硫化亚铁的生物合成及高效去除六价铬的研究

刘亚丽 谢 艺 张永奎

(四川大学化学工程学院，四川成都，610065)

1 引言

铬(Cr)是水环境中常见的重金属，通常来源于采矿冶炼、纺织印染、皮革鞣制等各种工业过程[1]。由于铬的致癌性、持久性和生物累积性，可能对环境和健康构成较高风险[2]。研究表明，铬在自然界中主要以三价和六价的形式存在，并且六价铬(Cr(VI))毒性约为三价铬(Cr(III))的1000倍[3]。因此将Cr(VI)还原为Cr(III)并通过吸附、沉淀等作用对其进行固定是铬污染修复的最常用方法。

硫化亚铁可以同时提供Fe(II)和S(-II)两种还原性物质，是一种高效经济的还原剂[4]。目前最常用的合成方法是化学法，但该过程成本较高，且易产生二次污染。此外，由于硫化亚铁极易被空气氧化，所以提高硫化亚铁的稳定性成为关注的焦点。在合成过程中引入壳聚糖[5]、海藻酸钠[6]和羧甲基纤维素钠[7]等大分子物质作为稳定剂，是目前提高稳定性最常用的方法。最近，利用微生物法合成硫化亚铁吸引了学者们的注意，该法在合成硫化亚铁的过程中，细菌细胞及其胞外聚合物可能成为模板和生物稳定剂，使其稳定性提高，且生物合成具有环境友好等优点。王宁等[8]利用希瓦氏菌生物合成了硫化亚铁并探究了其催化脱氯的效果，结果表明生物硫化亚铁的产量越高对4-氯酚的去除效果越好。Yang等[9]利用硫酸盐还原菌合成了生物硫化亚铁，并用于重金属去除，结果表明生物硫化铁处于形成阶段和固定阶段时处理效果较好。但生物硫化亚铁对Cr(VI)的稳定性和抗干扰性的研究还鲜有报道。

本文利用一株硫酸盐还原菌(SRB)制备生物硫化亚铁，采用XRD和SEM手段进行表征，并将其应用于Cr(VI)去除。探究了生物硫化亚铁用量、溶液pH值、共存离子和天然有机物对Cr(VI)去除的影响。此外，通过与化学法合成的硫化亚铁进行对比，研究了生物硫化亚铁的长期稳定性。

2 实验部分

2.1 实验菌种及培养基

本实验菌种为硫酸盐还原菌(SRB)，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心，属于脱硫弧菌属(Desulfovibrio desulfuricans)。在培养过程中使用改进的Postgate培养基，其成分及含量(每升)为：KH2PO40.5g，NH4Cl 1.0g，MgSO4·7H2O 2.0g，CaCl20.1g，Na2SO41.0g，酵母膏1.0g，抗坏血酸0.1g和乳酸钠3.5mL。

2.2 实验试剂与仪器

主要试剂：七水硫酸亚铁、重铬酸钾、硝酸钠、碳酸氢钠和氯化镁等(购自四川蜀都试剂厂)。

主要仪器：厌氧培养箱(上海龙跃 LAI-3)；紫外分光光度计(上海普元 1900s)；扫描电镜(Zeiss Merlin Compact-61-78, SEM)；X射线衍射仪(D/max-TTR III, Rigaku)。

2.3 实验方法

2.3.1 生物硫化亚铁的制备

将配置好的培养基于115℃灭菌30分钟，冷却后备用。在厌氧培养箱内，将新鲜的SRB种子液接入培养基中，然后加入硫酸亚铁。分装于250mL的锥形瓶内，密封后，于厌氧培养箱内35℃恒温培养72小时，得到生物硫化亚铁悬液。

2.3.2 六价铬去除实验

在含Cr(VI)溶液的锥形瓶中加入一定量生物硫化亚铁悬液，使Cr(VI)浓度为0.4mM，并磁力搅拌。在一定时间间隔内取样，过0.22μm滤膜，测定溶液中剩余六价铬浓度。

2.4 分析方法

2.4.1 六价铬的测定方法

六价铬采用二苯碳酰二肼分光光度法测定[10]。

2.4.2 生物硫化亚铁的表征

采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对生物硫化亚铁进行物相分析和微观形貌表征。

3 结果与讨论

3.1 生物硫化亚铁的表征

由图1可知，生物合成的硫化亚铁无明显特征峰，说明其结晶度较差，主要以无定形态存在。柯杭等[11]研究发现，由脱硫肠状菌(Desulfotomaculum putei)合成的硫化亚铁主要以无定形态和微晶形式存在。硫化亚铁在25℃的水溶液条件下转化为结晶度较好的四方硫铁矿约为两年的时间[12]，故利用SRB生物合成的硫化亚铁初期以非晶型为主是合理的。

由图2可以看出，生物硫化亚铁的粒径为微米级别，大部分呈现不规则形态，且颗粒表面光滑饱满，呈现鳞片状叠加结构。

图1 生物硫化亚铁XRD图谱

图2 生物硫化亚铁扫描电镜图片

3.2 反应条件对生物硫化亚铁去除六价铬的影响

为探究生物硫化亚铁对Cr(VI)的去除能力，分别考察了生物硫化亚铁用量、溶液初始pH值、共存离子和天然有机物对Cr(VI)去除的影响。

3.2.1 生物硫化亚铁用量

生物硫化亚铁剂量增加可以提供更多的反应位点，有助于提高反应的速率和Cr(VI)的去除率。如图3(a)所示，当生物硫化亚铁用量为5%时，反应20min后Cr(VI)的去除率为27.7%。当用量增至10%和15%时，在20min内Cr(VI)的去除率分别为56.0%和84.0%。继续增加用量至20%和25%时，Cr(VI)的去除率为99.5%和99.6%。并对该反应过程进行动力学拟合，其结果如图3(b)所示，结果表明该反应过程符合一级动力学模型，随生物硫化亚铁用量增加，反应速率逐渐增加，当用量为20%和25%时，反应速率常数分别为0.302和0.365。相比于15%时，用量从20%增加至25%，Cr(VI)的去除率和反应速率均只有小幅度提高，说明在此反应体系下，硫化亚铁用量为20%时已经可以很好地去除Cr(VI)，故选择20%硫化亚铁用量进行后续试验。

图3 不同剂量生物硫化亚铁对Cr(VI)的去除能力(a)和去除动力学(b)

3.2.2 溶液初始pH值

pH值是影响硫化亚铁对Cr(VI)去除的关键因素，它会影响硫化亚铁表面电荷的分布及Cr(VI)的形态分布，进而影响氧化还原反应的速率和Cr(VI)去除的能力[5,10,13]。如图4(a)所示，当溶液pH值为3和5时，Cr(VI)的去除率分别为99.7%和96.2%，继续增加溶液的pH值为7、9和11，去除率分别下降至84.2%、74.9%和31.1%。pH值对生物硫化亚铁去除Cr(VI)的影响较大，随pH值的升高，Cr(VI)的去除率逐渐降低，分析原因可能是以下两个方面：一方面，硫化亚铁的溶解度随pH值的升高而下降[4]。在强酸性条件下(pH值≤3)，硫化亚铁溶解消耗氢离子，产生更多的Fe(II)和S(-II)，能够快速还原溶液中的Cr(VI)。当pH值为5-7时，也可达到较好的Cr(VI)去除效果，此时硫化亚铁对Cr(VI)的去除机理可能发生了变化，Cr(VI)可能先吸附在硫化亚铁表面进而被还原[14]。在碱性条件下，Fe(II)更容易被氧化，在表面形成较多的氢氧化物层[15]，不利于Cr(VI)的去除。另一方面，pH值还会影响Cr(VI)的形态分布和硫化亚铁的表面电性。利用水环境软件Minteq3.0模拟了Cr(VI)的存在形态随pH值变化情况，结果如图4(b)所示，在碱性条件下Cr(VI)主要以CrO42-形式存在，溶液中大量带负电荷的氢氧根离子对铬酸盐存在静电排斥作用[6]。当pH值≥9时，硫化亚铁表面带负电荷，同样不利于Cr(VI)的去除。

图4 不同pH值对Cr(VI)去除的影响(a)和Cr(VI)在不同pH值下的形态分布(b)

3.2.3 共存离子和天然有机物

天然地下水中存在多种阴阳离子和天然有机物，且可能会影响硫化亚铁对Cr(VI)的去除效果。本实验分别考察了阴离子(NO3-、SO42-和HCO3-)和阳离子(Ca2+和Mg2+)对Cr(VI)去除的影响。天然水体中存在的天然有机物(NOM)浓度为2-15mg/L，且腐植酸(HA)占有机质总量的70%左右[16]，故在2-15mg/L范围内考察了HA对硫化亚铁去除Cr(VI)的影响。

图5 阴离子(a)，阳离子(b)和天然有机物(b)对Cr(VI)去除的影响

由图5(a)可知，与对照组相比，在20-100mM浓度范围内，NO3-和SO42-对Cr(VI)的去除无明显影响，去除率均可达到95%以上。然而当HCO3-存在时，Cr(VI)的去除率随HCO3-浓度的增加而逐渐下降，从68%下降至50.1%。HCO3-对Cr(VI)去除的抑制作用主要归因于两个方面，一方面，HCO3-的引入会使溶液的初始pH值增加至9左右，由于静电排斥作用和钝化层的形成会使Cr(VI)去除效果不佳。另一方面，HCO3-的引入会与溶液中的Fe(II)形成FeCO3或Fe(II)/Fe(III)(氧基)羟基碳酸盐的沉淀，消耗了还原性物质且减少了反应位点，导致去除率的降低。

由图5(b)可知，当存在Mg2+时，Cr(VI)的去除不受影响。当存在Ca2+浓度为40mM和100mM时，Cr(VI)的去除率分别为97.8%和95.0%，其他浓度组别均达到99.0%以上，故Ca2+的存在对Cr(VI)去除的影响也比较小。

由图5(c)可知，在地下水含量水平，随HA浓度的升高，对Cr(VI)的去除效果无明显差异，说明HA的存在对Cr(VI)去除影响较小。

3.3 长期稳定性实验对比

由图6(a)可以看出，化学合成的硫化亚铁在静置1天后上清液开始出现浅黄色，说明此时开始被氧化，随静置时间延长，氧化越来越明显，在第8天已经完全被氧化。由图6(b)可知，生物硫化亚铁在第1天时已完全沉降，可能与粒径较大有关，但在静置10天过程中并未观察到被氧化的现象，说明制备的生物硫化亚铁具有良好的抗氧化能力，这可能与细菌及其胞外聚合物的稳定作用相关。

图6 化学硫化亚铁(a)和生物硫化亚铁(b)随静置时间变化的图片(d指天数)

4 结论

本研究利用SRB成功制备了生物硫化亚铁，且具有较好的Cr(VI)去除和抗氧化能力。生物硫化亚铁剂量的增加有助于提高反应的速率和Cr(VI)的去除效率，20%和25%用量的生物硫化亚铁在20min内对初始浓度为0.4mM Cr(VI)的去除率可以达到99.5%以上。pH值是影响硫化亚铁对Cr(VI)去除的关键因素，在酸性条件下有利于六价铬的去除。该生物材料的抗干扰能力较好，在含NO3-、SO42-、Ca2+和Mg2+等阴阳离子丰富的地下水中，生物硫化亚铁对Cr(VI)的去除不受影响，且HA的存在也不影响其对Cr(VI)的去除。更重要的是，与化学合成的硫化亚铁相比，该生物硫化亚铁具有更好的抗氧化能力。