【摘要】： 利用水葫蘆根系作為生物吸附劑去除水溶液中的Cu(Ⅱ), Cd(Ⅱ),和Cr(Ⅵ)污染。氮?dú)馕剑摳降葴鼐�分析顯示,水葫蘆根系具有相對(duì)較小的比表面積,僅有4.5 m2 g-1。水葫蘆根系表面在零電荷點(diǎn)時(shí)的pH值為6.6,接近中性。 分別含有Cu(Ⅱ), Cd(Ⅱ),和Cr(Ⅵ)的單金屬系統(tǒng)生物吸附研究顯示,水葫蘆根系作為生物吸附劑對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)離子具有較高的吸附能力,分別為22.7和27.6 mg g-1,但是對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附能力非常有限。吸附平衡等溫線數(shù)據(jù)可以通過Langmuir和Freundlich模型擬合,結(jié)果顯示Langmuir模型對(duì)Cu(Ⅱ)的生物吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合效果比Freundlich模型更好,對(duì)Cd(Ⅱ)的生物吸附數(shù)據(jù),兩種模型都能提供很好的擬合結(jié)果,擬合參數(shù)顯示水葫蘆根系對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)兩種離子具有很高的親和力和吸附能力。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型揭示了水葫蘆根系對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)具有較快的生物吸附速率,并隨著溫度的增加而增加,這也暗示了水葫蘆根系對(duì)這兩種離子的吸附過程是典型的吸熱過程,這也和熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果相一致。水葫蘆根系吸附劑對(duì)Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附活化能通過計(jì)算分別為28.35和23.45 kJ mol-1,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,這兩個(gè)值都屬于化學(xué)吸附范圍內(nèi),所以吸附過程主要是化學(xué)過程,這也與SBET測(cè)定結(jié)果相一致。 溶液pH值可以嚴(yán)重影響吸附過程。利用水葫蘆根系分別去除Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的過程中,發(fā)現(xiàn)了溶液pH的減小和根系表面鈣離子的釋放現(xiàn)象,這也暗示了吸附過程中存在離子交換的機(jī)理。通過X-射線光電子能譜分析,發(fā)現(xiàn)吸附前后氧的相對(duì)濃度變化以及碳和氧結(jié)合能的偏移,說明了Cu(Ⅱ)與吸附劑表面形成了復(fù)合物,這也與紅外光譜分析中發(fā)現(xiàn)的-OH和C=O振動(dòng)峰發(fā)生偏移相一致。本研究暗示離子交換和復(fù)合物的形成是水葫蘆根系作為生物吸附劑吸附去除Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的主要機(jī)理。 在二元金屬系統(tǒng)下,分別研究了水葫蘆根系在Cd(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)Cu(Ⅱ)兩種系統(tǒng)下的吸附過程。雖然水葫蘆根系對(duì)但系統(tǒng)中的鎘和銅兩種金屬都具有較高的吸附能力,但在兩者混合系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn)Cu(Ⅱ)的存在強(qiáng)烈的抑制了根系對(duì)Cd(Ⅱ)的生物吸附過程。吸附過程中輕離子如Ca2+,Ma2+,K+和H+的釋放也證明了二元金屬系統(tǒng)生物吸附過程中離子交換的機(jī)理存在,但釋放量的差異也說明了兩種金屬在根系表面具有不同的結(jié)合活性位點(diǎn)。通過XPS分析揭示與吸附劑表面的氨基和含氧官能團(tuán)的螯合作用對(duì)生物吸附Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)具有較大貢獻(xiàn)。被Cd(Ⅱ)占據(jù)的吸附位點(diǎn)可以被銅離子輕松取代,這也證實(shí)了水葫蘆根系作為生物吸附劑對(duì)銅離子具有更強(qiáng)的親和力。 當(dāng)反應(yīng)體系溫度增加時(shí),根系吸附劑對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附速率常數(shù)增加的倍數(shù)增加的更顯著,這主要是由于根系吸附Cd(Ⅱ)的活化能比吸附Cu(Ⅱ)的活化能更大(28.35對(duì)23.45 kJ mol-1),這在某種程度上可以削減Cu(Ⅱ)存在對(duì)Cd(Ⅱ)吸附的影響。然而,水葫蘆根系對(duì)Cu(Ⅱ)具有的更強(qiáng)的親和力最終還是強(qiáng)烈的抑制了對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附。而且對(duì)銅離子的吸附不僅可以發(fā)生在原根系上,而且可以發(fā)生在吸附Cd(Ⅱ)后的水葫蘆根系上。 本研究也為應(yīng)用活體水葫蘆修復(fù)含有鎘離子污染的廢水提供理論指導(dǎo),如果溶液中存在銅離子,必須考慮銅離子在修復(fù)鎘污染時(shí)的顯著抑制作用。 對(duì)比與Cd(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)的兩種陽離子組成的反應(yīng)系統(tǒng),本研究也探索了生物吸附在Cr(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)體系中的吸附影響,發(fā)現(xiàn)Cu(Ⅱ)的存在對(duì)水葫蘆根系吸附Cr(Ⅵ)具有協(xié)同作用,大大增加了Cr(Ⅵ)的去除量,而且并沒有減少對(duì)Cu(Ⅱ)的去除量。另外,這種協(xié)同效應(yīng)會(huì)隨著溫度的增加變得更強(qiáng)烈,導(dǎo)致大大提高了水葫蘆根系對(duì)六價(jià)鉻的吸附速率。 吸附重金屬前后的水葫蘆根系進(jìn)行XPS分析,N1s和O1s的高分辨圖譜顯示了顯著差別。金屬的吸附產(chǎn)生了結(jié)合能的顯著偏移,這可能是由于溶液中的鉻酸氫根與根系吸附劑表面的質(zhì)子化的氨基官能團(tuán)發(fā)生靜電吸引的作用所引起的。在Cr(Ⅵ)單系統(tǒng)中,由于Cr(Ⅵ)的氧化,羧基官能團(tuán)上C-O相對(duì)應(yīng)的峰消失,氨基官能團(tuán)的增加引起了質(zhì)子化的氨基官能團(tuán)的下降。 在Cu(Ⅱ)存在時(shí),氨基和羧基官能團(tuán)被銅離子的快速結(jié)合阻礙了胺基向氨基官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化,也同時(shí)阻礙了羧基官能團(tuán)被Cr(Ⅵ)的還原過程,這些也促進(jìn)了六價(jià)鉻直接通過靜電吸引而去除。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：X703

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2745233