复合型生物絮凝剂的结构和特性及去除重金属离子的研究

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生物絮凝剂是一类由微生物产生的,可使液体中不易降解的固体悬浮颗粒凝聚、沉淀的特殊高分子代谢产物,具有高效、廉价、无毒、无二次污染的特点,可广泛应用于饮用水处理、废水处理、食品工业和发酵工业等领域。复合型生物絮凝剂是以产絮菌株Rhizobium radiobacter F2和Bacillus sphaeicus F6混合培养、经分离提取得到的新型絮凝剂。进行了复合型生物絮凝剂的组成和结构研究,并分析其理化性质;对絮凝过程的影响因素和絮凝机理进行了探讨;开展了复合型生物絮凝剂对水溶液中重金属离子的吸附研究。  通过分离纯化等步骤制备得到絮凝剂纯化样品,成分分析结果表明,絮凝剂纯化样品中总糖含量分别为85.82%,其中中性糖:糖醛酸:氨基糖的比例为5.97:4.01:1.0。完全酸水解结果显示复合型生物絮凝含有鼠李糖,甘露糖,葡萄糖,和半乳糖,其含量比例为1.1:2.1:10.0:1.0。结合甲基化和部分酸水解结果推测,葡萄糖、甘露糖、鼠李糖构成的单元构成,结构为-Man-Rha-(Glu)5-;由葡萄糖、甘露糖、鼠李糖处引申出支链,支链成分为葡萄糖、甘露糖、半乳糖。其中葡萄糖和甘露糖的比例仍为5:1,推测复合型生物絮凝剂主链结构简式为:  [6)-D-Man-(1→3)-D-Rha-(1→3)-D-Glc-(1→3)-D-Glc-(1→3)-D-Glc-(1→3)-D-Glc-(1→3)-D-Glc-(1→]n  理化性质分析结果表明,复合型生物絮凝剂带有负电集团,具有良好的热稳定性,pH稳定性及存储稳定性。AFM图像显示,在酸性条件和碱性条件下,复合型生物絮凝剂的离解分散情况均优于在纯水溶液中,且在碱性条件下絮凝剂呈现伸展状态的分支状,有利于絮凝效能的发挥。  以高岭土为絮凝对象,对复合型生物絮凝剂的絮凝特性进行研究,并对絮凝过程的活性因子和絮体内部结合力分析,初步探讨其絮凝机理。絮凝剂投加量及溶液的pH对絮凝效果及zeta电位有着重要影响。最佳絮凝效果出现在pH7~8、絮凝剂用量为12 mg/L时。二价及三价离子(Ca2+,Al3+,Mg2+,Mn2+,Fe3+)等的添加有利于产生絮凝。SDS的变性作用降低了絮凝活性,但是降低的幅度很小。α-淀粉酶和β-淀粉酶对絮凝活性有较明显的降低作用,说明复合型生物絮凝剂的絮凝活性主要来自其结构中的多糖成分。高氯酸钠的氧化作用提高了絮凝效果,反映了絮凝剂中羟基的存在。絮凝剂与高岭土形成的颗粒具有较高的强度,EDTA对絮体有轻微的破坏作用,低浓度的HCl几乎没有解絮作用,尿素对絮体的解絮作用较为明显,说明氢键是絮体内部作用力之一。复合型生物絮凝剂的絮凝模式为:在弱碱性环境中,一定量的阳离子发挥压缩双电层作用,促进溶液失稳;絮凝剂分子与高岭土颗粒间由氢键作用发生吸附;高分子吸附架桥作用产生较大絮体,在重力作用下沉降。此过程中,其最主要作用机理主要为吸附架桥。  研究了复合型生物絮凝剂对水溶液中金属离子(包括Cu2+,Pb2+,Zn2+,Cd2+,Mn2+,Ni2+)的吸附行为。当pH为7时,各金属离子的吸附效果较好;絮凝剂对金属离子的吸附能够在较短的时间内达到吸附平衡;随溶液中金属离子浓度的提高,吸附平衡时的吸附量越大,同时水溶液中金属离子的去除率下降。Langmuir等温线比Freundlich等温线更符合复合型生物絮凝剂对各金属离子的吸附。吸附过程动力学用拟一级动力学方程比拟二级动力学方程更为合适。热力学分析表明该吸附为自发的吸热过程。复合型生物絮凝剂对金属离子的吸附中,羟基、羰基和氨基等官能团参与了金属离子与复合型生物絮凝剂的吸附反应,此过程中电荷中和和吸附架桥同样起到了重要作用。
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