接接触是纳米MgO抗菌的两个主要机制。这两种方式会导致细菌的细胞壁破裂，当细胞壁破损时，细菌的周围的Cd2+更容易进入细菌的内部并伴随着细胞质的外流，从而加速了细菌的死亡。

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1 绪论

1.1 水资源污染现状

1.2 水污染处理技术的研究进展

1.3 纳米氧化镁的理化性质及制备方法

1.4 纳米氧化镁在环境治理方面的应用

1.5 本课题的研究目的和研究内容

2 纳米MgO同时去除水中有机染料与细菌

2.1 引言

2.2 纳米MgO的制备及去除实验

2.3 纳米MgO的表征分析

2.4 纳米MgO同时去除E. coli与MO

2.5 本章小结

3 纳米MgO同时去除水中细菌与重金属

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器及去除实验

3.3 纳米MgO同时去除E. coli与Cd2+

3.4 纳米MgO分别对E. coli-Pb2+和E. coli-Cd2+-Pb2+去除性能

3.5 纳米MgO的抗菌机理分析

3.6 本章小结

4 总结与展望

4.1全文总结

4.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录