碳纳米管负载纳米零价铁耦合希瓦氏菌去除水中Cr（Ⅵ）的研究

作     者：田浩然 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王平;黄超

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：纳米零价铁 碳纳米管 奥奈达湖希瓦氏菌 Cr(Ⅵ)污染 

摘      要：重金属污染是威胁人类发展的重要环境问题,Cr(Ⅵ)污染因来源广泛、毒性大而成为重金属污染的典型代表。其中,Cr(Ⅵ)是自然环境中Cr较常见的存在形态,将高毒性的Cr(Ⅵ)转化为低毒性的Cr(Ⅲ)是去除废水中Cr的常用方法。纳米零价铁(nZVI)因其比表面积大、还原性强等优点,被认为是一种极具应用前景的Cr(Ⅵ)污染修复材料。然而,由于nZVI存在易聚集和氧化钝化的缺陷,限制了其进一步的环境应用。由此,采取有效的方法解决nZVI易团聚和表面钝化的问题,是维持nZVI反应活性的关键所在。本研究利用碳纳米管(CNTs)作为载体对nZVI进行负载,同时基于奥奈达湖希瓦氏菌(Shewanella oneidenis MR-1)可以利用电化学性能优异的 CNTs 作为电子穿梭体,将 nZVI 表面钝化层中的铁(氢)氧化物还原成吸附态的Fe(Ⅱ)等特点,构建了以CNTs负载nZVI耦合MR-1的联合体系,该体系有望解决nZVI易团聚和反应过程中表面钝化失活的问题,并增强nZVI材料的电子转移能力,最终实现水中Cr(Ⅵ)的高效快速去除。本研究还通过序批实验及多种表征手段对此联合体系协同除Cr(Ⅵ)的机理进行了探究。主要研究结果如下: (1)构建了碳纳米管负载纳米零价铁耦合希瓦氏菌的联合体系:选用CNTs作为nZVI的载体,成功制备出了碳纳米管负载纳米零价铁(nZVI@CNTs)的复合材料,后将制备出的材料与Shewanella oneidenis MR-1(MR-1)进行耦合,最终构建成完整的nZVI@CNTs/MR-1联合体系。利用SEM-EDS和BET等表征手段对相关材料及联合体系的性质进行了表征。表征结果证明:CNTs能够很好地防止nZVI颗粒的团聚并显著增强nZVI的电子转移能力。与MR-1耦合后的联合体系,材料与MR-1结合紧密,有利于MR-1与nZVI钝化层之间的电子传递,从而保持nZVI的反应活性。 (2)探究了联合体系去除水中Cr(Ⅵ)的性能:探讨了不同体系、复合材料投加量、MR-1菌浓度、溶液初始pH和共存阴离子对Cr(Ⅵ)去除效率的影响以及联合体系的循环利用性能。研究结果表明:nZVI@CNTs/MR-1联合体系相较于其他体系(MR-1、nZVI@CNTs、nZVI/MR-1),具有良好的Cr(Ⅵ)去除能力。对于nZVI@CNTs/MR-1联合体系,当Cr(Ⅵ)初始浓度为50mg/L,溶液初始pH为7.0时,更多的材料添加量以及更高的MR-1细胞浓度都有利于Cr(Ⅵ)的完全去除。当反应体系中添加0.1 mol/L的共存阴离子时,除NO3-和(CO32-表现出一定程度的抑制作用外,其余阴离子(SO42-、PO42-和HCO3-)对Cr(Ⅵ)的去除几乎没有影响。此外,相较于原始nZVI材料,该联合体系还拥有更加优异的循环利用性能。 (3)揭示了联合体系去除水中Cr(Ⅵ)的相关机理:通过SEM-EDS、XRD、XPS、FTIR、3D-EEM、电化学分析等表征手段揭示了联合体系去除Cr(Ⅵ)的机理。其主要去除机理包括以下几个方面:nZVI@CNTs复合材料能够还原、吸附一定量的Cr(Ⅵ);MR-1可以通过胞外聚合物中的蛋白质、腐殖酸等物质吸附和沉淀少量的Cr(Ⅵ);MR-1可以利用CNTs作为电子穿梭体促进nZVI表面铁(氢)氧化物的溶解,延长nZVI的反应活性,进而持续促进nZVI对Cr(Ⅵ)的还原。综上所述,联合体系通过多种机制的共同作用,最终实现了水中Cr(Ⅵ)的高效、快速去除。