葛仙米（Nostoc sphaeroides Kützing）对水中重金属的吸附特性及机理研究

论文摘要

利用藻类吸附水体中的重金属,国内外已有广泛的研究,但相关研究多聚焦于海洋藻类,淡水微藻的研究则相对较少。此外,此类研究多集中于死亡藻体及藻粉固定化对重金属的吸附。事实上,淡水微藻资源丰富,较海洋微藻更易于培养,且与传统的物理化学方法处理重金属污染水体相比,具有成本低、污染小等优点,故本研究利用淡水微藻活藻体研究其重金属的吸附特性及机理。通过比较多种淡水微藻活体对水中重金属Cd2+的吸附能力,筛选获得对其具有较强吸附能力的葛仙米,以该藻种作为研究对象,探索淡水微藻活体对重金属的吸附特性和机理。选择六种常见的重金属Cu2+、Cd2+、Cr3+、Pb2+、Ni2+、Mn2+,检测葛仙米在不同反应体系中对六种离子的吸附能力。多种反应体系下,葛仙米对Pb2+的吸附量都最大：在25℃,离子初始浓度为10mg/L,pH=5,单一重金属离子存在条件下,葛仙米对pb2+的吸附量为25.75±2.04mg/g；六种重金属离子共存时,葛仙米对Pb2+的吸附量为15.98±1.22 mg/g;重金属初始浓度为0.5mg/L时,葛仙米对pb2+的吸附量为1.078±0.03mg/g。葛仙米对Cr3+具有较强的选择吸附性：重金属离子共存,其他阳离子存在条件下葛仙米对Cr3+的吸附量较单一重金属离子条件下分别仅减小25.83±2.97%、7.41±7.25%。考查了反应时间、重金属离子初始浓度、温度、pH值对吸附反应的影响。结果表明：反应10min时,葛仙米对Pb2+的吸附已经到到平衡；反应进行20min后,葛仙米对Cr3+的吸附达到了平衡。准二级动力学模型更适合用来描述葛仙米吸附Pb2+、Cr3+的过程。葛仙米对Pb2+、Cr3+的吸附反应为吸热反应,吸附焓变分别为41.03 kJ/mol、72.42 kJ/mol.pH值在4.5-6.5范围内,葛仙米对Pb2+的去除率保持在90%以上。pH在5-6范围内,葛仙米对Cr3+的去除率保持在85%以上。采用Langmuir和Freundlich两种吸附等温模型对葛仙米吸附Pb2+和Cr3+的反应进行拟合,发现Freundlich吸附等温模型更适合描述葛仙米对Pb2+的吸附（R2=0.9165）,葛仙米吸附pb2+的反应比较容易进行（n=0.6760<2）；而葛仙米对Cr3+的吸附更适合用Langmuir吸附模型来描述（R2=0.9829）,为单分子层吸附,拟合出的最大吸附容量为22.4215mg/g。采用傅里叶红外光谱仪（FTIR）和扫描电镜一能谱仪（SEM-EDX）对葛仙米重金属吸附机理进行了研究。结果发现,羟基、氨基是吸附过程中起主要作用的官能团,可能与重金属离子发生了络合反应。吸附过程中重金属离子与Ca2+、Mg2+、K+等阳离子存在离子交换。本研究为采用活体藻种处理重金属废水提供了一定的理论支持。葛仙米适于在稻田中生长,故可用来治理受重金属污染的稻田。另一方面,葛仙米从古至今作为营养食品为人类所采食,通过本研究得到,当水体受到重金属污染时,其中生长的葛仙米作为食品有安全风险。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 水中重金属污染概况
• 1.1.1 我国水中重金属污染现状
• 1.1.2 重金属污染的来源
• 1.1.3 重金属污染的危害
• 1.2 水中重金属污染的处理方法
• 1.2.1 物理方法
• 1.2.2 化学方法
• 1.2.3 生物吸附
• 1.3 微藻处理重金属污染水体机制
• 1.3.1 生物吸附
• 1.3.2 主动运输
• 1.4 影响藻类吸附重金属的因素
• 1.4.1 吸附时间
• 1.4.2 重金属离子初始浓度
• 1.4.3 温度
• 1.4.4 溶液pH值
• 1.5 本课题的研究目的意义和研究内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究意义
• 1.5.3 研究内容
• 2 高效重金属吸附藻种的筛选
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 实验藻种
• 2.2 溶液的配置
• 2.2.1 重金属贮备液的配置
• 2.2.2 藻种培养基的配置
• 2.3 藻种的培养
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 重金属使用液的配置
• 2.4.2 吸附实验
• 2.5 实验结果
• 2.6 讨论
• 3 葛仙米对六种常见重金属污染物吸附能力的比较
• 3.1 实验材料与仪器
• 3.1.1 实验药品
• 3.1.2 实验仪器
• 3.1.3 实验藻种
• 3.2 溶液的配置
• 3.2.1 重金属贮备液的配置
• 3.2.2 藻种培养基的配置
• 3.3 葛仙米的培养收集与藻粉的制备
• 3.3.1 葛仙米的培养与收集
• 3.3.2 葛仙米藻粉的制备
• 3.4 实验方法
• 3.4.1 葛仙米对单一重金属离子的吸附
• 3.4.2 复合污染下,葛仙米对重金属离子的吸附
• 3.4.3 葛仙米对低浓度重金属离子的吸附
• 3.4.4 其他阳离子共存时,葛仙米对重金属离子的吸附
• 3.4.5 葛仙米藻粉对单一重金属离子的吸附
• 3.5 实验结果及分析
• 3.5.1 葛仙米对单一重金属离子的吸附
• 3.5.2 复合污染下,葛仙米对重金属离子的吸附
• 3.5.3 葛仙米对低浓度重金属离子的吸附
• 3.5.4 其他阳离子共存时,葛仙米对重金属离子的吸附量
• 3.5.5 葛仙米藻粉对单一重金属离子的吸附
• 3.6 讨论
• 2+、Cr³⁺的吸附特性研究'>4 葛仙米对Pb²⁺、Cr³⁺的吸附特性研究
• 4.1 实验材料和仪器
• 4.1.1 实验药品
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 实验藻种
• 4.2 重金属贮备液的配置
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 接触时间对吸附的影响
• 4.3.2 重金属离子初始浓度对吸附的影响
• 4.3.3 温度对吸附的影响
• 4.3.4 pH对吸附的影响
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 吸附动力学
• 4.4.2 重金属离子初始浓度对吸附的影响
• 4.4.3 吸附等温线
• 4.4.4 温度对吸附的影响
• 4.4.5 pH对吸附的影响
• 4.5 讨论
• 5 葛仙米重金属吸附机理研究
• 5.1 实验材料和仪器
• 5.1.1 实验药品
• 5.1.2 实验仪器
• 5.1.3 实验藻种
• 5.2 溶液的配置
• 5.2.1 重金属贮备液的配置
• 5.2.2 重金属使用液的配置
• 5.3 实验方法
• 5.3.1 傅里叶变换红外光谱
• 5.3.2 扫描电镜-能谱仪检测
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 傅里叶变换红外光谱图分析
• 5.4.2 扫描电镜-能谱仪检测结果分析
• 5.5 讨论
• 6 结论
• 参考文献
• 致谢