修饰和表面改性啤酒废酵母吸附金属离子的作用及应用研究

摘要

随着工业的发展，大量重金属废水的排放严重污染了环境，因此急切需要一种高效的水处理方法。微生物吸附法作为一种新型的水处理方法，具有原材料来源丰富、处理成本低、效率高、不会造成二次污染等优点，受到广泛的关注。 在众多的生物吸附剂中，选用了啤酒废酵母作为吸附剂的原材料，其表面富含羟基、氨基、羧基等官能团，并且分布广、繁殖快，原材料廉价、易得，这可以大大的降低实际水处理的成本。另一方面，啤酒废酵母作为一种生物吸附剂也面临着机械强度差、吸附容量较低、吸附干扰大、吸附选择性差、再生较困难等多种问题。 很多文献报道了用酸化、碱化、交联等简单的物理化学方法来改善酵母性能，结果均不理想。针对以上问题，本论文对失活的微生物表面修饰或改性制备成新的吸附剂对金属离子的吸附开展了以下研究： 1.以胱氨酸和戊二醛制备了聚合物包裹的啤酒废酵母，用显微镜、红外、XPS对废酵母进行了表征，同时用滴定法测定了废酵母表面的氨基含量。研究了修饰废酵母和未修饰废酵母对Hg(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)两种重金属离子的吸附行为，包括吸附溶液的不同酸度，吸附动力学，金属离子溶液浓度等。其中重点考察了它对这两种金属离子的吸附模式，结果表明，Langmuir最适合模拟修饰废酵母对两种金属离子的吸附模式。依据Langmuir等温式，修饰废酵母对Hg(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附容量分别为42.34 mg·g-1和15.15 mg·g-1，明显的高于未修饰废酵母。而且滴定分析结果表明：啤酒废酵母表面氨基的量是0.54mmol·g-1，修饰啤酒废酵母表面氨基的量为0.89mmol·g-1，修饰后细胞表面的氨基提高了1.6倍。胱氨酸修饰的啤酒废酵母处理含Hg(Ⅱ)模拟水样，Hg(Ⅱ)去除率达86.60％。 2.将胱氨酸修饰啤酒废酵母应用于氧化铝负载钴基催化剂样品中贵金属Pt(Ⅳ)的吸附。通过修饰废酵母对Pt(Ⅳ)吸附前后的XPS能谱N谱图分析表明，吸附主要依赖于氨基。研究了溶液pH、吸附时间、Pt(Ⅳ)的初始浓度以及溶液中存在Al(Ⅲ)和Co(Ⅱ)等主要因素对吸附剂选择性吸附Pt(Ⅳ)的影响。结果表明，在pH1.0的条件下，吸附平衡时间为60min，Pt(Ⅳ)的浓度为86.60mg·L-1，溶液中250倍的Al(Ⅲ)和75倍的Co(Ⅱ)不影响Pt(Ⅳ)的吸附与测定，可选择性的吸附Pt(Ⅳ)。最大吸附量为20.36 mg·g-1，是啤酒废酵母（5.08 mg·g-1）的4倍。 3.啤酒废酵母等吸附剂因其表面细胞的电负性而对重铬酸根等金属阴离子吸附效果不好，采用酸化和Fe(Ⅲ)改性啤酒废酵母表面电负性的方法制得对Cr(Ⅵ)吸附容量大，机械强度高的改性废酵母表面的吸附剂。研究了用于改性废酵母的金属离子的选择，改性废酵母对Cr(Ⅵ)吸附的不同影响因素。从啤酒废酵母、酸化废酵母、改性废酵母的对比可以看出，pH2.0～6.0的溶液中，吸附剂的吸附能力没有很大的改变；吸附时间在50min基本达到吸附平衡，吸附过程符合准二级动力学方程；Langmuir适合模拟改性废酵母对Cr(Ⅵ)的吸附模式，吸附量达12.98 mg·g-1。Fe(Ⅲ)改性啤酒废酵母对电镀废水中Cr(Ⅵ)的去除率达97.90％。