Box-Behnken设计优化制备高比表面积柚皮基生物炭及其亚甲基蓝吸附机理

以柚子皮为非传统前驱体,采用ZnCl2一步炭化-活化法制备柚皮基生物炭(PPBC).通过Box-Behnken设计(BBD)研究了活化温度(x_(1))、浸渍比(x_(2))、活化时间(x_(3))三个关键制备变量对PPBC亚甲基蓝吸附值的影响.结果表明,影响亚甲基蓝吸附值的单因素显著性为x_(3)>x_(1)>x_(2),交互项显著性为x_(1)x_(3)>x_(2)x_(3)(x_(1)x_(2)项影响不显著).在活化温度924℃、浸渍比4、活化时间133min的最佳制备条件下,模型预测的亚甲基蓝最大吸附值为216.80mg/g,实验值为215.69mg/g(超过国家木质净水用活性炭一级品标准135mg/g),两者吻合程度较好,说明构建的响应面模型可以很好地优化PPBC制备工艺.此外,利用BET、SEM、FTIR等分析了最佳条件下制备PPBC的理化性质并探究了其对亚甲基蓝的吸附机理.PPBC表面含有丰富且不均匀的纳米级孔隙,比表面积高达1222.40m^(2)/g,其对亚甲基蓝的吸附主要通过孔隙填充、静电作用、π-π堆积相互作用及氢键的协同作用.PPBC具有作为生物质吸附剂处理亚甲基蓝染料废水的潜力.

三种次生矿物固定A.ferrooxidans的Fe^2+氧化及成矿性能比较

氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)介导的生物矿化方法促使可溶性Fe向次生铁矿物转变对酸性矿山废水(AMD)治理具有重要意义.化能自养菌A.ferrooxidans易受水流冲击而流失,常采用固定化方式来提高菌密度,从而保证较高的Fe^2+氧化和成矿速率以满足实际需要.本研究在相同初始条件下(pH=2.30、Fe^2+浓度4.48g/L、A.ferrooxidans密度8×10^6cells/mL)生物合成固定有A.ferrooxidans的施氏矿物、黄钾铁矾和黄铵铁矾,比较矿物溶解前(固定态)和溶解后(游离态)A.ferrooxidans的Fe^2+氧化性能,并分析各矿物对A.ferrooxidans的固定能力.结果表明,生物成因次生铁矿物干重排序为施氏矿物(0.24g)<黄铵铁矾(0.35g)<黄钾铁矾(0.67g),但矿物固定A.ferrooxidans的能力却依次为施氏矿物>黄铵铁矾>黄钾铁矾.以游离态A.ferrooxidans的Fe^2+氧化速率作为参比,推算出本研究所得施氏矿物、黄铵铁矾、黄钾铁矾固定A.ferrooxidans的有效生物量依次为5.33×10^7~5.33×10^8,5.72×10^6~5.72×10^7,6.35×10^6cells/g(干基).次生铁矿物载体有效生物量不仅直接影响AMD体系中Fe^2+氧化速度,也间接决定了总Fe的矿化去除效果.

阴离子对Acidithiobacillus ferrooxidans氧化活性及次生铁矿物形成影响

酸性矿山废水(AMD)具有酸度高并含有大量可溶性Fe、硫酸根及重(类)金属的特点,采用生物矿化方法促使AMD中Fe向羟基硫酸铁次生矿物转变,对AMD后期石灰中和减少氢氧化铁和废石膏的产生,提高中和效率具有实际意义.通过模拟酸性矿山废水,考察了Cl^-、NO_3^-、PO_4^(3-)3种阴离子对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)体系中p H值、Fe^(2+)氧化率、总Fe沉淀率、次生铁矿物矿相的影响.结果表明,高浓度阴离子对A.ferrooxidans氧化Fe^(2+)能力具有抑制作用.A.ferrooxidans对阴离子的耐受性依次为PO_4~3->NO_(3-)>Cl^-.阴离子浓度在A.ferrooxidans耐受范围内时,其对Fe^(2+)的生物氧化速率基本没有影响.但高浓度阴离子会通过抑制A.ferrooxidans的氧化活性,从而间接影响Fe^(3+)的水解成矿过程,导致培养终点时总Fe沉淀率降低和次生铁矿物产量减少.受Fe^(3+)供应速率降低的影响,次生铁矿物的合成途径易向施氏矿物转变.

NH_4^+对次生铁矿物形成及重金属去除的影响

研究了初始p H值、Fe^(2+)浓度、Fe/NH_4^+物质的量比对嗜酸性氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)体系中Fe^(2+)氧化率、总Fe沉淀率、次生铁矿物矿相的影响,并比较矿物对AMD中Cr(Ⅵ)、As(Ⅲ)的去除效果.结果表明,当NH_4^+浓度在A.ferrooxidans耐受范围内时,Fe^(2+)氧化及总Fe沉淀去除效果不受影响,表现在160,80,20mmol/L的Fe^(2+)分别在72,48,24h内被完全氧化,培养至终点时(96h)平均总Fe沉淀率分别为24.03%,19.46%,8.13%.在Fe^(2+)=160mmol/L体系中,Fe/NH_4^+=2.0、p H=2.6处理获得纯净施氏矿物;而当Fe/NH_4^+≤1.0、p H≤2.3时,次生铁矿物的合成途径开始向黄铵铁矾转移.Fe/NH_4^+=2.0的各酸性体系合成矿物对Cr(Ⅵ)、As(Ⅲ)去除能力存在显著差异,依次为p H=2.6>p H=2.3>p H=2.0.分析表明,次生铁矿物的表观结构和比表面积是影响有毒元素去除效果的主要原因.

石英砂提高城市污泥生物沥浸效率主导因素分析

通过摇瓶实验探究石英砂提高城市污泥生物沥浸效率的主导因素.结果表明,在0~72h内,生物菌液酸化效应在提高污泥脱水性能中占据主导作用;在72h之后,次生矿物的形成对提高污泥脱水性能的贡献率超过生物菌液.随着生物沥浸持续进行,石英砂诱导次生矿物产量逐渐增加,次生矿物在生物菌液酸化效应基础上进一步强化污泥脱水性能.在二者耦合作用下,城市污泥比阻(SRF)从初始的17.13×10^(12)m/kg下降至48h时的最低值3.56×10^(12)m/kg.然而,生物菌液和次生矿物单独作用时,SRF降到最低值均需72h,且最低SRF分别为3.89×10^(12)和4.77×10^(12)m/kg.可见,二者耦合作用在进一步改善污泥脱水性能以及缩短生物沥浸时间方面都有明显的优势.

A.ferrooxidans对高硫煤矸石去除酸性水体中Cr(Ⅵ)的强化作用

本研究考察了Acidithiobacillus ferrooxidans(A.ferrooxidans)联合高硫煤矸石(富含FeS2)对模拟煤矿酸性水体中Cr(Ⅵ)的去除效果.结果表明,处理Cr(Ⅵ)初始浓度为50mg/L的模拟煤矿酸性废水(pH=2.5)时,投配率为6.67~33.33g/L高硫煤矸石可使Cr(Ⅵ)去除达到良好效果.50mg/LCr(Ⅵ)在24h内即可完全被高硫煤矸石中的FeS2还原成Cr(Ⅲ),且在反应终点时(120h),6.67,13.33,33.33g/L高硫煤矸石对还原产物Cr(Ⅲ)的吸附去除率分别为7.1%、20.2%、29.1%.然而,在高硫煤矸石的还原和吸附作用下,大部分的Cr仍以Cr(Ⅲ)形式残留在酸性水体中,且高硫煤矸石的大量投加也给水体带来了Fe^2+、Fe^3+、SO4^2-等二次污染物.在高硫煤矸石-Cr(Ⅵ)体系中引入A.ferrooxidans和9K培养基后,A.ferrooxidans介导的Fe^2+生物氧化及产物Fe^3+水解矿化过程可促进部分Fe^2+、Fe^3+、SO42-等向次生铁矿物(包括施氏矿物和黄钾铁矾)转变,从而使模拟酸性水体中残留的Cr(Ⅲ)通过次生铁矿物的吸附或共沉淀作用被清除.在A.ferrooxidans强化作用下,模拟煤矿酸性废水中Cr(Ⅵ)在96h即可达到99.4%的去除率.

代森锰及其代谢物的神经毒性影响与机制研究

以SH-SY5Y和PC12细胞为实验模型,深入探讨了代森锰(Maneb)及其代谢产物对多巴胺能神经细胞的毒性影响与机制.结果表明,Maneb的有机部分和金属离子成分单独暴露不具有明显的毒性作用,联合暴露具有协同效应,且对细胞活性的抑制程度与同一浓度水平的Maneb相当,其原因与诱导活性氧自由基生成、细胞凋亡相关.此外,蛋白免疫印迹法发现,Maneb下调Bcl-2的表达、上调Bax、细胞色素C的水平,同时激活Caspase-3,提示线粒体凋亡途径在Maneb诱导多巴胺能神经细胞凋亡过程中的重要作用.

3种填料A.ferrooxidans挂膜效果及对模拟酸性矿山废水中Fe^(2+)生物矿化能力比较

氧化亚铁硫杆菌(A.ferrooxidans)介导的生物矿化方法可促使酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)中Fe离子向次生铁矿物转变.采用固定化的方式来提高A.ferrooxidans密度有助于强化Fe;的生物矿化能力.选取流化床19孔填料、弹性填料、悬浮球填料作为挂膜对象,通过多批次的连续培养来考察3种填料的A.ferrooxidans挂膜能力及稳定挂膜所需周期,继而比较3种挂膜填料对模拟AMD中Fe;的生物矿化能力,并估算A.ferrooxidans有效生物量.结果表明,3种填料(5.00 g)的A.ferrooxidans挂膜能力依次为弹性填料(1.76 g)>流化床19孔填料(0.90 g)>悬浮球填料(0.78 g)(干重),且挂膜启动至稳定状态至少需要4批次.X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD)表明,3种填料表面含矿生物膜均为施氏矿物和黄钾铁矾的混合物.以游离态A.ferrooxidans的Fe;氧化速率作为参比,估算出流化床19孔填料、弹性填料、悬浮球填料生物膜中A.ferrooxidans有效生物量依次为1.67×10^(8)、8.52×10^(8)、1.92×10^(8)cells·g^(-1)(干基).研究还发现,等同Fe;生物氧化速率下,A.ferrooxidans挂膜填料比游离态A.ferrooxidans具有更强的AMD矿化驱动能力.

基于不同能源底物和营养水平的酸性矿山废水产生机制研究

硫化矿物在氧气、水和铁氧化细菌的共同作用下会形成p H值极低、富含可溶性Fe、SO_(4)^(2-)和重金属离子等的酸性矿山废水.本研究选取黄铁矿、磁黄铁矿和黄铜矿作为能源底物,以及0×9K、1/4×9K、1/2×9K、1×9K培养基作为营养水平,在氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)的参与下,从能源底物和营养水平角度探索不同硫化矿物酸性废水的产生特点和机制.结果表明,3种硫化矿物的生物产酸能力依次为黄铁矿>磁黄铁矿≈黄铜矿.经过38 d的生化反应后,黄铁矿体系的pH值达到1.41,总Fe(TFe)和SO_(4)^(2-)浓度分别达到771.82 mg·L^(-1)和357.25 mg·L^(-1).水体营养水平在黄铁矿的生物产酸过程中起着至关重要的作用.经过16 d的生化反应后,0×9K、1/4×9K、1/2×9K、1×9K培养基处理的终点pH值分别为1.68、1.44、1.30、1.29.根据各营养体系中Fe^(2+)和TFe浓度的变化趋势,以及反应终点收集矿物的X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM),分析认为充足的营养会提高Acidithiobacillus ferrooxidans的活性或密度,加快Fe^(2+)生物氧化形成Fe^(3+)并通过水解产酸作用合成黄钾铁矾等次生铁矿物,从而导致溶液的p H值更低.本研究所得结果对明晰酸性矿山废水形成规律具有一定的指导意义.