海洋黑曲霉菌丝球去除水中Ni(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)及其相关机理研究

摘要

重金属废水因其排放量大、难处理以及重金属本身具有的毒理特性对环境和人体健康都造成的极大危害，已经引起广泛关注并成为亟待解决的环境问题。生物吸附法作为一种最具应用前景的重金属处理方法，是目前最具潜力的方法之一。
　　本文采用从东海海域海底污泥中筛选得到的海洋黑曲霉Aspergillus niger菌株作为出发菌种，利用其可以自动缠绕形成菌丝球的能力，制备成一种可以处理水中重金属的生物吸附剂。本文的重点是研究这种新的生物吸附剂在去除水溶液中的Ni(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的性能特征，考察其相应的操作条件，分析相关吸附和去除机理。
　　研究了菌丝球表面性能特征，发现菌丝球具有网状结构且表面带有大量活性基团，有助于吸附重金属离子，经zeta电位计测定发现，在pH2.5左右菌丝体表面处于零电荷，因此，在很宽的pH值范围内都带负电，这有利于吸附带正电的金属离子。
　　考察了各种因素对海洋黑曲霉菌丝球吸附Ni(Ⅱ)的影响，结果表明其吸附量随Ni(Ⅱ)初始浓度的增大而增大，随温度升高而降低，菌丝球经热灭活后降低了吸附效果，而用NaOH处理后提高了吸附效果，在pH为4时吸附效果最好。海洋黑曲霉菌丝球吸附Ni(Ⅱ)动力学过程符合准二级吸附动力学模型(R2＞0.99)，对菌丝球吸附Ni(Ⅱ)的吸附等温线数据用4种等温吸附模型（Langmuir模型，Freundlich模型，Tempkin模型，D-R模型）进行热力学拟合，其中Freundlich吸附模型能够更好的描述菌丝球的吸附行为(R2＞0.99)。经初步研究表明，海洋黑曲霉菌丝球吸附Ni(Ⅱ)的机理为一个表面吸附的物理吸附过程。
　　研究了海洋黑曲霉菌丝球脱除水溶液中六价铬离子(Cr(Ⅵ))的过程，考察了不同因素的影响，如pH、Cr(Ⅵ)初始浓度、菌丝球浓度等，结果表明这些参数都会影响脱除Cr(Ⅵ)的效果，pH的影响是最主要的，酸性条件有利于Cr(Ⅵ)的还原;Cr(Ⅵ)去除效率随Cr(Ⅵ)初始浓度的降低和菌丝球浓度的增大而增大，对Cr(Ⅵ)的去除效率最大可达99％，热灭活后对Cr(Ⅵ)也有很好的去除效果。
　　最后重点分析了菌丝球脱除Cr(Ⅵ)的机理，并提出了一条去除途径。尽管环境条件不同，但是溶液中的绝大部分Cr(Ⅵ)都已经被还原为Cr(Ⅲ)，最终可达到全部去除，结果证实了黑曲霉菌丝球去除Cr(Ⅵ)过程为吸附—还原过程，即菌丝球不仅能够把部分Cr(Ⅵ)吸附到菌丝球的表面，而且还可以把有毒的Cr(Ⅵ)还原为毒性较小的Cr(Ⅲ)。由此，充分说明黑曲霉菌丝球是一种非常高效的处理含Cr(Ⅵ)溶液的生物吸附剂。

目录

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论文说明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 课题背景

1．2 水资源概况和重金属污染现状

1．2．1 重金属的定义与特点

1．2．2 重金属污染的危害

1．2．3 重金属污染的来源

1．2．4 重金属废水污染的现状

1．3 重金属废水的处理方法

1．3．1 化学法

1．3．2 物理法

1．3．3 生物法

1．3．4 生物吸附法

1．4 生物吸附废水中重金属离子的机理

1．4．1 表面结合机理

1．4．2 离子交换机理

1．4．3 沉淀

1．4．4 酶促机理

1．4．5 氧化还原

1．5 本文的研究思路

第二章 海洋黑曲霉菌丝球成球及性能研究

2．1 引言

2．2 实验材料与仪器

2．2．1 菌种

2．2．2 培养基

2．2．3 主要仪器

2．3 实验方法

2．3．1 海洋黑曲霉菌丝球的制备

2．3．2 海洋黑曲霉菌丝球的预处理

2．3．3 显微镜观察

2．3．4 红外光谱分析

2．3．5 扫描电镜观察

2．3．6 Zeta电位测量

2．4 结果与讨论

2．4．1 菌丝球外观，大小，机械性能

2．4．2 预处理对菌丝球形态的影响

2．4．3 预处理对菌丝球表面的影响

2．4．4 Zeta电位

2．5 本章小结

第三章 海洋黑曲霉菌丝球对水溶液中Ni(Ⅱ)的吸附研究

3．1 引言

3．2 实验材料与仪器

3．2．1 主要试剂

3．2．2 主要仪器

3．3 实验方法

3．3．1 Ni(Ⅱ)溶液的配制

3．3．2 Ni(Ⅱ)的分析方法

3．3．3 菌丝球干重的测定

3．3．4 吸附实验

3．4 结果与讨论

3．4．1 Ni(Ⅱ)的标准曲线

3．4．2 不同因素对菌丝球吸附Ni(Ⅱ)的影响

3．4．3 吸附动力学

3．4．4 吸附等温线

3．4．5 机理的探究

3．5 本章小结

第四章 海洋黑曲霉菌丝球对去除水溶液中Cr(Ⅵ)的研究

4．1 引言

4．2 实验材料与仪器

4．2．1 主要试剂

4．2．2 主要仪器

4．3 实验方法

4．3．1 含铬水溶液的配制

4．3．2 菌丝球特征分析

4．3．3 生物吸附和生物还原实验

4．3．4 解吸实验

4．3．5 水溶液中铬的分析方法

4．3．6 菌丝球表面铬的价态分析

4．4 结果与讨论

4．4．1 不同因素对Cr(Ⅵ)去除的影响

4．4．2 海洋黑曲霉菌丝球去除Cr(Ⅵ)的机理探究

4．4．3 生物吸附与还原机理的分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历