一種新型生物絮凝劑來提高水中銅離子的去除

2021-02-23 11:52:14霍銘遠張志鵬曾繁城孫彩云孫大志

吉林化工學院學報 2021年1期

徐亮，霍銘遠，張志鵬，曾繁城，孫彩云，孫大志，張峰

(1.吉林化工學院資源與環境工程學院，吉林吉林 132022；2.天津晟方環保科技有限公司，天津 300000；3.四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質中心，成都 610081)

銅廣泛應用于冶金，機械制造，電鍍，化學等行業.在農林業中，硫酸銅可以防治病蟲害，抑制水中藻類的增殖.氯化銅，硫酸銅，硝酸銅等易溶于水.正常人體銅的總含量約為100～150 mg[1].然而，過量攝入會刺激消化系統，引起腹痛和嘔吐.人的口服致死劑量約為10 g[2]，銅對低等生物和作物的毒性相對較高.當銅的濃度達到0.1～0.2 mg/L時[3]，魚就會死亡.當它與鋅共存時，毒性會增加，對貝類水的毒性會更大[4].一般來說，水產養殖用水中銅的濃度要求低于0.01 mg/L[5].對于農作物來說，銅是毒性最大的重金屬，吸收銅離子后固定在根皮層，影響養分吸收.當灌溉水中銅含量較高時，即在土壤和作物中積累，可使作物枯萎[6].

去除水中銅離子的方法有很多，目前處理方法主要有化學沉淀法，離子交換法，電化學法和吸附法等[7].化學沉淀法常用于處理工業廢水，但常常會產生硫化氫氣體，造成二次污染[8]；離子交換法可對金屬進行回收利用，但在處理過程中會產生多余廢液，時間周期較長，普遍適用性較差[9].電化學法處理效果較好，運行成本低，由于其獨特的優勢受到廣泛的應用[10].吸附法相比較其他傳統的處理方法具有高效、節能、可循環利用、環保等優點而被廣泛應用[11].

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

牛肉膏蛋白胨培養基：牛肉浸膏5 g/L、蛋白胨10 g/L、氯化鈉5 g/L、酵母膏1.5 g/L

生物產絮培養基：磷酸二氫鉀7 g/L、葡萄糖20 g/L、氯化鈉0.1 g/L、硫酸銨0.2 g/L、尿素0.5 g/L、酵母浸膏粉0.5 g/L、結晶硫酸鎂0.2 g/L.

主要儀器設備：TG16G高速離心機、VD-850桌上型(垂直送風)凈化工作臺、DHP-260電熱恒溫培養箱、HJ-6磁力加熱攪拌器、100 L光照培養箱、HY-2調速多用振蕩器、YXQ-75SII立式壓力蒸汽滅菌器.

1.2 實驗過程

1.2.1 菌株的16S rDNA鑒定

將16SrDNA進行PCR擴增，引物(27F：AGAGTTGATCCTGGCTCAG和1492R：GGTTACC TTGTTACGACTT)用于擴增和菌株鑒定.

PCR反應由3個步驟組成：①變性：將反應體系升溫至95 ℃左右，待擴增DNA變性分解成兩條單鏈，各自作為模板.②退火，將溫度降至引物的Tm值以下(55 ℃左右)，兩條引物各自與兩條單鏈DNA模板的互補區域結合.③延伸，將溫度升到72 ℃左右，Taq DNA聚合酶催化四種dNTP，從引物3′端開始，依據模板堿基序列互補的方式依次聚合，合成一條新的互補的DNA鏈，而這種新鏈又可成為下次循環的模板.

1.2.2 生物絮凝劑的制備

(1)取培養液1 000 mL，6 000 r/min，離心5 min，取上清液；

(2)加入等體積丙醇，4 ℃過夜(6 h以上)；

(3)12 000 r/min離心10 min，去上清液；

(4)重復第(3)步兩次；

(5)用乙醚洗滌沉淀物，通過有機濾膜過濾得微生物絮凝劑的干制品.

1.2.3 納米GO的制備

將2.0 g石墨粉加入到50 mLH2SO4溶液中，2.0 g NaNO3溶解.攪拌15 min后，緩慢加入6.0 gKMnO4(保持系統溫度低于15 ℃)，在35 ℃下反應1 h，升溫至90 ℃15 min，加入200 mL的蒸餾水.加熱至沸騰反應15 min；降至室溫，加入12 mLH2O2，反應8 h，過濾收集固體混合物，分別用稀鹽酸和蒸餾水離心洗滌混合物，直至離心溶液中沒有SO4離子(用BaCl2溶液檢測)；60 ℃真空干燥至恒重，得GO粉.將0.2 g GO粉末分散在400 mL蒸餾水中.室溫超聲6 h，即濃度約0.5 mg/mL的GO懸液，備用.

1.2.4 菌株對銅離子的絮凝特性

加入蒸餾水，將微生物絮凝劑稀釋至60 mg/L進行銅絮凝試驗.分析絮凝條件溫度(℃)，pH值，絮凝時間(h)，生物絮凝劑投加量(mg/L)，GO誘導劑投加量(mg/L)對絮凝效果的影響.將pH由0.1 MHCl和0.1MNaOH調整為3.0～10左右.同樣，溫度的影響是在期望的溫度下培養的.

確定了pH值、絮凝時間、GO誘導劑和溫度的范圍.選擇的pH值、絮凝時間、GO誘導劑和溫度范圍分別為4～10、0～3 h、2.5～17.5 mg/L和5～35 ℃.

2 結果與討論

2.1 菌株的16S rDNA鑒定

以(27F：AGAGTTGATCCTGGCTCAG和1492R：GGTTAC CTTGTTACGACTT)為引物，進行PCR擴增，用于16S rDNA擴增和菌株鑒定，序列相似性超過97.1%.測序數據的比較表明，該菌株為植生烏拉爾菌(Raoultella planticola)，NCBI訪問編號KC456530.1顯微鏡觀察菌株的形態特征，用Bergey系統細菌學手冊鑒定菌株的生理生化特征.植生烏拉爾菌是一種革蘭氏陰性，需氧，棒狀細菌.

2.2 pH對絮凝效率的影響

圖1顯示了在pH=5時達到的最高絮凝效率.隨著pH值從4增加到5，絮凝效率從85.65%提高到86.01%，隨著pH值增加到9，絮凝效率下降到65.66%.如果改變pH值，絮凝會完全不同，例如，銅離子在堿性條件下會沉淀.

pH圖1 pH對絮凝效率的影響

2.3 時間對絮凝效率的影響

圖2表明，絮凝效率在1.62 h達到最大值，隨著絮凝時間從0.05增加到1.62 h，絮凝效率從51.21%增加到80.55%，隨著絮凝時間增加到3 h，絮凝效率降低到60.16%.

時間/h圖2 時間對絮凝效率的影響

2.4 GO投加量對絮凝效率的影響

結果表明，投加量在13.11 mg/L時達到絮凝效率最大值.隨著生物絮凝劑用量從2.5 mg/L增加到13.11 mg/L，絮凝效率從12.77%提高到87.26%.生物絮凝劑投加量增加到17.5 mg/L，絮凝效率下降到76.60%.圖3顯示了在13.11 mg/L時達到的最高絮凝效率.隨著GO誘導劑從1.5 mg/L增加到10.5 mg/L，絮凝效率從76.59%提高到90.88%.

GO投加量/(mg·L-1)圖3 GO投加量對絮凝效率的影響

2.5 溫度和GO投加量共同對絮凝效率的影響

研究顯示，溫度單因素對絮凝效率影響并不顯著，溫度從5 ℃提高到35 ℃，絮凝效率僅提高8.39%.而溫度和GO助凝劑投加量是影響絮凝效率的重要因素，二者共同作用對銅離子絮凝效率有顯著影響.并且在GO助凝劑投加量為13.11 mg/L時達到最大絮凝效率，絮凝效率為86.01%.

2.6 GO和生物絮凝劑的Zeta電位和傅里葉變換紅外光譜儀分析

研究了GO和生物絮凝劑紅外輻射(IR)光譜見圖4.

Temperature/(mg·L-1)

Temperature/℃圖4 響應面和等高線圖同時顯示了影響絮凝效率的兩個因素

2.7 生物絮凝劑和GO誘導劑的掃描電鏡分析

GO的大表面富含含氧官能團，如羥基和羧基，使其在水環境中具有極強的親水性如圖5(a)所示，但同時，作為層狀有機物，其離子性能也很好，這是我們使用它作為助凝劑的主要原因.在研究和實驗中，這種特性對銅離子的去除起著關鍵作用[15].在絮凝過程中，捕網是絮凝機理的主要因素，如圖5(b)所示，但同時，我們的實驗表明，由于GO助凝劑的作用，電中和壓縮雙電層在絮凝過程中也起著關鍵作用.雖然我們只有zeta電位的數據結果，但很明顯，是符合這樣的結論的[16].低劑量(12 mg/L)的誘導效率超過80%.作為一種長鏈生物聚合物，生物絮凝劑架橋連接GO顆粒和銅，如圖5(b)所示.當絮凝劑不足時，架橋現象不會有效地形成.同時，即使GO起到壓縮雙電層的作用，使銅離子短時間附著在其表面，由于沒有足夠的生物絮凝劑，這種去除效果也不能長期發揮，因此生物絮凝劑的分散保證了去除率.這些氧官能團使GO在水中具有良好的分散性.如圖4所示，生物絮凝劑的zeta電位測量表明，絮凝劑在堿性和酸性條件下主要帶負電.據報道，GO在不同的pH值下具有不同的電態.是酸性條件下的正電荷(pH值低于4)，中性和堿性條件下的負電荷(pH值高于4).這一結果證明了銅離子作為陽離子，可以與GO和生物絮凝劑充分連接，吸附和吸附，最終被去除[17-18].