一种新型生物絮凝剂来提高水中铜离子的去除

2021-02-23霍铭远张志鹏曾繁城孙彩云孙大志

吉林化工学院学报 2021年1期

徐亮，霍铭远，张志鹏，曾繁城，孙彩云，孙大志，张峰

(1.吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林吉林 132022；2.天津晟方环保科技有限公司，天津 300000；3.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，成都 610081)

铜广泛应用于冶金，机械制造，电镀，化学等行业.在农林业中，硫酸铜可以防治病虫害，抑制水中藻类的增殖.氯化铜，硫酸铜，硝酸铜等易溶于水.正常人体铜的总含量约为100～150 mg[1].然而，过量摄入会刺激消化系统，引起腹痛和呕吐.人的口服致死剂量约为10 g[2]，铜对低等生物和作物的毒性相对较高.当铜的浓度达到0.1～0.2 mg/L时[3]，鱼就会死亡.当它与锌共存时，毒性会增加，对贝类水的毒性会更大[4].一般来说，水产养殖用水中铜的浓度要求低于0.01 mg/L[5].对于农作物来说，铜是毒性最大的重金属，吸收铜离子后固定在根皮层，影响养分吸收.当灌溉水中铜含量较高时，即在土壤和作物中积累，可使作物枯萎[6].

去除水中铜离子的方法有很多，目前处理方法主要有化学沉淀法，离子交换法，电化学法和吸附法等[7].化学沉淀法常用于处理工业废水，但常常会产生硫化氢气体，造成二次污染[8]；离子交换法可对金属进行回收利用，但在处理过程中会产生多余废液，时间周期较长，普遍适用性较差[9].电化学法处理效果较好，运行成本低，由于其独特的优势受到广泛的应用[10].吸附法相比较其他传统的处理方法具有高效、节能、可循环利用、环保等优点而被广泛应用[11].

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉浸膏5 g/L、蛋白胨10 g/L、氯化钠5 g/L、酵母膏1.5 g/L

生物产絮培养基：磷酸二氢钾7 g/L、葡萄糖20 g/L、氯化钠0.1 g/L、硫酸铵0.2 g/L、尿素0.5 g/L、酵母浸膏粉0.5 g/L、结晶硫酸镁0.2 g/L.

主要仪器设备：TG16G高速离心机、VD-850桌上型(垂直送风)净化工作台、DHP-260电热恒温培养箱、HJ-6磁力加热搅拌器、100 L光照培养箱、HY-2调速多用振荡器、YXQ-75SII立式压力蒸汽灭菌器.

1.2 实验过程

1.2.1 菌株的16S rDNA鉴定

将16SrDNA进行PCR扩增，引物(27F：AGAGTTGATCCTGGCTCAG和1492R：GGTTACC TTGTTACGACTT)用于扩增和菌株鉴定.

PCR反应由3个步骤组成：①变性：将反应体系升温至95 ℃左右，待扩增DNA变性分解成两条单链，各自作为模板.②退火，将温度降至引物的Tm值以下(55 ℃左右)，两条引物各自与两条单链DNA模板的互补区域结合.③延伸，将温度升到72 ℃左右，Taq DNA聚合酶催化四种dNTP，从引物3′端开始，依据模板碱基序列互补的方式依次聚合，合成一条新的互补的DNA链，而这种新链又可成为下次循环的模板.

1.2.2 生物絮凝剂的制备

(1)取培养液1 000 mL，6 000 r/min，离心5 min，取上清液；

(2)加入等体积丙醇，4 ℃过夜(6 h以上)；

(3)12 000 r/min离心10 min，去上清液；

(4)重复第(3)步两次；

(5)用乙醚洗涤沉淀物，通过有机滤膜过滤得微生物絮凝剂的干制品.

1.2.3 纳米GO的制备

将2.0 g石墨粉加入到50 mLH2SO4溶液中，2.0 g NaNO3溶解.搅拌15 min后，缓慢加入6.0 gKMnO4(保持系统温度低于15 ℃)，在35 ℃下反应1 h，升温至90 ℃15 min，加入200 mL的蒸馏水.加热至沸腾反应15 min；降至室温，加入12 mLH2O2，反应8 h，过滤收集固体混合物，分别用稀盐酸和蒸馏水离心洗涤混合物，直至离心溶液中没有SO4离子(用BaCl2溶液检测)；60 ℃真空干燥至恒重，得GO粉.将0.2 g GO粉末分散在400 mL蒸馏水中.室温超声6 h，即浓度约0.5 mg/mL的GO悬液，备用.

1.2.4 菌株对铜离子的絮凝特性

加入蒸馏水，将微生物絮凝剂稀释至60 mg/L进行铜絮凝试验.分析絮凝条件温度(℃)，pH值，絮凝时间(h)，生物絮凝剂投加量(mg/L)，GO诱导剂投加量(mg/L)对絮凝效果的影响.将pH由0.1 MHCl和0.1MNaOH调整为3.0～10左右.同样，温度的影响是在期望的温度下培养的.

确定了pH值、絮凝时间、GO诱导剂和温度的范围.选择的pH值、絮凝时间、GO诱导剂和温度范围分别为4～10、0～3 h、2.5～17.5 mg/L和5～35 ℃.

2 结果与讨论

2.1 菌株的16S rDNA鉴定

以(27F：AGAGTTGATCCTGGCTCAG和1492R：GGTTAC CTTGTTACGACTT)为引物，进行PCR扩增，用于16S rDNA扩增和菌株鉴定，序列相似性超过97.1%.测序数据的比较表明，该菌株为植生乌拉尔菌(Raoultella planticola)，NCBI访问编号KC456530.1显微镜观察菌株的形态特征，用Bergey系统细菌学手册鉴定菌株的生理生化特征.植生乌拉尔菌是一种革兰氏阴性，需氧，棒状细菌.

2.2 pH对絮凝效率的影响

图1显示了在pH=5时达到的最高絮凝效率.随着pH值从4增加到5，絮凝效率从85.65%提高到86.01%，随着pH值增加到9，絮凝效率下降到65.66%.如果改变pH值，絮凝会完全不同，例如，铜离子在碱性条件下会沉淀.

pH图1 pH对絮凝效率的影响

2.3 时间对絮凝效率的影响

图2表明，絮凝效率在1.62 h达到最大值，随着絮凝时间从0.05增加到1.62 h，絮凝效率从51.21%增加到80.55%，随着絮凝时间增加到3 h，絮凝效率降低到60.16%.

时间/h图2 时间对絮凝效率的影响

2.4 GO投加量对絮凝效率的影响

结果表明，投加量在13.11 mg/L时达到絮凝效率最大值.随着生物絮凝剂用量从2.5 mg/L增加到13.11 mg/L，絮凝效率从12.77%提高到87.26%.生物絮凝剂投加量增加到17.5 mg/L，絮凝效率下降到76.60%.图3显示了在13.11 mg/L时达到的最高絮凝效率.随着GO诱导剂从1.5 mg/L增加到10.5 mg/L，絮凝效率从76.59%提高到90.88%.

GO投加量/(mg·L-1)图3 GO投加量对絮凝效率的影响

2.5 温度和GO投加量共同对絮凝效率的影响

研究显示，温度单因素对絮凝效率影响并不显著，温度从5 ℃提高到35 ℃，絮凝效率仅提高8.39%.而温度和GO助凝剂投加量是影响絮凝效率的重要因素，二者共同作用对铜离子絮凝效率有显著影响.并且在GO助凝剂投加量为13.11 mg/L时达到最大絮凝效率，絮凝效率为86.01%.

2.6 GO和生物絮凝剂的Zeta电位和傅里叶变换红外光谱仪分析

研究了GO和生物絮凝剂红外辐射(IR)光谱见图4.

Temperature/(mg·L-1)

Temperature/℃图4 响应面和等高线图同时显示了影响絮凝效率的两个因素

2.7 生物絮凝剂和GO诱导剂的扫描电镜分析

GO的大表面富含含氧官能团，如羟基和羧基，使其在水环境中具有极强的亲水性如图5(a)所示，但同时，作为层状有机物，其离子性能也很好，这是我们使用它作为助凝剂的主要原因.在研究和实验中，这种特性对铜离子的去除起着关键作用[15].在絮凝过程中，捕网是絮凝机理的主要因素，如图5(b)所示，但同时，我们的实验表明，由于GO助凝剂的作用，电中和压缩双电层在絮凝过程中也起着关键作用.虽然我们只有zeta电位的数据结果，但很明显，是符合这样的结论的[16].低剂量(12 mg/L)的诱导效率超过80%.作为一种长链生物聚合物，生物絮凝剂架桥连接GO颗粒和铜，如图5(b)所示.当絮凝剂不足时，架桥现象不会有效地形成.同时，即使GO起到压缩双电层的作用，使铜离子短时间附着在其表面，由于没有足够的生物絮凝剂，这种去除效果也不能长期发挥，因此生物絮凝剂的分散保证了去除率.这些氧官能团使GO在水中具有良好的分散性.如图4所示，生物絮凝剂的zeta电位测量表明，絮凝剂在碱性和酸性条件下主要带负电.据报道，GO在不同的pH值下具有不同的电态.是酸性条件下的正电荷(pH值低于4)，中性和碱性条件下的负电荷(pH值高于4).这一结果证明了铜离子作为阳离子，可以与GO和生物絮凝剂充分连接，吸附和吸附，最终被去除[17-18].