【摘 要】
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随着人口的激增,诸多问题也随之而来,其中,水环境污染及水资源匮乏是人类当前急需解决的两大问题。由于人们生活、生产活动的加剧,工厂废水和污水的排放量也在不断增加,而淡水资源的开发难度也随之增加。废水中含有许多的毒害物质,较为常见的如:重金属、农药、化肥等,这些污染物对淡水提取设备也会造成损害,比如:生锈、结垢等。为了解决这些问题,吸附法是污水处理中最常用于去除水中有害物质的方法之一。目前,多孔材料因
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随着人口的激增,诸多问题也随之而来,其中,水环境污染及水资源匮乏是人类当前急需解决的两大问题。由于人们生活、生产活动的加剧,工厂废水和污水的排放量也在不断增加,而淡水资源的开发难度也随之增加。废水中含有许多的毒害物质,较为常见的如:重金属、农药、化肥等,这些污染物对淡水提取设备也会造成损害,比如:生锈、结垢等。为了解决这些问题,吸附法是污水处理中最常用于去除水中有害物质的方法之一。目前,多孔材料因其具有比表面积大、高效且环保等特性,在吸附剂的研究中较为普遍。然而,目前的吸附剂功能比较单一,多局限于单方面的应用。为此,本文基于良好的生物相容性能合成了两种多功能生物金属材料。其一是通过硬模板法合成具有中空介孔结构的氧化锆（hm-ZrO2）。其二是利用巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）分泌的可溶性胞外多糖物质（s-EPS）来修饰2-甲基咪唑锌盐（ZIF-8）,合成出一种以ZIF-8为核,s-EPS为壳结构的生物多功能材料,即ZIF-8@s-EPS。本文主要研究内容如下:（1）通过比表面积测定发现:hm-ZrO2比表面积为184.311 m~2/g。大比表面积的hm-ZrO2对Pb2+、Ni2+及马拉硫磷具有较高的吸附效率。在本实验中,通过对吸附剂投入量的考察,结果表明hm-ZrO2投入浓度分别为0.667 g/L,1 g/L和0.333g/L时对Pb2+,Ni2+及马拉硫磷的吸附效率最高。p H分别为4和6时,hm-ZrO2对Pb2+,Ni2+具有较高的吸附效率。通过对时间的考察可知:hm-ZrO2对Pb2+,Ni2+和马拉硫磷的吸附均遵循准二级动力学。通过对温度的考察结合热力学拟合结果可知:hm-ZrO2对Pb2+、Ni2+和马拉硫磷的吸附均为自发、吸热。通过对初始吸附质浓度的考察发现:hm-ZrO2对Pb2+的Freundlich吸附n值为2.221,这表示hm-ZrO2对Pb2+的吸附过程较易发生。而通过计算得知Ni2+的Langmuir最大理论吸附容量（Qm）值为51.55 mg/g,与实验值45.73 mg/g较为接近,hm-ZrO2吸附马拉硫磷的Qm则为54.11 mg/g。从以上探究结果发现:hm-ZrO2对Pb2+、Ni2+及马拉硫磷的吸附均是以化学吸附为主。这是hm-ZrO2首次被用于水处理中的双功能吸附剂,该吸附剂有望被用于对废水中的其他废物进行吸附去除。（2）本文利用富含羧基、氨基和酰胺基等官能团的s-EPS对ZIF-8进行官能化修饰,XPS结果证实这些活性官能团可以作为Ca2+的吸附位点,阻碍Ca2+与HCO3-和SO42-的结合,从而达到阻垢的效果。通过响应曲面法探究了阻垢剂剂量、时间和温度对阻垢效果的交互影响,结果表明在阻垢剂投入量为3 m L,时间为15 h,温度为20℃条件下,ZIF-8@s-EPS对Ca CO3和Ca SO4的阻垢效率分别为98.63%和99.40%。此外,利用荧光显微镜和激光共聚焦显微镜观察到ZIF-8@s-EPS能够抑制铜绿假单胞菌及其生物膜在不锈钢上的粘附。这是因为ZIF-8@s-EPS能够释放Zn2+,且羧基、氨基等基团也具有一定的抗菌活性,因此具有较好的抑菌效果,其抑菌率为89.4%。通过水接触角的测试发现ZIF-8@s-EPS为亲水性的,这种亲水性能则会保护不锈钢片,从而抵抗蛋白质的粘附,表现出较好的防污性能。此类多功能的生物金属材料首次被应用于阻垢、抗菌和防污,因此,具有亲水性的s-EPS对金属材料的官能化有望成为一种开发生物多功能材料的新途径。
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