氨基修饰的壳核型纳米铁强化厌氧微生物脱氯特性及机理研究

发布时间：2020-11-14 01:08

　　 氯代芳香族化合物是工业废水中一类重要难降解有毒污染物,广泛的存在于造纸、炼油、塑料、农药、医药等废水中,对水环境造成危害极大,研究氯代芳香族污染物的治理方法有着重要的理论和现实意义。本研究采用表面改性技术合成具有氨基修饰后Si O2壳层包覆的纳米零价铁复合颗粒(NZVI@SiO_2-NH2),通过对复合颗粒结构的表征、抗氧化、分散性能和还原2,4,6-TCP效率的研究;建立了厌氧微生物/NZVI@SiO_2-NH2协同降解2,4,6-TCP的耦合体系,对比了改性前后NZVI和NZVI@SiO_2-NH2对厌氧微生物的强化脱氯的效率;通过对协同降解体系中厌氧颗粒污泥形态、发酵途径、电子传递活性、产甲烷活性及功能微生物的相对丰度变化,解析了NZVI@SiO_2-NH2在2,4,6-TCP降解过程中厌氧微生物菌群影响机制,并在对协同脱氯反应过程中NZVI@SiO_2-NH2表面形态变化、铁氧化的形成、表面元素的价态变化分析的基础上,提出了厌氧微生物环境下改性后纳米零价铁对微生物强化脱氯的作用机制。得到的主要结论如下:经过改性后合成NZVI@SiO_2-NH2颗粒团聚现象明显改善,呈现独立的球型,具有明显的壳核结构;粒径分布在90-130nm之间,壳层厚度为20nm左右,BET比表面积123.38m2/g。XRD、FT-IR、EDS、C/H/N元素分析表明,复合颗粒具有ɑ-Fe0晶型结构的内核,表面被SiO_2壳层包覆,氨基功能基团均匀地分布于壳层的表面,具有氨基修饰的二氧化硅壳层纳米零价铁复合颗粒被成功制备。化学性能稳定的SiO_2壳层能较好的保护NZVI核心,防止其表面氧化失活,实现长期在空气中保存;氨基功能基团的嫁接使带正电的NZVI颗粒表面的Zeta电势降低,使NZVI@SiO_2-NH2的团聚和沉降速度远小于NZVI。从而使NZVI@SiO_2-NH2颗粒在水体系中具有更强的还原脱氯能力,2,4,6-TCP的去除率达到68.7%,总的脱氯效率达到48.3%,远高于未改性的NZVI颗粒。NZVI@SiO_2-NH2颗粒对厌氧微生物降解2,4,6-TCP的去除率和脱氯效率都有明显促进作用,去除率从大到小为:AGS/NZVI@SiO_2-NH2AGS/NZVIAGS,AGS/NZVI@SiO_2-NH2协同体系的脱氯的效率达到92.4%;改性后的NZVI@SiO_2-NH2能够更好的促进厌氧微生物体系的产甲烷活性,协同降解体系的累计产甲烷量为169 ml CH4,比独立的厌氧微生物体系的累计产甲烷量分别提高了31.3%;协同体系对初始pH值的适应范围更广,并在pH为6.0时对2,4,6-TCP的去除效果最好。NZVI@SiO_2-NH2投加量需要根据目标污染物的浓度和厌氧微生物活性的响应进行调节,过多的添加NZVI@SiO_2-NH2(2g/L)会对协同体系中的去除率和产甲烷的活性都产生明显的冲击。在协同降解体系中,NZVI@SiO_2-NH2的添加不会破坏厌氧微生物体系中颗粒污泥的表面结构的完整性;协同体系内颗粒污泥的主要胞外聚合物的总含量为36mg/g VSS,是AGS独立降解系统的两倍左右;在60h和120h后,体系的电子传递体系的活性分别上升了21.5%和27.9%;系统中主要的VFA成分乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的总量为246.4mg/L,四种主要的有机酸的比例分别46.47%、25.34%、16.94%、15.62%。体系中Syntrophomonas app.、Syntrophobacter wolinii、Acetobacterium sp.E.limosum三种功能微生物的相对丰度分别达到了为79.3%、81.3%和16.3%,远远高于独立的厌氧脱氯系统AGS。NZVI@SiO_2-NH2对厌氧微生物系统中的辅酶F420的浓度、真细菌和古细菌的相对丰度都明显的促进作用,其相对应的微生物种群的相对丰度分别由最初的51.7%和28.3%提高到81.4%和37.2%。表明了改性后NZVI@SiO_2-NH2颗粒能够有效的促进为厌氧功能微生物的活性。NZVI@SiO_2-NH2反应后氨基修饰的SiO_2壳层依然包覆在NZVI周围,壳层上出现许多针状和片状的沉积物。协同降解2,4,6-TCP过程中复合颗粒释放的铁离子主要是以Fe2+离子的形态存在,溶液中Fe2+浓度由0.4mg/L上升到42mg/L;拉曼光谱显示分别在218cm-1和283 cm-1处出铁氧化物α-Fe2O3和α-FeOOH的特征吸收峰,反应后NZVI@SiO_2-NH2颗粒的表面在706eV-730eV出现了明显的Fe2p特征峰;主要产物还是为FeO和Fe(OH)2,其次为FeOOH,但表面包覆的过程并不改变复合颗粒核心NZVI的反应原理。综上所述,改性后具有氨基修饰的SiO_2壳层并未影响核心NZVI对2,4,6-TCP的还原脱氯反应,高活性和较好的分散性能使NZVI@SiO_2-NH2能够迅速降低目标污染物浓度,减少2,4,6-TCP对厌氧微生物的毒性作用,为微生物提供充足的电子供体和矿物元素。同时,SiO_2壳层能避免了铁氧化物直接沉积在核心NZVI的表面,减缓NZVI钝化的问题;具有更好环境相容性的SiO_2表面,减少NZVI表面直接和厌氧微生物接触,更容易逐渐形成稳定的nFe0-微生物体系,有利于厌氧体系中功能微生物的生长和代谢,为协同体系中厌氧微生物实现2,4,6-TCP的高效矿化提供条件。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：X703
【部分图文】：

第二章 氨基修饰的壳核型纳米铁的制备与表征而如图 2-2(b)所示，经过改性后的 NZVI@SiO2-NH2复合颗粒表面较为光滑，呈独立的球型存在，颗粒间呈链状连接，团聚现象明显改善，表明了 SiO2的包覆层取代了纳米零价铁的金属表面。这可能是由于 NZVI@SiO2-NH2表面有经过氨基表面修饰 SiO2包覆层能显著缓解颗粒团聚现象，使其具有较强的电负性和空间网络架构[231]。

29（a） （b）图 2-3 表面改性前后纳米零价铁 TEM 电镜分析图 (a)NZVI; (b) NZVI@SiO2-NH2Fig.2-3 TEM images of (a) NZVI, (b) NZVI@SiO2-NH2进一步对改性前后 NZVI 和 NZVI@SiO2-NH2颗粒进行 TEM 电镜的分析，如图 2-所示。从图中可以清晰观测到，尽管在 TEM 分析前将 NZVI 样品在乙醇溶剂中进行了

NZVI(a)和NZVI@SiO2-NH2(b)的EDS分析
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本文编号：2882871