生物炭、A.baumanniiAL-6及炭—菌共存体系去除Cr(Ⅵ)性能及机制的初探

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近年来,金属铬及其化合物广泛应用于电镀、金属加工、制革、油漆、颜料、印染等工业生产的各个领域中。随之而来的铬污染问题引发国内外学者越来越多的关注。因此,寻找出一种高效环保的处理Cr(Ⅵ)污染的方法是一项具有重要意义的课题。基于此,本研究利用玉米秸秆制备成生物炭,并对其进行改性,采用单因素方法优化改性条件,得到一种对Cr(Ⅵ)具有良好吸附能力的生物炭,并通过批吸附试验,优化反应条件,拟合吸附反应模型,结合改性生物炭的形态结构和化学组成,探索对Cr(Ⅵ)的吸附机理。同时,利用课题组前期分离出的具有良好异养硝化-好氧反硝化性能的鲍曼不动杆菌(Acinetobacterbaumannii)AL-6菌,研究该菌体在不同Cr(Ⅵ)浓度下的异养硝化-好氧反硝化性能以及在不同初始氨氮浓度下对Cr(Ⅵ)的去除的性能,并剖析可能的反应机制。最后,本研究将构建生物炭-菌体共存体系,来探明生物炭和微生物之间会发生怎样的相互作用来影响各自的去除Cr(Ⅵ)的性能,得到主要结论如下:(1)采用热解法将玉米秸秆制备成生物炭,在一定条件下加入氯化锌、氯化铁进行改性。通过对二次煅烧温度、氯化锌与炭的质量比、氯化铁与炭的质量比三个影响生物炭改性效果因素进行优化,最终得到最优条件为:二次煅烧温度为400℃、氯化铁投加比例为0.5、氯化锌投加比例为0.3。该条件下制备得到的生物炭对Cr(Ⅵ)吸附容量在吸附过程进行15min时分别是原炭、单一铁改炭、单一锌改炭的6.8倍、4.5倍和2.7倍。(2)复合改性生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附容量随溶液浓度以及接触时间的升高而增大。生物炭对于Cr(Ⅵ)具有良好的吸附效率,在1h时基本达到吸附平衡。在光照条件下生物炭对于Cr(Ⅵ)去除速率在吸附过程进行5min时比暗反应条件下去除速率高7%,证明在生物炭的制备中光催化剂的引入对于Cr(Ⅵ)的去除具有促进作用,提高了Cr(Ⅵ)的去除效率。同时,生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附反应是一种吸热反应,环境温度的升高对于吸附反应的进行起到促进作用。改性后,生物炭在Cr(Ⅵ)的吸附中,主要为化学吸附,其中羟基、羰基、羧基等官能团均参与了吸附过程。此外生物炭在制备过程中生成了Fe3O4、ZnFe2O4等物质,材料在经过吸附过程后,在35.5o、43.1o、62.6o出现多个铬峰,经过物相检索后,这些峰分别对应ZnFeCrO4,FeCr2O4,显示溶液中Cr(Ⅵ)在还原性物质的作用下,还原成了Cr(Ⅲ)。(3)本课题组前期研究所分离出的A.baumanniiAL-6在不同Cr(Ⅵ)初始浓度的异养硝化-好氧反硝化性能没有明显区别,但对菌株的生长速度有一定影响。在最佳温度和pH实验条件下,初始氨氮浓度分别为100-500mg/L,菌株A.baumanniiAL-6对Cr(Ⅵ)的去除率分别为68%,64%,66%,58%和19%。AL-6对Cr(Ⅵ)的去除效果受到细菌生长状况的影响,在氨氮浓度100mg/L时,细菌生长最好,对去除效果最佳。通过对使用过的培养基上清液总铬和Cr(Ⅵ)的测定,确定上清液中含有Cr(Ⅲ),证明此菌株对于Cr(Ⅵ)具有一定还原作用。(4)选用正交条件下优选出的复合改性生物炭以及经过驯化之后的菌株AcinetobacterAL-6进行联合,对废水中Cr(Ⅵ)进行去除。实验结果显示,复合改性生物炭以及AL-6菌的联合应用对于Cr(Ⅵ)具有一定的处理效果,炭菌联合对于溶液中Cr(Ⅵ)的去除在实验进行84h时达到平衡状态,其中对溶液中浓度为3mg/L、5mg/L、7mg/L和10mg/L的Cr(Ⅵ)去除率分别为66.3%、50.24%、49.1%、22.7%,结果表明复合改性生物炭以及菌株AcinetobacterAL-6进行联合对于低浓度条件下的含铬废水的去除具有较好效果。本探究为以后实现生物炭和微生物的联合去除污染物提供了一定的参考思路。
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