【摘要】：鋼渣作為工業(yè)廢棄物產(chǎn)量巨大,本課題利用鋼渣作為吸附劑,“以廢治廢”,用于水體砷污染的修復(fù),對(duì)鋼渣進(jìn)行再利用的同時(shí),嘗試以一種較新的微生物改性手段實(shí)現(xiàn)鋼渣吸附性能的提升。首先對(duì)原始鋼渣的除砷性能進(jìn)行研究,結(jié)合鋼渣成分以及所選微生物——鐵氧化菌的代謝機(jī)理,利用鐵氧化菌制備改性鋼渣,并對(duì)得到的改性鋼渣材料進(jìn)行了吸附等溫線、吸附動(dòng)力學(xué)及影響因素研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)改性后的材料吸附性能確有提升。采用X射線熒光(XRF)、X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡(SEM)等材料表征手段對(duì)改性前后的材料進(jìn)行分析,嘗試探討其除砷機(jī)理。具體研究結(jié)論如下:(1)鐵氧化菌在將Fe(II)氧化為Fe(III)的過程中獲得生長(zhǎng)所需能量,且這一過程可發(fā)生在金屬表面,能夠由此改變金屬的物理化學(xué)性質(zhì),結(jié)合鋼渣的成分分析,鋼渣中存在Fe(II)形態(tài)的鐵元素,據(jù)此判斷可利用鐵氧化菌的代謝機(jī)制對(duì)鋼渣進(jìn)行改性,氧化其中的Fe(II)為Fe(III),增加Fe(III)的含量,提高對(duì)砷的吸附能力,改性結(jié)果發(fā)現(xiàn),與原始材料相比,改性3個(gè)月后的鋼渣對(duì)As(III)及As(V)的吸附量分別提高了378.2μg/g和506.2μg/g。(2)通過Langmuir模型和Freundlich模型的等溫吸附擬合,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Langmuir模型對(duì)原始鋼渣以及改性鋼渣吸附砷的擬合效果更優(yōu),由Langmuir等溫吸附模型擬合得到的改性鋼渣對(duì)As(III)及As(V)的最大吸附量別為2500.00μg/g和3333.33μg/g,與原始鋼渣相比分別提高了1071.43μg/g和1333.33μg/g。(3)對(duì)原始鋼渣及改性鋼渣除砷的動(dòng)力學(xué)研究采用了Lagergren準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程、Lagergren準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程和Elovich方程、粒子內(nèi)擴(kuò)散方程四種模型進(jìn)行擬合分析,發(fā)現(xiàn)Lagergren準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程可以更好的描述鋼渣除砷過程,說明鋼渣對(duì)砷的去除以化學(xué)吸附為主。(4)通過對(duì)原始鋼渣及改性鋼渣除砷的影響因素研究發(fā)現(xiàn),在中性pH的條件下,原始鋼渣對(duì)砷的吸附量最大,而改性鋼渣除砷的最佳pH為6;隨著溫度的提高,鋼渣對(duì)砷的去除效果也有所提升,但提升幅度較小;投加量與鋼渣的吸附量呈正相關(guān)關(guān)系,隨著投加量的增加,鋼渣的吸附量增速出現(xiàn)變緩趨勢(shì);溶液中的陽離子可促進(jìn)鋼渣除砷,而陰離子對(duì)鋼渣除砷則有明顯的抑制作用。(5)XRF分析發(fā)現(xiàn)改性鋼渣中的Ca、Fe含量略有下降,燒失量由未檢出增至11.936%,原因是改性材料中存在部分微生物殘?bào)w,水羥基含量增加;XRD及FTIR分析結(jié)果顯示,改性材料中Ca(OH)_2減少,且出現(xiàn)了少量的Fe(III),掃描電鏡及比表面積測(cè)試表明改性鋼渣中孔隙增多,比表面積較原始鋼渣增大了40.1454m~2/g,孔隙容積增大至原來的5倍。(6)鋼渣除砷的主要吸附機(jī)制包括:(a)物理吸附,鋼渣依靠自身的比表面積及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)砷離子有吸附作用,改性材料的孔隙容積增加、比表面積增大,吸附能力相應(yīng)得到提升;(b)化學(xué)反應(yīng),鋼渣中的鈣、鐵等金屬元素或其氧化物與砷離子形成共沉淀,也是水體除砷的一條重要的途徑。
【圖文】：

、改性鋼渣的制備：使用富集培養(yǎng)后的鐵氧化菌培養(yǎng)液對(duì)原始鋼月的侵蝕浸泡改性，并定期向培養(yǎng)瓶中添加培養(yǎng)液，使細(xì)菌保持。對(duì)制備得到的材料進(jìn)行除砷效果的初步研究，與原始鋼渣進(jìn)行、改性鋼渣除砷性能研究：探究改性鋼渣的吸附等溫線以及吸附動(dòng)擇 pH、溫度、投加量、共存離子作為除砷影響因素進(jìn)行研究。且范圍、變化梯度與原始鋼渣保持一致，與原始鋼渣的除砷性能研比。、鋼渣除砷機(jī)理初探：利用 X 射線熒光（XRF）、X 射線衍射（X變換紅外光譜（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）、比表面積測(cè)試（對(duì)改性材料進(jìn)行表征，研究鋼渣的結(jié)構(gòu)以及成分變化，嘗試分析 技術(shù)路線文研究技術(shù)路線見圖 1-1。

（1）FeO(OH)；（2）Ca(OH)2；（3）CaCO3；（4）Ca3SiO5（5）FeO圖 3-1 鋼渣 XRD 圖譜Fig.3-1 The XRD map of steel-slag綜合以上分析，結(jié)合鐵氧化菌的代謝機(jī)制和鋼渣的成分，鐵氧化菌可通過氧化鋼渣中的 Fe(II)為 Fe(III)，對(duì)鋼渣的原有結(jié)構(gòu)造成破壞，以此達(dá)到改變鋼渣物理化學(xué)性質(zhì)的目的。故最終選擇鐵氧化菌為實(shí)驗(yàn)中使用的菌種。3.3.2 鐵氧化菌的培養(yǎng)首次培養(yǎng)出現(xiàn)的菌落形態(tài)均為白色絲狀，，有研究者指出鐵氧化菌存在于這些白色絲狀菌中[86]，繼續(xù)培養(yǎng)至紅褐色圓形凸起狀菌落，見圖 3-2。與前人[86]研究結(jié)果一致，判定該菌落為鐵氧化菌。圖 3-3 為富集培養(yǎng)得到的鐵氧化菌。0 10 20 30 40 50 60 700250Two-Theta
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：X757

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