铁基非晶材料在污水处理中的应用

摘要

面对日益恶劣的自然环境，如何减少人类活动对自然的污染和破坏，如何从自然界中获取安全的饮用水资源，是21世纪人类最关心的问题之一。本文以铁基金属非晶Fe78Si9B13为研究对象，分别研究了铁基金属非晶在工业污水处理中降解有机物的应用，及生活污水处理中对细菌的抗抑作用。
　　 铁基非晶能够高效的降解污水中的有机物。本研究以铁屑微电解处理方法为参考，自行设计了一种实验用曝气电解池。用化学需氧量作为衡量污水中有机物含量的主要指标，比较铁基金属非晶与传统微电解填料铁屑在相同的实验条件下对未知混合废水中有机物的降解能力。发现铁基金属非晶Fe78Si9B13和Fe73.5Si13.5B9Cu1Nb3在30分钟内分别可以减少废水18.93％和22.93％的化学需氧量，与传统微电解填料相当，但投入剂量仅为传统微电解填料的1/25。
　　 金属非晶Fe78Si9B13的回收预期良好，单次实验质量损失少于1.4％，多次回收利用质量损耗保持稳定。在XRD图谱分析中，没有发现铁基非晶材料的晶化。但是实验后，如果Fe78Si9B13暴露在空气中则会迅速在表面产生明显的锈蚀。探讨了一种铁基非晶在流体环境下的腐蚀行为，并认为这是铁基非晶降解有机物的主要方式。
　　 铁基非晶还能够有效地抑制微生物（包括细菌、真菌及放线菌）的生长。在振荡培养中，发现Fe基、Ni基和Cu基三种金属非晶都能抑制大肠杆菌的生长。用比浊法测定光密度OD值表征液体中细菌数量。添加金属非晶的大肠杆菌菌悬液比正常培养最多下降65％，比加入纯铁时下降57％。且金属非晶不同成分间对抑菌效果影响无显著差异(σ=0.05)，即Cu基非晶的抑菌效果与Fe基和Ni基相近。但在菌悬液细菌数量增加后，所有供试金属非晶的抗菌效果同时消失。在平板培养中，通过连续观察证实了这一过程。
　　 用平板培养测量金属非晶抑菌圈时，在金属非晶周围首次发现明显的抑菌边界，表现为抑菌圈边界细菌数量远远高于其它位置。三种金属非晶的抑菌圈半径最大仅为Fe78Si9B13的3.44mm，不到纯铁24.4mm的1/8。且抑菌半径不随着时间推移而增大，相反逐渐减小甚至完全消失，如Cu64Hf36、Fe78Si9B13。抑菌边界会在非晶的抑菌圈消失后逐渐消失。
　　 本文的结果扩大了金属非晶的应用领域，展示了Fe78Si9B13非晶应用于污水处理领域的工业应用前景。并提出新的作用机理，拓展了铁基材料降解有机废水的机理和无机抗菌材料抑菌机理的认识。