课程实践融入《试验设计与数据处理》教学--改性花生壳吸附剂的制备及其对重金属Cd^(2+)的吸附性能研究

随着我国提出新工科建设路线,结合地方高校(贺州学院)的地域特色和应用型人才的培养目标,本文通过课程考核形式,设计一个利用花生壳为原料制备出改性花生壳吸附剂(MPS)的试验。学生通过对吸附剂的合成、表征、试验设计和数据分析等环节,将《试验设计与数据处理》课程中所学知识应用到实际试验中,加深对课程知识的理解,锻炼其实际应用能力。

CdS/In_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料的制备及光催化性能研究

采用溶剂热法成功合成了一种新型的Z型CdS/In_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)三元复合光催化材料。通过XRD、SEM、TEM、XPS和紫外-可见漫反射光谱仪对光催化材料的相结构、形貌、原子价态和光响应性能等进行表征,通过可见光降解苯酚评价其光催化活性。结果表明,具有零维结构的CdS、一维结构的In_(2)O_(3)和三维结构的g-C_(3)N_(4)形成了0D/1D/3D三元复合材料,该材料在180 min可有效降解90%的苯酚,降解速率是CdS的2.9倍、g-C_(3)N_(4)的6倍,且具有较高的稳定性。复合材料光催化能力的增强主要归因于三维多孔g-C_(3)N_(4)与CdS和In_(2)O_(3)形成的三维空间电场。三维多孔结构不仅有利于污染物的高效吸附,而且为光催化反应提供活性位点,三维空间和网络互连结构有利于光生电荷的定向迁移,增加载流子寿命。

好氧堆肥对生物炭理化性质及吸附Cd^(2+)稳定性的影响

生物炭可作为畜禽粪污好氧堆肥中去除重金属的功能材料,但堆体内部复杂的环境变化会影响生物炭的理化性质,从而影响其对重金属吸附的稳定性。将普通秸秆生物炭(BC)和磁性秸秆生物炭(FBC)置于牛粪中进行30 d好氧堆肥试验,研究两种生物炭基本理化性质及对Cd^(2+)吸附稳定性的影响。结果表明:堆肥处理使BC和FBC的比表面积分别增加20.56%和76.64%,总孔容分别下降2.36%和3.70%,平均孔径分别下降19.17%和46.54%,表面官能团发生变化,FBC的饱和磁化强度下降43.67%。堆肥后,饱和吸附Cd^(2+)的两种生物炭BC和FBC的TCLP提取态Cd(TCLP-Cd)占比和TCLP提取液pH(TCLP-pH)均呈下降趋势,其中TCLP-Cd占比分别从28.31%和22.85%显著下降至26.76%和13.85%(P<0.05),TCLP-pH分别从3.66和3.29显著下降至3.51和3.14。综上,堆肥老化改变了两种生物炭的理化性质,降低了其酸可提取态Cd的含量,提高了其吸附Cd 2+的稳定性,且FBC中Cd^(2+)的稳定性更强。

羧甲基改性沙柳木粉膜吸附Cd^(2+)的性能研究

沙柳木粉(SPP)经醚化反应制备成羧甲基沙柳木粉(CMS)。将CMS溶解到1-丙烯基-3-甲基咪唑氯盐(AMIMJCI)和二甲基亚砜(DMSO)中,采用聚乙烯醇(PVA)为成膜剂,制备羧甲基沙柳木粉膜(CMSM)。探究在不同吸附条件下CMSM对Cd^(2+)的吸附性能。采用FTIR、SEM、XRD和XPS对CMSM进行表征。吸附结果表明:Cd^(2+)初始浓度为800mg·L^(-1),pH值为5,吸附时间105min,吸附温度35℃时,CMSM对Cd^(2+)的吸附效果最佳。表征结果表明:0-H、-COOH、-C-O-C-、-CH_(2)、-NH_(2),基团参与吸附Cd^(2+)的反应。CMSM表面比较疏松,有孔隙,成狭缝型。CMSM晶体内部变得蓬松,Cd^(2+)更容易被CMSM吸附。CMSM对Cd^(2+)的吸附属于多分子层吸附,同时存在化学吸附和物理吸附,且以化学吸附为主,准二级动力学模型和Freundlich等温线模型与其吸附过程相符合。

Cd^(2+)浓度对好氧颗粒污泥EPS各组分形成的影响

为探究重金属Cd^(2+)对好氧颗粒污泥系统运行的影响,采用紫外分析法和三维荧光光谱分析法研究了SBR反应器中不同浓度的重金属Cd^(2+)对好氧颗粒污泥EPS总量以及各组分(LB-EPS、SB-EPS、TB-EPS)的产生与组成成分的影响。试验结果表明:低浓度Cd^(2+)(小于0.1mg/L)促进EPS的产生,高浓度Cd^(2+)(大于3mg/L)抑制EPS的产生;SB-EPS随着Cd^(2+)浓度的增加逐渐减少,其中蛋白质含量增加,多糖、腐殖酸明显减少;当Cd^(2+)浓度小于0.1mg/L时TB-EPS显著增加,其中主要增加的成分是蛋白质;当Cd^(2+)浓度大于3mg/L时,TB-EPS的分泌受到抑制,但蛋白质含量仍高于空白对照组,多糖、腐殖酸含量显著降低;LB-EPS受到的影响因素较多,其含量变化不规律。采用扩展DLVO理论剖析了EPS各组分含量的变化对好氧颗粒污泥沉降性能的影响,以期为好氧颗粒化技术在工业废水处理中的应用提供有力的支持。

粉煤灰基P型沸石吸附水中Cu^(2+)和Cd^(2+)

以粉煤灰(FA)为原料经水热反应合成了P型沸石(Z-P).采用X射线荧光光谱仪、X射线衍射仪、场发射环境扫描电子显微镜、比表面孔径分析仪、傅里叶变换红外光谱仪和X射线光电子能谱对Z-P进行表征,并研究了其对Cu^(2+)和Cd^(2+)的吸附性能.结果表明,Z-P的BET比表面积和孔隙体积分别为38.46m^(2)/g和0.2180cm^(3)/g,均高于FA的1.273m^(2)/g和0.0120cm^(3)/g.FA、Z-P对Cu^(2+)和Cd^(2+)的吸附更符合拟二级动力学模型和Langmuir等温线模型.Z-P对Cu^(2+)和Cd^(2+)的最大吸附量分别为157.48,131.57mg/g,远高于于FA的30.88,25.47mg/g.Z-P对Cd^(2+)的循环再生吸附效果好,但对Cu^(2+)的循环再生吸附效果较差.离子强度对Z-P吸附Cu^(2+)和Cd^(2+)分别起促进和抑制作用.表明Z-P可以作为有效且廉价的Cu^(2+)、Cd^(2+)吸附剂,为FA的资源化利用和含Cu^(2+)、Cd^(2+)重金属离子废水吸附剂的开发提供了一种方法.

虾青素对镉离子(Cd^(2+))诱导下斑马鱼胚胎抗氧化指标的影响

(28.0±0.5)℃下,将100个产后1 h的斑马鱼(Danio rerio)胚胎放在120 mm培养皿中,暴露在<0.02%浓度的二甲基亚砜(DMSO,对照组)、50μg/L Cd^(2+)(低浓度暴露组)、500μg/L Cd^(2+)(高浓度暴露组)和Cd^(2+)+雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)虾青素AST联合暴露组(50μg/L Cd^(2+)+100μg/L AST组和500μg/L Cd^(2+)+100μg/L AST组)5个处理组中,120 h后测定斑马鱼幼鱼活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)和谷胱甘肽酶(GSH)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和总抗氧化能力(T-AOC),研究重金属镉离子(Cd^(2+))暴露下斑马鱼胚胎的抗氧化响应,探讨AST对斑马鱼机体氧化损伤的缓解效果。结果表明,斑马鱼胚胎Cd^(2+)暴露120 h后,体内活性氧(ROS)和丙二醛(MDA)含量随着Cd^(2+)浓度的升高而增加;GSH含量、SOD和T-AOC的活性随着Cd^(2+)浓度的增加而降低。说明Cd^(2+)可诱导斑马鱼机体出现氧化应激和氧化损伤。添加AST后,斑马鱼幼鱼体内ROS和MDA含量下降,GSH含量、SOD和T-AOC活性上升,说明添加AST可在一定程度上缓解重金属Cd^(2+)对斑马鱼体内抗氧化指标的负面影响。本研究结果可为AST作为新型鱼类饲料添加剂提供理论依据。

ITO电极在水中超低水平Cd^(2+)检测中的应用

为了检测水质中痕量水平的Cd^(2+),以氧化铟锡(ITO)薄膜电极为工作电极,铂片和饱和甘汞电极(SCE)分别为对电极和参比电极,构建了针对Cd^(2+)的化学传感器。采用差分脉冲伏安法(DPV)对构筑的化学传感器在含Cd^(2+)的乙酸溶液(pH=4.5)中的灵敏度、选择性、检出限和长期稳定性进行了评价。研究结果表明,所构筑的化学传感平台对Cd^(2+)的灵敏度为24.61μA/μmol/L,Cd^(2+)的校准曲线方程为Y=24.61X+11.145,相关系数(R2)为0.994,检出限(LOD)为0.06μmol/L;干扰性实验结果表明,Zn^(2+)、Cu^(2+)、Pb^(2+)、Ag^(+)4种金属离子对Cd^(2+)的检测干扰较小;稳定性实验结果表明,所构建的针对Cd^(2+)的化学传感器具有良好的稳定性;实际水样检测表明,构建的化学传感器可以用来对自来水中Cd^(2+)进行检测。研究显示,所构建的针对Cd^(2+)的化学传感器可以用来检测水质中痕量Cd^(2+)。

复配修饰新疆灰漠土对Cd^(2+)的吸附性能研究

选用了两性离子型表面活性剂BS和阴离子型表面活性剂SDS,按照不同比例量配比,对新疆灰漠土进行了修饰,制备了8种修饰土样,以未经修饰的原土样(CK)为对照,在同样条件下分别对重金属离子Cd^(2+)的吸附性能进行了测试,通过Langmuir等温吸附模型描述Cd^(2+)在灰漠土中的吸附特征,结果表明以两性-阴离子表面活性剂体系复配修饰新疆灰漠土能够显著提升其对重金属离子Cd^(2+)的吸附性能。

茶梗基活性炭的制备及其对水中重金属Cd^(2+)的吸附

以茶梗为原料,通过氯化锌活化-高温炭化法制备茶梗基活性炭,并以静态吸附法去除模拟废水中的Cd^(2+).考察吸附剂用量、Cd^(2+)初始质量浓度、溶液初始pH值等对茶梗基活性炭吸附Cd^(2+)效果的影响;通过红外光谱测定吸附前后的茶梗基活性炭的表面结构、吸附动力学及等吸附温模型拟合,结果表明,茶梗基活性炭对Cd^(2+)的吸附符合准二级动力学模型及Langmuir吸附等温模型.正交实验得出,茶梗基活性炭对Cd^(2+)吸附的最佳实验条件.

硝酸改性显著提高花生壳生物炭对Cd^(2+)的去除能力

本研究采用热分解的方法制备花生壳生物炭,并用乙醇、硝酸和高锰酸钾溶液对其进行改性。分别研究不同方法改性后生物炭吸附Cd^(2+)的性能对初始浓度、吸附时间和pH的响应特征并通过吸附热力学和动力学探索吸附机理。结果表明,改性后的花生壳生物炭对Cd^(2+)的吸附量和去除率明显提高。在花生壳投加量一定的情况下,综合分析得知硝酸改性后对Cd2+吸附效果最佳,吸附量为48.47 mg/g,去除率为96.94%。最佳条件为:Cd^(2+)初始浓度200 mg/L,pH为7,吸附时间120 min。

一种基于1,5-萘二胺的席夫碱荧光探针的合成及其对Cd^(2+)的荧光识别

以1,5-萘二胺和2-甲基吲哚-3-甲醛为原料,设计合成了一个基于席夫碱的荧光探针1,经1H NMR,13C NMR,IR和HRMS表征了探针1的结构.光谱分析实验结果显示,探针1能够高选择性、高灵敏度的检测溶液中隔离子的含量,检出限为0.26μmol·L^(-1).推测识别机理为Cd^(2+)对探针1发生诱导聚集,抑制了C=N旋转异构化,导致荧光增强.

Cd^(2+)、Pb^(2+)在根际和非根际土壤中的吸附-解吸行为

采用1次平衡法对Cd2+、Pb2+在小麦根际和非根际土壤中的吸附-解吸行为进行比较研究.结果表明,根际土对Cd2+和Pb2+的吸附能力高于非根际土,2类土壤对Cd2+的吸附等温线与Freundlich方程有较好的拟合性,Pb2+的等温吸附过程可由Langmuir方程与Freundlich方程来描述.双常数方程是描述根际、非根际土Cd2+和Pb2+吸附动力学行为的最优模型,其次为Elovich方程,最差模型是一级动力学方程.Cd2+、Pb2+的解吸存在滞后现象,相比于非根际土,根际土吸附态Cd2+、Pb2+的解吸率更低,Cd2+、Pb2+的解吸量与其初始吸附量之间的关系符合2次幂方程.2类土壤Cd2+、Pb2+的解吸速率随重金属初始浓度的增加而增加,随解吸时间的延长而不断降低.描述根际和非根际土Cd2+、Pb2+的解吸动力学过程的最优模型均为双常数方程,其次为Elovich方程,一级动力学方程拟合效果不佳.

Cd^(2+)胁迫对番茄幼苗抗坏血酸-谷胱甘肽循环代谢的影响

通过温室水培试验,研究0.05mmol/LCd2+胁迫及解除Cd2+胁迫对番茄幼苗根系和叶片中抗坏血酸-谷胱甘肽(AsA-GSH)循环代谢的动态影响。结果表明,胁迫条件下,番茄根系和叶片中脂质过氧化产物-丙二醛(MDA)含量增加,细胞膜受损伤;抗坏血酸过氧化酶(APX)活性在胁迫1,3d上升,随后下降,而谷胱甘肽还原酶(GR)活性在胁迫1d时下降,随后上升;抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH)含量上升,且根系上升幅度大于叶片;解除胁迫后,叶片中MDA含量随时间延长逐渐减少,接近对照,而根系中MDA含量持续上升。APX、GR活性和AsA、GSH含量都能够渐渐恢复,但仍高于对照,根系中GSH含量持续维持较高水平,叶片和根系各参数的恢复程度有差异。

Cd^(2+)、Cu^(2+)及石油烃对毛蚶谷胱甘肽S-转移酶活性的影响

采用浓度梯度污染暴露室内模拟方法,研究了不同浓度的石油烃和Cd2+、Cu2+对毛蚶谷胱甘肽S-转移酶活性的影响。不同质量浓度的Cd2+处理毛蚶16d,谷胱甘肽S-转移酶与对照组无显著变化;而Cu2+处理组,谷胱甘肽S-转移酶活性受到显著的抑制;石油烃处理组,明显地诱导毛蚶谷胱甘肽S-转移酶活性。结果表明,毛蚶体内谷胱甘肽S-转移酶对重金属Cd2+的变化不敏感;毛蚶体内谷胱甘肽S-转移酶活性受到重金属Cu2+抑制,但其最大抑制率低于50%;石油烃诱导毛蚶体内谷胱甘肽S-转移酶活性,最大诱导率高于50%,其谷胱甘肽S-转移酶活性的变化与石油烃的质量浓度显著相关。毛蚶体内谷胱甘肽S-转移酶活性可作为生物标志物用来评价水生态系统中石油烃的污染程度。

多胺化核桃壳对Cd^(2+)的吸附性能研究

采用超支化聚乙烯亚胺(HBPEI)改性核桃壳(多胺化核桃壳)处理含Cd^(2+)模拟废水。考察了pH、多胺化核桃壳质量浓度、Cd^(2+)溶液初始质量浓度以及吸附时间对Cd^(2+)吸附行为的影响。结果发现:多胺化核桃壳在pH为9.5时,吸附量达到最大,吸附达到平衡的时间为120 min。吸附过程具有准二级动力学的特征,且以化学吸附为主,为单层吸附。当吸附温度在25℃、Cd^(2+)初始质量浓度为1 000 mg/L时,多胺化核桃壳对Cd^(2+)的吸附量可达640.16 mg/g,远远高于相同条件下未改性核桃壳对Cd^(2+)的吸附量(166.96 mg/g),显示其超强的吸附能力。经过5次吸附-解吸附-再吸附后,多胺化核桃壳对Cd^(2+)的去除率仍保持在90%以上,说明吸附剂具有很好的可循环性。

不同热解温度牛骨生物炭特征及对Cd^(2+)的吸附

本文研究了不同热解温度条件下牛骨生物炭理化性质及对Cd^(2+)的吸附特性,采用限氧控温慢速热裂解的方式,在300、350、400、500、700℃和900℃条件下制备牛骨生物炭。分别采用热重分析仪、傅里叶变换红外光谱以及扫描电镜能谱仪等设备对牛骨生物炭进行表征,并通过批量吸附实验分析其对Cd^(2+)的吸附特性。结果表明:牛骨生物炭pH值、灰分含量随热解温度提高而增加,芳构度逐渐增强,孔径与比表面积增大,而挥发分、有机碳含量与全氮含量减少;准二级动力学模型可以准确拟合5种牛骨生物炭对Cd^(2+)的吸附动力学过程(R2>0.999),在接近吸附平衡时,吸附速率由颗粒内扩散主导;牛骨生物炭对Cd^(2+)等温吸附过程更符合Langmuir模型,700℃条件下制备的牛骨生物炭对Cd^(2+)的吸附效果最好,最大平衡吸附量为44.32 mg·g^(-1);随着热解温度增加,牛骨生物炭对Cd^(2+)吸附机制中官能团络合作用减弱,表面吸附、阳离子交换以及π电子配位作用增大。在实际规模化制备牛骨生物炭过程中应充分考虑能耗成本以及尾气收集问题。

13X微孔沸石和MCM-41介孔材料的合成及用于处理含Cd^(2+)废水

以天津蓟县钾长石矿粉为主要原料,经选矿、煅烧、水热处理等工艺成功合成了13X微孔沸石．以气相氧化硅、氢氧化钠、十六烷基三甲基溴化铵等为主要原料,在水热条件下合成了MCM-41有序介孔材料．采用XRD和N_2吸附-脱附等手段对合成的13X沸石和MCM-41介孔材料的物相、比表面积、孔径、孔体积等进行了分析对比．在此基础上,对13X沸石和MCM-41介孔材料处理含Cd^(2+)废水的效果和机理进行了对比研究,确定了不同分子筛用量、不同初始pH值、不同混合时间下13X沸石和MCM-41介孔分子筛对水中Cd^(2+)的吸附率和吸附量．研究发现,尽管MCM-41的比表面积和孔径远大于13X沸石,但其对水中Cd^(2+)的处理效果却低于13X沸石,这与13X沸石和MCM-41的孔道结构类型、化学组成、表面荷电性质等有关．

Cd^(2+)-H_2O系羟合配离子配位平衡

根据配位化学热力学平衡原理,绘制了Cd2+-H2O系配合离子浓度pc—pH图、镉羟合配离子分率αn—pH图及Cd(OH)2条件溶度积pKS—pH图。pc—pH图描述了Cd(OH)2(s)溶解平衡时,镉的总离子平衡浓度与pH的关系。当pH为9.84～13.31时,Cd(OH)2的溶解度最小;αn—pH图指出了各种羟合配离子分率与pH关系,每种羟合配离子都对应有其存在的最佳pH范围。Cd(OH)2(s)的条件溶度积pKS—pH图表明:当pH值在9.5～10.5范围内,Cd(OH)2(s)的条件溶度积最小。研究结果可为中和水解法去除废水中镉等技术提供理论依据。

Cu^2＋和Cd^2＋在改性纳米黑碳表面上的吸附-解吸

通过Cu2+或Cd2+单体系和Cu2+-Cd2+复合体系中Cu2+或Cd2+的吸附-解吸试验,研究了改性纳米黑碳(MBC)对Cu2+和Cd2+的吸附特性和吸附稳定性.结果表明:Cu2+和Cd2+在MBC上的吸附可以分为快、慢2个阶段,30 min达到饱和吸附量的90%以上.Cu2+和Cd2+在MBC上的吸附等温线均能用Langmuir方程和Freundlich方程拟合.Cu2+和Cd2+在MBC上的最大吸附量分别为417和245 mmol/kg,n值分别为2.56和3.85.MBC对Cu2+和Cd2+是优惠吸附,且对Cu2+的吸附能力大于Cd2+.吸附在MBC上的Cu2+和Cd2+的解吸率均随着吸附量的增加而增大,Cu2+在MBC上的解吸率为1.45%～20.20%,Cd2+为2.67%～31.40%.Cu2+和Cd2+在MBC上存在着竞争吸附,其最大吸附量均随着竞争离子浓度的增加而降低.MBC对Cu2+吸附量和吸附稳定性均大于Cd2+.MBC对重金属有强的吸附作用,可探索其在含重金属废水处理和重金属污染土壤钝化修复中的应用.