羧甲基纤维素改性纳米零价铁协同微生物修复铬污染土壤

发布时间：2020-06-16 17:42

【摘要】：纳米零价铁(nFe~0)因其小粒径、大比表面积和强还原能力的优势,可用于铬污染土壤的修复。但是,自身磁性和高表面能使nFe~0极易团聚和被氧化,且随着反应的进行,nFe~0表面形成的钝化层会降低其反应活性。因此,急需行之有效的方法提高nFe~0的稳定性并解决其钝化问题。本研究采用羧甲基纤维素改性纳米零价铁(CMC-nFe~0),并将其与厌氧微生物结合,研究协同体系修复铬污染土壤的效果。实验结果表明,CMC-nFe~0比nFe~0具有更高的分散性和抗氧化性,能在14 d内保持良好的悬浮状态且56 d内不被氧化。在CMC-nFe~0协同体系中,土壤水溶态Cr(Ⅵ)的去除率为95.3%,与nFe~0单独体系(18.9%)相比,除铬能力提高了4倍。其中0.5倍的提升是由于微生物能够利用CMC作为碳源,维持自身的生长并增强去除Cr(Ⅵ)的能力;0.9倍的提升来源于CMC改性后提高了纳米铁的稳定性;2.6倍的提升源于纳米铁与微生物之间的协同效应。扫描电镜和X射线衍射结果显示,微生物能通过分泌胞外聚合物清除纳米铁表面的钝化层,促进铁腐蚀并诱导纳米铁表面生成具有高比表面积和强反应活性的铁矿物如磁铁矿、纤铁矿和绿锈等,为协同体系去除Cr(Ⅵ)提供反应位点。此外,微生物在消耗CMC时会释放纳米铁表面的反应位点,促进纳米铁与Cr(Ⅵ)之间的传质和反应。经协同体系修复后,土壤中64%的可溶态Cr(Ⅵ)和总铬转变为铬铁结合态,并在随后的铁矿物相变过程中嵌入晶相,最终以低毒性和难生物利用的形态稳定在固相中,使土壤中铬的危害大幅度下降。土壤常见的环境因子对CMC-nFe~0协同体系去除Cr(Ⅵ)有不同的影响。在一定范围内,低pH能加速铁的腐蚀和表面反应位点的更新,有利于协同体系去除Cr(Ⅵ);乙酸钠和腐殖酸能作为碳源被微生物利用,增强微生物的反应活性,促进协同体系去除Cr(Ⅵ)的过程;土壤溶解氧的存在会抑制厌氧微生物的活性,同时与Cr(Ⅵ)竞争体系的电子,抑制体系去除Cr(Ⅵ);硝酸盐在反硝化过程中易与Cr(Ⅵ)争夺铁腐蚀产生的电子,导致协同体系去除Cr(Ⅵ)的能力下降;硫酸盐能通过加快纳米铁的腐蚀和更新活性位点来抵消其在反硫化过程中与Cr(Ⅵ)竞争电子带来的负面影响,并在高浓度时通过诱导微生物生成具有强还原活性的硫铁矿物如四方硫铁矿,进一步增强协同体系去除Cr(Ⅵ)。综上,CMC-nFe~0与厌氧微生物协同能增强体系非生物和生物过程去除土壤Cr(Ⅵ)的能力,可望成为一种良好的铬污染土壤修复手段。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53
【图文】：

扫描电镜图

第二章羧甲基纤维素改性纳米零价铁的制备及性能形成大块状。这主要是因为 nFe0颗粒受到地磁力、粒子间静磁力以及表面张力三者的共同作用，导致其极易出现团聚现象，具有较差的分散性。然而，从图 2-1 可以观察到，经改性后的 CMC-nFe0能形成更小更均匀的球状或椭球状颗粒，其粒径介于 50~100 nm。CMC-nFe0颗粒因 CMC 分子间的静电位阻效应和空间位阻作用而呈现出以树枝链状相连的状态，没有出现大面积的堆积，其分散性得到明显提高。此外，BET 结果表明，nFe0的比表面积仅为 1.71 m2/g，而 CMC-nFe0的比表面积高达 9.33 m2/g，比 nFe0高 4.5 倍。实验结果与 SEM 分析相一致，即 CMC 包覆层能有效阻止纳米零价铁的成堆聚集，提高其分散性，维持其高比表面积。

X射线衍射图,X射线衍射图

图 2-2 nFe0和 CMC-nFe0的 X 射线衍射图Fig. 2-2 The XRD results of nFe0and CMC-nFe0TIR 光谱图可以看出，CMC-nFe0出现了与 CMC 相（1418cm-1附近）、非对称振动吸收峰（1619 cm-吸收峰（1054 cm-1附近），但与 CMC 相比，这些对应的稍微偏移，出现这种现象是因为 CMC 与的稍微移动。根据文献可知[85, 86]，CMC 与 nFe0的对称振动吸收波数（v(asym)）的差值△v 来判断：e0的△v 大于 CMC 的△v 时，两者的结合方式属于且 CMC-nFe0的△v 小于 CMC 的△v 时，两者的结 C-O 特征峰且 CMC-nFe0的△v 类似于 CMC 的△v从图 2-3 和表 2-2 可以发现，CMC-nFe0和 CMC 图），且 CMC-nFe0的△v（1614.1-1416.2=197.9 cm

【参考文献】