黏土矿物—细菌复合体对Mn（Ⅱ）的吸附行为研究

论文摘要

微生物、黏土矿物作为新型的环境修复材料因为其廉价、储量丰富等特点成为国内外研究热点。本研究将抗重金属细菌负载到黏土矿物表面制得矿物-细菌复合体,在此基础上研究细菌对矿物表面性质及吸附性能的影响。论文主要结果如下:1.从受重金属锰污染严重的土壤中分离得到的抗锰细菌M-2经过生理生化实验和16S rDNA测序鉴定该细菌为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。该菌种对Mn（Ⅱ）的去除率达95%以上。2.不同种类矿物对抗锰细菌M-2的吸附量不同。本实验中沸石表面细菌的吸附量大于硅藻土表面细菌的吸附量;在一定范围内,随着溶液中菌量的增大以及吸附时间的延长,矿物对细菌的吸附量增大;在供试条件范围内当温度为40℃,pH为5.5-6.5时,各矿物对细菌的吸附量最大。3.抗重金属细菌负载到矿物表面将影响矿物的表面特性。研究结果表明将抗锰细菌负载到矿物表面使得硅藻土的电荷零点pHzpc由6.2下降到5.8,比表面积由85.3m2·g-1增大到98.2m2·g-1;沸石的电荷零点pHzpc由3.8上升到4.9,比表面积由141.9m2·g-1增大到160.5m2·g-1。4.在达到相同水平的最大吸附率（>80%）时,复合吸附剂的投加量低于单一矿物吸附剂的投加量,硅藻土类的吸附剂投加量高于沸石类的吸附剂投加量;温度对于两种矿物及矿物-细菌复合体的影响一致,随温度升高,对锰离子的吸附率升高;各吸附剂对Mn（Ⅱ）的吸附率随pH上升而增大,当pH>8.6,吸附率明显开始下降,且加入细菌的复合体系对Mn（Ⅱ）的吸附率高于单一矿物的吸附率。5.由Langmuir方程计算硅藻土、硅藻土-细菌、沸石、沸石-细菌对Mn（Ⅱ）的最大吸附量Qmax分别为45.28、56.18、58.14、71.43 mg·g-1,吸附常数K分别为0.01、0.03、0.09、0.11。抗锰细菌的加入使得硅藻土、沸石对Mn（Ⅱ）Qmax增幅分别为24%、23%,由K值判断,且增强了矿物与重金属离子之间的亲和力;各吸附过程均可以用准二级速率方程进行（R2=0.99）描述,这说明各吸附剂对Mn（Ⅱ）的吸附都存在化学吸附;计算硅藻土、硅藻土-细菌复合体、沸石、沸石-细菌复合体的表观吸附活化能Ea分别为14.73、16.15、12.35、18.53kJ.mol-1。矿物及矿物-细菌复合体对Mn（Ⅱ）的吸附过程并不是单一的以化学吸附为吸附速率控制步骤,同时也存在着物理吸附（液膜扩散）速率控制步骤,是由液膜扩散和化学吸附共同控制的过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 研究背景
• 2 黏土矿物在环境修复中的应用
• 2.1 黏土科学的兴起
• 2.2 黏土矿物的特殊结构及表面特性
• 2.2.1 黏土矿物的层间域
• 2.2.2 黏土矿物的表面积
• 2.2.3 黏土矿物的电荷
• 2.2.4 黏土矿物的电荷零点
• 2.3 黏土矿物的改性
• 2.4 黏土矿物与重金属离子的界面反应
• 3 微生物在环境修复中的意义
• 3.1 抗性微生物的筛选及抗性机理
• 3.2 生物吸附剂的应用
• 3.2.1 生物吸附与生物积累
• 3.2.2 生物吸附剂的制备
• 3.2.3 生物吸附剂的应用
• 4 矿物—细菌体系的环境修复应用
• 5 研究内容与意义
• 第二章 抗锰细菌的分离、鉴定与其生长特性
• 1 实验材料与方法
• 1.1 实验菌株的筛选
• 1.1.1 培养基
• 1.1.2 抗锰细菌的筛选
• 1.2 对锰的抗性水平和去除率的测定
• 1.2.1 锰抗性能力的测定
• 1.2.2 锰去除率的测定
• 1.3 抗锰细菌的鉴定
• 1.3.1 生理生化实验
• 1.3.2 16S rDNA序列分析
• 1.4 抗锰细菌的比表面积
• 1.5 抗锰细菌的生长曲线
• 1.6 温度、pH对抗锰细菌吸附Mn（Ⅱ）的影响
• 1.6.1 pH对抗锰细菌吸附Mn（Ⅱ）的影响
• 1.6.2 温度对抗锰细菌吸附Mn（Ⅱ）的影响
• 2 结果与分析
• 2.1 细菌的基本特征
• 2.1.1 对锰的抗性水平和去除率的测定
• 2.1.2 细菌的鉴定
• 2.2 细菌干重
• 2.3 细菌的比表面积
• 2.4 细菌生长曲线
• 2.5 细菌吸附Mn（Ⅱ）的影响因素
• 2.5.1 温度对细菌吸附Mn（Ⅱ）的影响
• 2.5.2 pH对细菌吸附Mn（Ⅱ）的影响
• 3 小结
• 第三章 黏土矿物对抗锰细菌的吸附及其影响因素
• 1 材料与方法
• 1.1 黏土矿物的制备
• 1.1.1 改性硅藻土的制备
• 1.1.2 改性沸石的制备
• 1.2 矿物对细菌的吸附
• 1.2.1 抗锰细菌菌悬液的制备
• 1.2.2 矿物吸附细菌的适宜菌量的确定
• 1.2.3 时间对矿物吸附细菌的影响
• 1.2.4 温度对矿物吸附细菌的影响
• 1.2.5 溶液pH对矿物吸附细菌的影响
• 2 结果与分析
• 2.1 矿物的基本性质
• 2.2 矿物吸附细菌的适宜菌量的确定
• 2.3 矿物吸附细菌的适宜时间的确定
• 2.4 温度对矿物吸附细菌的影响
• 2.5 溶液pH对矿物吸附细菌的影响
• 3 小结
• 第四章 矿物-细菌复合体对Mn（Ⅱ）的吸附行为
• 1 材料与方法
• 1.1 矿物-细菌复合体的制备
• 1.2 矿物及矿物-细菌复合体的电荷零点
• 1.3 矿物及矿物-细菌复合体的比表面积
• 1.4 矿物及矿物-细菌复合体对Mn（Ⅱ）的吸附
• 1.4.1 吸附剂用量对 Mn（Ⅱ）吸附效果的影响
• 1.4.2 Mn（Ⅱ）初始浓度及温度对吸附效果的影响
• 1.4.3 溶液pH对矿物及矿物-细菌吸附Mn（Ⅱ）的影响
• 1.4.4 时间对矿物及矿物-吸附细菌Mn（Ⅱ）的影响
• 2 结果与分析
• 2.1 矿物-细菌复合体的电镜检测
• 2.2 矿物与矿物-细菌复合体的零点电荷
• 2.3 矿物及矿物-细菌的比表面积
• 2.4 吸附剂用量对Mn（Ⅱ）吸附效果的影响
• 2.5 温度对吸附效果的影响
• 2.6 溶液pH对Mn（Ⅱ）吸附效果的影响
• 2.7 Mn（Ⅱ）的等温吸附曲线
• 2.8 Mn（Ⅱ）的吸附动力学
• 2.9 表观吸附活化能
• 3 小结
• 第五章 结论
• 1 结论
• 2 主要创新点
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介