酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料的制备及其对阿特拉津的去除性能

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20世纪70年代以来,除草剂阿特拉津因其良好的除草性能而在全世界范围内被广泛使用,为农业增产增收带来了较大的贡献。但是在实际除草过程中,只有少部分的阿特拉津能被杂草吸收达到除草效果,绝大部分的阿特拉津则遗留在大气、土壤和水环境之中。随着阿特拉津用量的逐年增长,阿特拉津在环境中的积累量不断增加,在大气沉降以及土壤淋溶等自然作用下,人类赖以生存的地表水、地下水甚至是饮用水中不断被检测出含阿特拉津。作为一种难降解有机污染物,阿特拉津对自然环境中的动植物的毒害作用非常大,人类长期接触阿特拉津致癌致畸致突变的风险明显增大。为解决阿特拉津对生态环境的破坏和降低阿特拉津对人类生活的危害,经济有效处理阿特拉津的新材料和新工艺的研究极为重要。因此,采用经济合理的处理方法,研究处理过程中阿特拉津的迁移转化途径,提出处理阿特拉津的工艺参数已成为国内外研究的热点。根据阿特拉津的性质特点,结合国内外研究的经验,本研究将纳米Fe3O4和酿酒酵母菌进行固定,制备出酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料用于处理阿特拉津污染的废水。利用共沉淀法制备出生物炭改性的磁性纳米Fe3O4,将磁性纳米Fe3O4颗粒与酿酒酵母菌一起包埋于海藻酸钠和聚乙烯醇基质(SA-PVA)之中,形成球型磁性生物纳米复合材料。利用HR-TEM、XRD、EDS、FTIR和磁滞回线等表征手段分析制备的Fe3O4颗粒的特征,同时对制备的酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料进行SEM分析。结果表明制备出的Fe3O4颗粒是粒径为10-20 nm的类球形结构,生物炭成功的负载于Fe3O4颗粒上,使得Fe3O4颗粒表面富含C-O、C=O、C-OH等官能团,Fe3O4颗粒的饱和磁化强大值高达45.93 emu/g,且无迟滞、矫顽力和剩余磁化现象出现。SEM图谱表明Fe3O4颗粒和酿酒酵母成功包埋于SA-PVA基质中,合成的磁性酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料内部空间大,微生物在阿特拉津废水中长势良好。将制备的酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料用于处理阿特拉津污染,主要研究了环境温度、水体pH、转速和阿特拉津浓度对阿特拉津去除的影响,同时研究了营养物质氮源、碳源和Fe3+在阿特拉津去除过程中的影响。此外,对利用该酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料去除阿特拉津的机理进行了探讨并提出了阿特拉津的降解途径。结果表明,在28o C,pH为7.0,150 rpm条件下,酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料对2.0 mg/L的阿特拉津的去除率可高达100%,对50 mg/L的阿特拉津的去除率也能保持在95.53%。水中阿特拉津的去除主要依赖于微生物的生物降解作用,阿特拉津被微生物用作氮源和唯一碳源而被去除,外加碳源严重抑制阿特拉津的降解(100 mg/L外加碳源对阿特拉津的抑制率为41.7%,而增加至5 g/L时,抑制率则高达91.5%),亚硝酸盐会稍微抑制阿特拉津的降解(NO2-浓度高达100mg/L时,抑制率约为25.8%),而外加适量的硝酸盐有利于阿特拉津的降解。在酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料的作用下,阿特拉津通过脱氯、脱烷基、脱氨基、异构化和开环矿化作用而从废水中去除。因此,酿酒酵母纳米Fe3O4复合材料对处理阿特拉津废水具有较大的潜力,是一种绿色、经济且高效的处理方法。
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