生物矿化纳米FeOOH的特征与自组装合成及其环境意义

论文摘要

环境纳米技术强调了解在自然界发生物理／化学多样性的广大环境下的纳米结构的分布、组成、起源和行为，而作为环境纳米科学中的纳米结构的生物矿化研究是近年来多学科交叉研究的热点。目前对不同环境条件下铁的（氧）氢氧化物类矿物生物矿化机制研究尚亟待深入，而对这类铁矿化物的生态环境效应的研究则更为缺乏。选择表生环境中较为普遍的氢氧化铁的生物矿化作用机理及生物矿化纳米针铁矿作为环境矿物材料的环境化学效应包括自然光界面催化氧化作用开展研究，不仅能促进环境矿物学、化学与仿生材料合成及生物选冶技术的发展，也拓宽了环境科学的研究领域，并为进一步开展铁的生物矿化材料和FeOOH纳米材料用于环境污染的治理及其工业利用提供理论依据。在大量文献调研的基础上，论文对近年来国内外有关FeOOH的生物矿化作用、分子自组装合成技术以及作为环境矿物材料用于处理重金属和有毒有机物污染，特别是光催化降解有机污染物方面的研究进行了认真、系统的分析和总结。提出了需要重点关注的理论问题和创新的研究路线与实验方法。本文对所选天然生物矿化氢氧化铁矿物进行了系统的无机和有机成分、显微结构、晶体结构及表面化学研究。在中性水溶液反应体系中，通过所选球衣菌生物矿化和多糖体系有机模板化学合成模拟实验，重点研究了铁细菌细胞代谢有机质和生物多糖在FeOOH矿化与纳米结构自组装过程中的有机分子的诱导与控制作用，探讨了有机质存在时水溶液中氢氧化铁胶体晶化（转变为针铁矿或四方纤铁矿）的化学与生物化学作用及形成条件。对有机分子调制作用下氢氧化铁胶体的早期结晶相变行为提出了新的认识。同时，从环境矿物学和纳米环境材料的理论和应用角度开展了FeOOH纳米矿物和合成材料吸附重金属、染料和光催化作用的系列研究。通过与水体中重金属铬离子的界面吸附实验，研究了天然铁细菌矿化纳米针铁矿的表面化学效应和微结构效应；在此基础上，进一步采用铁细菌生物矿化产物、有机分子诱导矿化自组装合成和纯化学合成的氧氢氧化铁进行处理重金属废水和偶氮染料有机污染物的对比研究，特别是有无自然光照条件下纳米氢氧化铁的界面吸附和光催化氧化作用，揭示了FeOOH表面吸附—光催化氧化的协同作用机制。论文主要研究进展如下：1、天然铁细菌生物矿化作用形成具有显微螺旋状和／或管状构造以及草莓球状构造的无定形氢氧化铁和弱结晶针铁矿。氧化铁含量为56.60％，并含少量以多糖为主的有机质。高分辨电镜研究揭示天然生物矿化氢氧化铁矿物管壁和螺旋体是由纳米晶针铁矿规则排列构成，主要为几到十几纳米大小的针铁矿构成的纳米相多晶集合体。其纳米晶针铁矿是由无定形氢氧化铁凝胶首先在各个活性位点成核，这些纳米晶核在结晶长大的同时通过调整取向而趋于定向排列。螺旋状和管状体纳米晶针铁矿矿化结晶具有自组装生长机制。2、多糖体系有机模板化学合成模拟实验表明，葡聚糖对氢氧化铁凝胶的矿化行为具有调控作用。葡聚糖通过选择成核和相变机制控制氢氧化铁凝胶矿化形成β-FeOOH和α—Fe2O3。其中β-FeOOH可能是Fe（OH）3相变为α—Fe2O3的中间相。葡聚糖浓度不同可控制晶体生长速率和结晶行为，能形成纳米级的铁（氢）氧化物晶粒。3、在球衣菌周围和细胞内部均能发生氢氧化铁凝胶的矿化结晶作用，主要形成纳米四方纤铁矿，其结晶度较低，晶粒表面结合有球衣菌代谢的多糖和蛋白质。在不同的培养基条件下，水溶液中Fe3+浓度相同时，由于球衣菌胞外代谢的有机质成分和浓度不同，由氢氧化铁凝胶矿化形成的铁氧氢氧化物的形貌和结构也存在一定差异。4、水溶液中重金属吸附实验研究表明，针铁矿对Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）具有较强的吸附作用，吸附特性符合Langmuir与Freundlich两种等温吸附模型。在本研究的实验条件下，针铁矿对Cr（Ⅵ）较之Cr（Ⅲ）具有更大的吸附容量。铬在天然生物矿化针铁矿上的吸附具有不均匀性，明显受其显微结构影响。XPS分析结果进一步显示Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）在天然生物矿化针铁矿上除吸附外，还能产生表面氧化—还原反应。Fe—O—Cr存在较强的界面化学作用。相对于FeOOH表面Cr（Ⅲ）的被氧化，Cr2O72-／CrO42-在针铁矿表面更容易转化为低化学态的Cr（Ⅲ）。而随着Cr（NO3）3吸附量的增加，NO3-的N1s的低化学态所占比例也相应增加，推测NO3-在针铁矿表面的还原作用有可能促进Cr（Ⅲ）氧化为Cr（Ⅵ）。反映天然生物矿化针铁矿吸附作用更为复杂。5、采用铁细菌生物矿化矿物、壳聚糖和明胶有机分子自组装合成以及无机条件下合成的四种氧氢氧化铁进行Cr（Ⅵ）废水吸附对比研究，结果指出FeOOH的晶体结构（如α／β-FeOOH）对铬的吸附能力影响较小，而比表面积也不是最主要的决定因素。它们表面结合的有机质种类及其微结构对重金属吸附则有着重要影响。天然生物矿化针铁矿一方面具有独特的高活性纳米相多晶结构，另一方面其表面结合有少量多糖有机质，使其在环境中对重金属离子有很强的吸附能力和固定化作用。利用多糖模板自组装合成的纳米四方纤铁矿也具有良好的吸附和固定水溶液中铬离子的能力。6、采用多糖有机分子模板自组装合成以及无机条件下化学合成的β和α-FeOOH两种材料进行染料废水的处理对比研究。FTIR结果表明甲基橙和酸性红G在氧氢氧化铁表面易形成配合物。无光照条件下，它们的脱色过程首先是吸附在FeOOH表面的有机分子偶氮键断开。脱色作用主要是被吸附的有机还原性配体与氧氢氧化铁表面Fe3+原子中心存在着电荷转移，该过程使染料分子的偶氮键断裂从而发生氧化降解脱色。这种降解作用机制主要是配位吸附—氧化作用。在自然光照条件下的中性水溶液中，FeOOH／visible lihgt体系光催化反应明显加速了甲基橙的氧化。β-FeOOH比α-FeOOH具有更强的界面吸附—光催化协同作用，因此有更高的光催化降解率。处理5h后该体系的脱色率可达83％。一部分甲基橙分子的苯环被打开。在FeOOH／visible lihgt／H2O2体系中，处理5h后两种样品对甲基橙的脱色率均达到90％，但该体系大部分苯环已断裂降解为小分子，特别是β-FeOOH／visible lihgt／H2O2体系苯环的降解程度更高。降解机制主要为FeOOH表面有机配体—光催化氧化作用。7、铁细菌矿化形成的纳米针铁矿因具有独特的微结构和表面活性，可以用作土壤和水污染环境修复材料。利用多糖模板自组装合成可以制备具有高表面活性的纳米β-FeOOH，应用于环境中铬等重金属离子的吸附固定和有害有机物的光催化降解。论文研究结果对于深入理解自然环境中铁的生物矿化作用，以及铁的氢氧化物与氧化物的矿物相变机制，进一步认识土壤和水体环境中铁的氢氧化物矿物对重金属（铬）和有机污染物的迁移、转化作用及自净化功能具有重要的理论意义。同时，为研究和开发高活性纳米氧氢氧化铁材料自组装制备技术及其在环境污染修复方面的应用提供了理论依据。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 生物矿化的研究与发展

1.2 自然界中铁生物矿化的研究

1.3 分子自组装合成与纳米材料设计

1.3.1 分子自组装单层

1.3.2 自组装单层制备

1.3.3 分子自组装制备纳米材料

1.4 针铁矿的环境矿物学与界面化学研究进展

1.4.1 铁的氢氧化物吸附重金属和有机污染物研究

1.4.2 铁的氢氧化物光催化氧化有机污染物的研究

1.4.3 环境矿物的界面化学理论和方法研究

1.5 课题背景、研究意义和目的

1.5.1 课题研究意义和目的

1.5.2 课题研究的主要内容

第2章实验材料、仪器设备与方法

2.1 实验材料

2.1.1 天然铁细菌矿化针铁矿样品

2.1.2 合成实验材料

2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.3.1 FeOOH的合成方法

2.3.2 实验样品表征方法与所用仪器

第3章环境中生物矿化针铁矿的成分与微结构特征

3.1 天然生物矿化氢氧化铁矿物的化学成分

3.1.1 水质分析

3.1.2 析出物化学成分

3.1.3 析出物浓缩液的紫外吸收光谱分析

3.2 生物矿化氢氧化铁矿物的物相组成

3.3 生物矿化氢氧化铁矿物的红外光谱分析

3.4 生物矿化针铁矿的显微结构

3.4.1 析出物的扫描电子显微镜分析

3.4.2 析出物的高分辨透射电子显微镜分析

3.5 生物矿化氢氧化铁矿物形成机理探讨

3.5.1 铁细菌的生物矿化作用

3.5.2 螺旋状和管状体纳米晶针铁矿矿化的自组装作用机制探讨

3.6 本章小结

3+水溶液体系氢氧化铁矿化模拟实验研究'>第4章葡聚糖/Fe³⁺水溶液体系氢氧化铁矿化模拟实验研究

4.1 实验试剂、仪器与方法

4.1.1 试剂与仪器

4.1.2 氢氧化铁矿化模拟实验方法

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 氢氧化铁凝胶的早期矿化过程

4.2.2 不同葡聚糖含量对氢氧化铁凝胶矿化的影响

4.2.3 不同陈化时间氢氧化铁凝胶的矿化过程

4.2.4 pH对氢氧化铁凝胶矿化结晶的影响

4.2.5 不同沉淀剂对氢氧化铁凝胶矿化结晶的影响

4.2.6 不同阴离子铁盐对氢氧化铁凝胶矿化结晶的影响

4.3 葡聚糖调控氢氧化铁凝胶矿化作用的机理讨论

4.4 本章小结

3+体系氢氧化铁的生物矿化作用实验研究'>第5章球衣菌/Fe³⁺体系氢氧化铁的生物矿化作用实验研究

5.1 微生物样品的采集

5.2 微生物的富集培养和分离纯化

5.2.1 培养基的选择

5.2.2 实验仪器及试剂

5.2.3 微生物的富集培养

5.2.4 微生物的分离纯化

5.3 球衣菌培养体系中蛋白质和多糖含量测定

5.3.1 微生物的蛋白质含量分析

5.3.2 微生物的多糖含量分析

3+水溶液体系氢氧化铁矿化模拟实验'>5.4 球衣菌/Fe³⁺水溶液体系氢氧化铁矿化模拟实验

5.4.1 生物矿化模拟实验方法

5.4.2 矿化模拟实验体系球衣菌形态特征

5.4.3 两种培养基矿化实验体系中球衣菌代谢有机质浓度比较

5.4.4 球衣菌/尿素培养基体系氢氧化铁的矿化结晶

5.4.5 球衣菌/Stoke培养基体系氢氧化铁的矿化结晶

5.5 球衣菌矿化实验结果讨论

5.6 本章小结

第6章天然生物矿化针铁矿对重金属铬的吸附作用研究

6.1 铬的化学及其在土壤中的迁移与转化

4^2-和 Cr³⁺实验方法'>6.2 天然生物矿化针铁矿吸附CrO₄^2-和 Cr³⁺实验方法

6.2.1 实验材料

6.2.2 吸附实验和分析方法

6.3 SEM/EDS和 TEM/EDS分析

6.3.1 微区形貌和成分分析

6.3.2 光电子能谱分析

6.4 针铁矿对Cr（III）和 Cr（VI）离子的吸附特性

6.4.1 铬初始浓度对其去除率及针铁矿上吸附量的影响

6.4.2 Langmuir等温吸附模型拟合

6.4.3 Freundlich等温吸附模型拟合

6.5 针铁矿显微结构对铬吸附的影响

6.6 吸附 Cr（III）/Cr（VI）的针铁矿 XPS分析结果及讨论

6.6.1 针铁矿表面吸附铬的化学态

1s的XPS分析'>6.6.2 O_1s的XPS分析

6.6.3 Fe的 XPS谱图

6.7 吸附机理讨论

6.8 本章小结

第7章自组装合成纳米 FeOOH吸附重金属铬研究

7.1 自组装样品制备及其特征

7.1.1 三种 FeOOH的制备和显微结构特征

7.1.2 四种 FeOOH样品的红外光谱特征

7.1.3 比表面积测定

7.2 吸附实验材料和方法

7.2.1 吸附材料

4^2-模拟废水吸附试验方法'>7.2.2 含CrO₄^2-模拟废水吸附试验方法

7.3 试验结果与讨论

7.3.1 吸附实验结果与讨论

7.3.2 解吸实验结果与讨论

7.4 本章小结

第8章 FeOOH对有机污染物的吸附—光催化氧化降解作用

8.1 材料和方法

8.1.1 实验材料

8.1.2 两种氧氢氧化铁无光条件下的脱色实验

8.1.3 FeOOH固体表面吸附有机分子的红外光谱分析

Cr的测定'>8.1.4 化学需氧量 COD_Cr的测定

8.1.5 两种氧氢氧化铁自然光照下的脱色实验

8.1.6 光催化降解溶液中有机物红外光谱分析方法

8.2 避光条件下实验结果和讨论

8.2.1 脱色结果分析

8.2.2 FeOOH表面有机物红外光谱分析结果

8.2.3 脱色 2h后的溶液的 COD分析

8.3 自然光条件下实验结果及讨论

8.3.1 FeOOH/Visible light体系甲基橙光催化实验结果

2O₂体系甲基橙光催化实验结果'>8.3.2 FeOOH/Visible light/H₂O₂体系甲基橙光催化实验结果

8.4 FeOOH的荧光发射光谱分析

8.5 结果讨论

8.6 本章小节

第9章结论

9.1 研究结论

9.2 存在问题与展望

致谢

附录

生物矿化纳米FeOOH的特征与自组装合成及其环境意义

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢