用于重金屬吸附的硫酸鋁改性鐵基生物材料及其制備和應用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境工程領域，具體涉及一種用于重金屬吸附的硫酸鋁改性鐵基生物材料，及其制備和在重金屬廢水處理上的應用。
【背景技術】
[0002]伴隨工業(yè)化進程有色金屬礦床開發(fā)、金屬加工業(yè)、制革業(yè)、電鍍業(yè)、紡織業(yè)以及固體廢棄物堆置等導致大量重金屬進入水體環(huán)境中，并在底泥中富集，因此重金屬污染已經成為世界范圍內共同關注的一個十分嚴峻的環(huán)境問題。重金屬不能被生物降解，并可以通過食物鏈的富集作用逐步進入人體。高效去除水體中的重金屬離子已經成為當前十分緊迫的一項系統(tǒng)工程。吸附回收廢液中的重金屬離子，不僅是污水處理問題的重要組成部分，同時在重金屬離子的循環(huán)利用方面也有著較為重大的意義。
[0003]環(huán)境體系中的重金屬不能用常規(guī)辦法分解去除，只能夠通過轉移其存在位置和轉變形態(tài)的方式進行處理。通常，重金屬廢水處理方法大致可以分為三種:(I)通過化學反應將廢水中的重金屬離子分離去除，主要有中和沉淀法、硫化物沉淀法、鐵氧體法、氧化還原法等?；瘜W沉淀法的原理是通過化學反應使廢水中呈溶解狀態(tài)的重金屬轉變?yōu)椴蝗苡谒闹亟饘倩衔?，再通過過濾和分離使沉淀物從溶液中去除。但其仍存在一定局限性，在處理過程中需要投加化學試劑，這會在一定程度上帶來二次污染的風險，同時化學法存在去除極限的問題，當水體中污染物低于一定限度時，其去除效果往往不佳。(2)通過物理手段不改變廢水中重金屬化學形態(tài)的條件下分離重金屬的方法，包括吸附、萃取、蒸發(fā)濃縮、膜分離與離子交換等。物理方法存在去除成本大，處理時間長以及去除不徹底等問題。(3)第三種是利用微生物或植物的絮凝、吸收、積累等作用，通過重金屬在生物中的富集達到去除廢水中重金屬的目的，包括微生物絮凝法、生物化學法和植物修復法等。生物法處理對時間和空間要求較高，相對處理成本高，難于大規(guī)模運用。
[0004]基于吸附材料對重金屬的去除處理目前被認為是一種深度處理的方法，它能夠有效清除其他方法不能作用的殘留微量重金屬。吸附法是利用吸附劑的獨特結構吸附重金屬離子，而后通過分離吸附材料去除重金屬離子的方法。吸附法具有材料簡單、成本低廉、吸附效果好等優(yōu)點，是一種傳統(tǒng)且應用較為廣泛的處理方法。經過不斷地研發(fā)越來越多的吸附材料投入使用。目前使用較廣泛的一類是天然吸附材料，如活性炭、腐植酸、殼聚糖類、玉米芯、木材鋸肩等。其中活性炭作為傳統(tǒng)吸附材料有著廣泛的應用，也有著穩(wěn)定性好、酸堿耐性高、耐高溫高壓、吸附表面積大等優(yōu)點。但隨著吸附法的發(fā)展，其再生效率低，處理后水質難以達到循環(huán)標準的缺點也暴露出來，新型吸附材料的開發(fā)因而活躍。
[0005]本發(fā)明利用鋁離子對氧化亞鐵硫桿菌進行馴化，得到在含有較高濃度鋁離子情況下具有穩(wěn)定亞鐵氧化能力的菌株。利用馴化好的菌株在不同F(xiàn)eSO4.7H20與Al2 (SO4)3.18H20比例的體系中合成具有不同形貌和尺寸的硫酸鋁改性鐵基生物材料。由于其優(yōu)良的尺寸效應和結構效應，其具有處理時間短，處理容量大，可再生能力強，無二次污染以及適用于飲用水處理等優(yōu)點。此種材料的成功控制合成對開發(fā)具有簡易、高效、低耗，低成本，環(huán)境友好的鐵基吸附材料具有重要的指導意義。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)技術中的不足，提供一種用于重金屬吸附的硫酸鋁改性鐵基生物材料及其制備和應用方法。
[0007]本發(fā)明的技術方案概述如下:
[0008]一種用于重金屬吸附的硫酸鋁改性鐵基生物材料的制備方法，在9K培養(yǎng)基中添加硫酸鋁對氧化亞鐵硫桿菌馴化，獲得具有穩(wěn)定鐵氧化能力的氧化亞鐵硫桿菌菌株；將菌株加入到硫酸亞鐵和硫酸鋁的溶液體系中合成，過濾收集沉淀，洗滌沉淀，干燥，得到鐵基重金屬吸附材料。
[0009]上述方法中隨馴化過程逐漸提高硫酸鋁濃度直至達到150g/L。
[0010]上述方法中馴化時培養(yǎng)基初始pH 2-2.5，溫度25-40°C，搖床轉速170_200rpm。
[0011]上述方法中硫酸亞鐵和硫酸鋁的質量比例為15/0-15/15，加入細菌后細菌濃度
1.0XlO7-L O X 19個 /mLo
[0012]上述合成過程中，初始pH 2-2.5，溫度25-35°C，轉速100-200rpm，合成時間為3-6天，過濾收集沉淀。收集的沉淀用PH 1.5-2.5去離子水洗滌沉淀，自然風干，得到鐵基重金屬吸附材料。
[0013]一種用于重金屬吸附的硫酸鋁改性鐵基生物材料，是由上述的方法制備得到的。
[0014]所述的用于重金屬吸附的硫酸鋁改性鐵基生物材料的應用方法，用于處理含有Cu(II)，Zn(II)，Cd(II)，Pb (II)，As (III)及 Cr(VI)中的一種或幾種的廢液。
[0015]具體是將硫酸鋁改性鐵基生物材料加入到含有重金屬的廢液中進行吸附，操作溫度是20-40°C，初始pH值是3-8，吸附轉速是100_200rpm，吸附時間是10_1440min，處理后的廢液和吸附材料通過離心分離。
[0016]本發(fā)明不同硫酸亞鐵與硫酸鋁比例合成的吸附材料其吸附容量隨硫酸鋁濃度增加而增大，見本發(fā)明附圖4，測試了不同比例硫酸亞鐵與硫酸鋁合成的吸附材料分別對250mg/L Cu(II)的吸附動力學曲線。
[0017]對含有Cu(II)的20mL體系，Cu(II)濃度為250mg/L，初始pH 3-8，吸附材料對Cu(II)的吸附容量隨pH上升而增加，在pH 8時為最優(yōu)，1min達到吸附平衡，吸附容量為53mg/g，見圖 5。
[0018]對含有Cr (VI)的20mL體系，Cr (VI)濃度為250mg/L，初始pH 3-8，吸附材料對Cr(VI)的吸附容量在pH 7達到最佳，吸附容量為70mg/g，平衡時間為60min左右，見圖6。
[0019]對含有Zn(II)的20mL體系，Zn(II)濃度為250mg/L，初始pH 3-8，吸附材料對Zn(II)的吸附容量在pH 7-8左右較優(yōu)，吸附容量為51mg/g，見圖7。
[0020]上述方法將吸附重金屬后的吸附材料用pH 2.0-3.0水溶液反復沖洗后，將吸附的重金屬離子洗脫，洗脫效率到達85%以上，循環(huán)使用至少4次。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)勢如下:
[0022]本發(fā)明提供的硫酸鋁改性鐵基生物材料由于其優(yōu)良的尺寸效應和結構效應，其具有處理時間短，處理容量大，可再生能力強，無二次污染以及適用于飲用水處理等優(yōu)點。通過硫酸鋁的改性可以實現(xiàn)對材料的定向可控合成，合成的硫酸鋁改性鐵基生物材料其形狀從球狀漸變至納米線狀，其尺寸從5um左右漸變至納米線級，隨硫酸鋁濃度增加其尺寸依次減小，比表面積增大，合成量增加。同時吸附后材料可以通過低PH水溶液進行洗脫再生，再生方法簡單，易操作，再生效果優(yōu)異，能夠多次再生，使其循環(huán)利用成為可能，極大地降低了使用成本。
【附圖說明】
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[0023]圖1為本發(fā)明中不同F(xiàn)eSO4.7H20與Al2 (SO4) 3.18H20比例條件下合成的具有不同形貌和粒徑的硫酸銷改性鐵基生物材料；
[0024]圖2為本發(fā)明中不同F(xiàn)eSO4.7H20與Al2 (SO4) 3.18H20比例條件下合成的硫酸鋁改性鐵基生物材料的紅外圖譜；曲線對應從下至上分別是FeSO4.7H20與Al2 (SO4) 3.18H20比例依次為 15g:0g，15g:7.5g，15g: 15g，15g:22.5g，15g: 30g ；
[0025]圖3為本發(fā)明中不同F(xiàn)eSO4.7H20與Al2 (SO4) 3.18H20比例條件下合成的硫酸鋁改性鐵基生物材料的XRD圖譜；
[0026]圖4為本發(fā)明中不同F(xiàn)eSO4.7H20與Al2 (SO4) 3.18H20比例條件下合成的硫酸鋁改性鐵基生物材料對250mg/L Cu(II)吸附動力學曲線；
[0027]圖5為3號樣品在0.0lM NaNCVt景電解質濃度和不同pH的Cu(II)吸附動力學曲線；
[0028]圖6為不同初始pH和陰離子對Cr (VI)吸附量影響；
[0029]圖7為3號樣品在pH 3-8條件下對Zn(II)的吸附容量；
[0030]圖8 為 0.4，0.2,0.1,0.05，0.01，0.005，0.0OlM 背景陰離子濃度 NaNO3, NaCl，Na2SO4, Na3PO4對 250mg/L Cu(II)吸附影響；
[0031]圖9復合重金屬Zn，Cd，Cu，Cr離子在20，40，80，120，160和200mg/L濃度下的吸附量。
【具體實施方式】
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