聚吡咯固定化介体强化偶氮染料和硝基化合物厌氧生物转化

论文摘要

本论文的研究目的是开发一种具有广谱性的固定化氧化还原介体，用以催化强化偶氮染料和硝基芳香化合物等难降解有机污染物的厌氧生物转化。提出采用吡咯电聚合-掺杂技术作为制备固定化氧化还原介体的方法，根据研究中选择性富集的实验结果和文献报道，选择了以模型氧化还原介体-蒽醌-2,6-二磺酸钠（AQDS）为掺杂剂、以聚吡咯（PPy）为载体、以活性炭毡（ACF）为电极基体材料，在恒电流方式下制备了一种新型固定化氧化还原介体-AQDS／PPy/ACF。使用各种先进的分析技术，包括傅立叶红外变换光谱（FTIR）、元素分析（EA）、扫描电镜（SEM）对这种功能材料进行了表征。详细考察了这种聚吡咯复合材料，即AQDS／PPy／ACF，用于催化强化偶氮染料和硝基芳香化合物两种含氮芳香化合物厌氧生物转化的可行性，着重对其所具有的生物催化活性和稳定性，以及能否维持AQDS-还原菌在菌群中的优势地位进行了检测，实验结果表明：以淡水河淤泥、厌氧活性污泥混合物为种源，采用一次性投加高浓度AQDS的驯化方法，以葡萄糖为有机小分子电子供体，进行菌群的筛选、富集，可成功获得目的菌群。该菌群不仅对AQDS具有较高的还原活性，而且对包括蒽醌染料和染料中间体在内的多种醌类化合物具有还原活性；此外，菌群中含有大量的氢氧化-AQDS还原菌及少量的乙酸氧化-AQDS还原菌；因此具有潜在的实际应用价值。该菌群最适生长与还原条件为：pH=7．0，温度30℃，接种量8％，Na2S·9H2O浓度0．037 g·L-1，葡萄糖浓度0．5 g．L-1，AQDS浓度150mg·L-1。以0．024 M AQDS为掺杂剂，以0．1 M吡咯为载体采用恒电流制备方法，聚合电位区间控制在0．6～1．2 V范围内，可成功地在Pt和ACF两种不同电极基体材料上形成聚吡咯膜-AQDS／PPy。傅立叶红外光谱、元素分析测试结果证明，吡咯在电极表面发生了聚合，AQDS以大约1：6的摩尔比（AQDS：吡咯）嵌入在聚吡咯母体中。同时，采用循环伏安技术获得的电化学活性测试结果表明，以AQDS为掺杂剂所形成的聚吡咯膜，具有较强的掺杂稳定性，很难发生对阴离子的脱掺杂现象。电极基体材料对聚吡咯膜的表面形貌以及两者之间的粘附性具有重要影响作用，从而对所形成的相应聚吡咯复合材料-AQDS／PPy／ACF和AQDS／PPy／Pt的催化活性和稳定性起了至关重要的决定性作用。扫描电镜测试结果表明，以ACF为电极基体材料时，所形成的聚吡咯沉积物以“微球”颗粒的形式均匀地分布在ACF表面上，可形成具有一定空间立体结构和巨大比表面积的三维聚吡咯复合材料-AQDS／PPy／ACF。此外，电流密度和聚合时间对AQDS／PPy／ACF的表面形貌、机械性能以及比表面积也具有一定的影响作用。通过选择适当的电流密度和聚合时间，可制备出具有良好催化活性和稳定性的聚吡咯复合材料。功能聚吡咯复合材料-AQDS／PPy／ACF对偶氮染料的厌氧脱色具有普遍的催化作用，它的加入可显著提高偶氮染料的厌氧脱色效率。掺杂在聚吡咯母体中的蒽醌-2,6-二磺酸根对阴离子是生物催化活性中心，通过利用聚吡咯优良的生物相容性和物理化学性能，可保留AQDS对偶氮染料所具有的高效催化活性。以活性偶氮染料KE-3B为例，在最佳聚合条件下(即电流密度j=1．79 mA·cm-2，聚合时间为3600 s)所制得的AQDS／PPy／ACF复合材料可使该染料8 h的脱色效率由29％提高至78％，一级反应动力学常数k值提高了2．2倍。同时发现，以ACF为基体材料有效地增强了聚吡咯沉积物与基体材料之间的粘附性，从而使得AQDS／PPy／ACF具有良好的催化稳定性，在六次连续重复使用实验过程中，染料的脱色效率几乎保持不变；此外pH值、温度、葡萄糖浓度、菌量、介体投加量对这种新型固定化氧化还原介体的生物催化效率具有一定的影响作用。在pH为7，温度为35℃，葡萄糖浓度为0．5 g·L-1的条件下，该复合材料对KE-3B的厌氧脱色具有最佳的催化效果。功能聚吡咯复合材料-AQDS／PPy／ACF的加入，可显著提高硝基苯、2,4-DNT和2,6-DNT的厌氧转化速率，一级反应速率常数k值分别由0．137、0．190及0．173d-1相应提高到0．696、1．078及0．828 d-1，大约提高了4倍左右；AQDS／PPy／ACF的加入并未改变这三种硝基芳香化合物在厌氧生物体系内的降解产物，最终仍然转化为相应的芳香胺。其仅是作为电子传递体，加快了电子由最初电子供体-葡萄糖，到最终电子受体-硝基芳香化合物之间的传递速度，发挥了高效氧化还原介体的作用。分子生态技术分析结果表明，由于这种聚合态AQDS的存在所产生的选择压力可以维持强效AQDS-还原菌在菌群中的优势地位，从而可确保AQDS／PPy／ACF在连续运行实验中保持良好的催化效果，同时也进一步证实了掺杂的对阴离子-蒽醌-2,6-二磺酸根是AQDS／PPy／ACF中的催化活性组分。综上所述，可以看出吡咯电聚合-掺杂技术是一种良好的固定氧化还原介体的方法，其为推进氧化还原介体在实际废水中的应用提供了新的思路。本研究中所制备的新型固定化氧化还原介体AQDS／PPy／ACF不仅具有AQDS原有的高效催化活性和广谱性，而且具有极佳的催化稳定性，具有广阔的实际应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 偶氮染料和硝基芳香化合物废水处理研究进展
• 1.1 偶氮染料和硝基芳香化合物的环境危害
• 1.1.1 偶氮染料概述及其对环境危害
• 1.1.2 硝基芳香化合物概述及环境危害
• 1.2 偶氮染料废水处理研究进展
• 1.2.1 偶氮染料废水的物理、化学处理方法
• 1.2.2 偶氮染料废水的生物处理方法
• 1.3 硝基芳香化合物废水处理研究进展
• 1.3.1 硝基芳香化合物废水的物理、化学处理方法
• 1.3.2 硝基芳香类化合物废水的生物处理方法
• 1.3.3 硝基芳香化合物的好氧代谢途径
• 1.3.4 硝基芳香化合物好氧代谢途径存在的弊端
• 1.3.5 硝基芳香化合物的厌氧代谢途径
• 1.4 氧化还原介体催化强化偶氮染料和硝基芳香化合物厌氧转化研究进展
• 1.4.1 氧化还原介体催化强化偶氮染料脱色的研究进展
• 1.4.2 醌类化合物与硝基芳香类化合物的厌氧化学还原
• 1.4.3 氧化还原介体强化厌氧生物体系尚须解决的问题及对策
• 1.5 聚吡咯膜研究进展
• 1.5.1 醌类化合物修饰电极技术的研究进展
• 1.5.2 聚吡咯膜的合成机理和方法
• 1.5.3 影响吡咯电化学聚合的因素
• 1.5.4 聚吡咯膜的性能及表征
• 1.6 本研究的主要内容及意义
• 2 醌还原菌群的选择性富集及生长与降解特性研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 醌还原菌群的确定
• 2QDS的标准曲线'>2.3.2 AH₂QDS的标准曲线
• 2.3.3 醌还原菌群的表征
• 2.3.4 菌群最佳生长与还原条件的确定
• 2.3.5 菌群生长曲线的测定
• 2.4 本章小结
• 3 固定化氧化还原介体AQDS/PPy/ACF的制备及其特性表征
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验材料与设备
• 3.2.2 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 吡咯聚合电位区间的确定
• 3.3.2 聚吡咯复合材料的制备
• 3.3.3 聚吡咯膜的表征
• 3.4 本章小结
• 4 AQDS/PPy/ACF催化强化偶氮染料的厌氧脱色
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 活性艳红KE-3B的工作曲线
• 4.3.2 AQDS/PPy/ACF对KE-3B厌氧脱色动力学的影响作用
• 4.3.3 AQDS/PPy/ACF催化强化KE-3B厌氧脱色过程中紫外-可见波谱变化
• 4.3.4 AQDS/PPy/ACF生物催化稳定性
• 4.3.5 合成AQDS/PPy/ACF最优操作条件的确定
• 4.3.6 AQDS/PPy/ACF催化强化KE-3B厌氧脱色的特性
• 4.3.7 AQDS/PPy/ACF催化强化偶氮染料厌氧脱色广谱性考察
• 4.3.8 AQDS/PPy/ACF催化强化偶氮染料厌氧脱色机制初步分析
• 4.4 本章小结
• 5 AQDS/PPy/ACF催化强化硝基芳香化合物的厌氧转化
• 5.1 前言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 三种硝基芳香化合物的标准曲线
• 5.3.2 AQDS/PPy/ACF对厌氧生物转化体系性能的影响作用
• 5.3.3 菌群群落结构的变化
• 5.3.4 微生物群落的文库构建及16S rDNA进化分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 建议
• 创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 个人简历