高嶺土對Fe2+的吸附及其對高嶺土中Fe3+生物還原的影響研究

黃曉晨,許旭萍＊,林玉滿,李金鳳,陳祖亮

(1.福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福建福州 350108;2.福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院,福建福州 350007)

高嶺土是一種用途十分廣泛的非金屬礦物,被廣泛地應(yīng)用于陶瓷、建筑生產(chǎn)、核廢物處理、造紙以及化妝品等行業(yè)[1]。但是高嶺土中一般都含有鐵礦物等雜質(zhì),這些雜質(zhì)會影響高嶺土白度從而影響其商業(yè)價值和產(chǎn)品的耐溶性[2]。因此需要去除高嶺土中的含鐵雜質(zhì),以提高高嶺土的性能。許多物理和化學(xué)提純法如泡沫浮集法、高梯度磁選法、選擇性絮凝法以及化學(xué)去除法等能夠有效地從高嶺土中去除Fe3+[3-5]。但是,這些方法除鐵普遍存在著能量消耗大、操作成本高和造成環(huán)境污染等缺點[6],而利用微生物還原鐵離子的生物學(xué)方法是一種具有發(fā)展前景的高嶺土脫鐵新方法[7-8]。在高嶺土微生物除鐵過程中,眾多因素影響微生物的活性及高嶺土表面的鐵位點的活性從而使鐵還原效率降低[9]。因此需要將高嶺土對Fe2+的吸附以及微生物對Fe2+的吸附進行研究,從而了解高嶺土表面Fe3+位點以及生物活性對高嶺土中Fe3+生物還原的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 高嶺土 實驗所用的高嶺土為福建龍巖高嶺土公司提供。高嶺土粒徑為46μm,水洗325目,其中Fe3+的含量為6.16 mg/g高嶺土。主要成分見表1。

表1 高嶺土主要成分Table 1 Components of kaolin

1.1.2 主要試劑 鹽酸羥胺,Fe2O3,葡萄糖,結(jié)晶乙酸鈉,鄰菲啰啉,冰乙酸,硫酸,NaOH,硫酸亞鐵銨,牛肉膏,蛋白胨,NaCl。

1.1.3 微生物以及培養(yǎng)基 實驗所用的微生物分離自福建龍巖高嶺土公司提供的泥漿樣品。將含有鐵還原微生物的25 g泥漿樣品加入100 mL含有葡萄糖10 g/L以及Fe2O30.01 g/L的培養(yǎng)基中。向錐形瓶內(nèi)充氮氣,瓶口用橡膠塞密封,在橡膠塞上插一只注射器收集產(chǎn)生的氣體,將錐形瓶置于生化培養(yǎng)箱內(nèi)恒溫培養(yǎng)。待注射器收集到了足夠的氣體表明富集了一定的微生物。所獲得的鐵還原菌的混合菌種,經(jīng)過16S rRNA測序鑒定為蠟狀芽胞桿菌(Bacillus cereus)、球狀芽胞桿菌(Lysinibacillus sphaericus/B acillus sphaericus)、蕈狀芽胞桿菌(B acillusm ycoides)3種混合。取5 mL的菌液接種到100 mL LB培養(yǎng)基中,經(jīng)培養(yǎng)即為實驗用的鐵還原菌菌液。LB培養(yǎng)基的成分為:蛋白胨10 g/L,NaCl 5 g/L,牛肉膏5 g/L。

1.2 方法

1.2.1 鐵的測定 采用鄰菲啰啉分光光度法[10]測定溶液中Fe2+。取樣品3 mL,經(jīng)3 500 r/min離心5 min,吸取一定量的上清液至25 mL的比色管中。加入鹽酸羥胺1 mL、NaAc-HAc緩沖溶液5 mL、鄰菲啰啉2 mL,加水至刻線,搖勻。顯色10～15 min后,在510 nm波長處測量吸光度,根據(jù)工作曲線計算出高嶺土中鐵的去除量。

1.2.2 高嶺土吸附Fe2+試驗 稱取一定量高嶺土于錐形瓶中,加入一定量的Fe2+溶液,并用一定濃度的HNO3或NaOH調(diào)節(jié)pH,用1.2.1中的方法測定溶液中Fe2+的初始濃度C0,置于搖床上,在30℃的條件下振蕩至吸附達到平衡,再用離心機對溶液進行離心,取上清液用1.2.1中的方法測定Fe2+的殘余濃度C,按下面的公式計算吸附量q(mg/g)。

式中:V為Fe2+溶液的體積(mL);m為高嶺土的用量(g);C0和C為吸附前后Fe2+離子的濃度(mg/L)。

1.2.3 微生物吸附Fe2+的試驗 一定濃度的Fe2+溶液中加入一定數(shù)量的鐵還原菌,其他步驟與1.2.2一樣,按下面的公式計算吸附量q(mg)。

1.2.4 Fe2+對高嶺土中Fe3+的生物還原的影響研究 將1.1.3中的菌液接入新鮮的LB培養(yǎng)液中,置30℃培養(yǎng)箱內(nèi)振蕩培養(yǎng)24 h,此培養(yǎng)液經(jīng)離心,收集菌體。在菌體中加入無菌水調(diào)節(jié)至所需的菌數(shù)。并以定量的菌體作為以后的高嶺土除鐵的接種菌。取高嶺土、碳源和水按不同的試驗條件裝入錐形瓶中,滅菌后,加入菌液30℃恒溫厭氧培養(yǎng)。定時取上清液測定溶液中的Fe2+濃度,得到Fe3+去除量隨時間的變化結(jié)果,了解Fe2+對微生物還原高嶺土中Fe3+的影響。

1.2.5 動力學(xué)模型擬合Fe2+及溫度對高嶺土中Fe3+的生物還原特征 異化鐵還原是微生物介導(dǎo)的生物學(xué)過程,與微生物的生長密切相關(guān),可用描述微生物生長動力學(xué)的Logistic方程對不同處理的Fe3+還原過程中,Fe2+累積濃度和時間的關(guān)系進行擬合[11]。用Curve expert 1.3軟件進行擬合分析。Logistic方程的表達式為:

式中,Ct為不同時刻的Fe3+的濃度;t為反應(yīng)時間;a、b、c均為參數(shù)。通過方程擬合,可求出Fe3+還原的最大潛勢,即Fe2+的最大累積量(數(shù)值等于參數(shù)a),反應(yīng)速率常數(shù)(數(shù)值等于參數(shù)c),Fe3+最大還原速率(Vmax)(數(shù)值等于0.25 ac)和最大還原速率對應(yīng)的時間(Tvmax)(數(shù)值為lnb/c),R表示相關(guān)度系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 高嶺土吸附Fe2+的影響因素

2.1.1 pH對高嶺土吸附Fe2+的影響 高嶺土對重金屬的吸附大致都分為2個階段,第1個階段為快速過程,大約10～20 min;第2個階段為慢速過程。隨著時間的增加,吸附速率減緩,直至達到吸附平衡,平衡時間為30～60 min[12]。將一系列裝有40 mL高嶺土懸液(其中高嶺土量為0.5 g,Fe2+的初始濃度為40 mg/L),pH分別為3、4、5、6和7的錐形瓶,置于30℃,150 r/min條件下振蕩吸附1 h,結(jié)果見圖1。

圖1 pH對高嶺土吸附Fe2+的影響Fig.1 Effect of pH on the adsorption of Fe2+on kaolin

由圖1可知,高嶺土對Fe2+的吸附量隨著pH的增大而增加。在pH較小時,高嶺土對Fe2+的吸附量較小,這是因為H+與Fe2+競爭吸附高嶺土,從而影響了高嶺土對Fe2+的吸附性能。而當pH>6時,Fe2+容易與OH-形成沉淀而黏附在高嶺土表面,吸附量比較高[13]。所以,Fe2+最易被吸附的pH范圍為6～7,在pH為7時高嶺土對Fe2+的吸附量達到1.51 mg/g。

2.1.2 高嶺土量對高嶺土吸附Fe2+的影響 將一系列裝有40 mL高嶺土懸液(其中高嶺土量分別為0.1～0.5 g,pH為4.5,Fe2+的初始濃度為40 mg/L)的錐形瓶,置于30℃,150 r/min條件下振蕩吸附1 h,結(jié)果見圖2。

圖2 高嶺土量對高嶺土吸附Fe2+的影響Fig.2 Effect of amount of kaolin on the adsorption of Fe2+on kaolin

由圖2可以看出,隨著高嶺土用量的增加,高嶺土對Fe2+的吸附量逐漸減少。這是由于高嶺土濃度越大,越容易發(fā)生團聚,接觸Fe2+的高嶺土表面積減小,從而使高嶺土對Fe2+的單位吸附量降低。當高嶺土加入量為0.1 g時,吸附量為2.45 mg/g。

2.1.3 不同F(xiàn)e2+濃度對高嶺土吸附Fe2+的影響

將含高嶺土量為0.5 g,Fe2+的初始濃度為10～50 mg/L的40 mL懸液,調(diào)節(jié)pH4.5,置于30℃,150 r/min振蕩吸附1 h,結(jié)果見圖3。

Fe2+初始濃度是影響高嶺土吸附的另一重要因素。從圖3可以看出,在不同初始濃度條件下吸附量不同,初始濃度在10～30 mg/L時吸附量隨著濃度的增加而增加,在Fe2+初始濃度為30 mg/L時吸附量最大,Fe2+初始濃度超過30 mg/L時吸附量有所下降。當吸附達到飽和時,高嶺土對Fe2+的吸附量保持不變,為0.60 mg/g。

2.1.4 溫度對高嶺土吸附Fe2+的影響 將一系列含高嶺土量為0.5 g,Fe2+的初始濃度為20 mg/L的40 mL懸液,調(diào)節(jié)pH 4.5,分別置于20～40℃,150 r/min的條件下振蕩吸附一定時間,結(jié)果見圖4。

圖3 初始Fe2+濃度對高嶺土吸附Fe2+的影響Fig.3 Effect of initial Fe2+concentration on the adsorption of Fe2+on kaolin

圖4 溫度對高嶺土吸附Fe2+的影響Fig.4 Effect of temperature on the adsorption of Fe2+on kaolin

從圖4可以得出:高嶺土對Fe2+的吸附量與溫度有較大關(guān)系,在溫度為20～40℃范圍內(nèi),高嶺土對Fe2+的吸附量隨著溫度的升高而增加,20℃時吸附量最低,40℃時吸附量最高。而且隨著吸附時間的增加,吸附量也逐漸增加并趨于飽和。這可能是因為溫度升高可使溶液中Fe2+運動速度加快[14],增加了Fe2+與高嶺土接觸和被吸附的機會。

2.2 接種量對微生物吸附Fe2+的影響

在含F(xiàn)e2+初始濃度為20 mg/L,pH為4.5的40 mL高嶺土懸液中,加入鐵還原菌0.5×106～5×109個,置于30℃,150 r/min振蕩吸附1 h,結(jié)果見圖5。

圖5 接種量對微生物吸附Fe2+的影響Fig.5 Effect of inoculum density on the adsorption of Fe2+on microbial

由圖5可以看出,鐵還原菌對Fe2+有一定的吸附能力,隨著菌數(shù)增加,對Fe2+的吸附量逐漸增加。鐵還原菌吸附Fe2+可能是因為Fe2+是微生物生長所需的必須元素之一[11]。

2.3 Fe2+及溫度對高嶺土中Fe3+的生物還原特征

鐵還原菌可以把高嶺土中不溶的Fe3+還原成可溶的Fe2+,達到高嶺土增白的目的。但是這個過程需要較長的時間,而且到了后期,高嶺土中還有1/2的鐵沒有被鐵還原菌所還原。對于該結(jié)果有2種解釋:一是高嶺土中的Fe3+處于晶格度高的狀態(tài)而不能被微生物還原[15];二是高嶺土被還原的過程中吸附了Fe2+,使其表面Fe3+位點被覆蓋不能被微生物接觸還原[9],同時鐵還原菌吸附了Fe2+使菌體的還原活性下降[16]。通過設(shè)計6個實驗來說明Fe2+及溫度對高嶺土中Fe3+的生物還原特征。①A1:取5 g高嶺土、1 g葡萄糖和100 mL蒸餾水裝入錐形瓶中,滅菌后,在潔凈工作臺中加入109個菌體,30℃恒溫厭氧培養(yǎng);②B2:取吸附Fe2+飽和的高嶺土5 g、1 g葡萄糖和100 mL蒸餾水裝入錐形瓶中,滅菌后,在潔凈工作臺中加入109個菌體,30℃恒溫厭氧培養(yǎng);③C3:取5 g高嶺土、1 g葡萄糖和100 mL蒸餾水裝入錐形瓶中,滅菌后,在潔凈工作臺中加入109個吸附Fe2+菌體,30℃恒溫厭氧培養(yǎng);④D4:取5 g增白后的高嶺土(取A1反應(yīng)后的土樣經(jīng)過洗滌,表面沒有Fe2+)、1 g葡萄糖和100 mL蒸餾水裝入錐形瓶中,滅菌后,在潔凈工作臺中加入109個菌體,30℃恒溫厭氧培養(yǎng);⑤E5:取5 g高嶺土、1 g葡萄糖和100 mL蒸餾水裝入錐形瓶中,滅菌后,在潔凈工作臺中加入109個菌體,20℃恒溫厭氧培養(yǎng);⑥F6:取5 g高嶺土、1 g葡萄糖和100 mL蒸餾水裝入錐形瓶中,滅菌后,在潔凈工作臺中加入109個菌體,40℃恒溫厭氧培養(yǎng)。

Fe2+對高嶺土中Fe3+生物還原的影響見圖6,溫度對高嶺土中Fe3+生物還原的影響結(jié)果見圖7。

圖6 Fe2+對高嶺土中Fe3+生物還原的影響Fig.6 Effect of Fe2+on iron bioreduction in kaolin

由圖6可知,與空白對照相比,Fe2+對高嶺土Fe3+的生物還原以及微生物活性均有影響。從曲線A1可以看出,高嶺土中Fe3+經(jīng)鐵還原菌還原達到平衡的時間是8 d,后期Fe2+的減少可能是由于少量Fe2+被高嶺土吸附,導(dǎo)致高嶺土表面的Fe3+位點被Fe2+覆蓋,影響微生物與高嶺土中的Fe3+接觸,高嶺土的Fe3+不能被微生物繼續(xù)還原。從曲線B2可以看出,吸附過Fe2+的高嶺土對高嶺土中Fe3+的還原速率影響較大,達到平衡的時間需要10 d。從曲線C3可知,由于菌體吸附了Fe2+,其活性受到抑制,對高嶺土鐵的生物還原能力降低,使平衡時間達到了10 d,而且溶液中Fe2+量低于其他的平衡終點。從曲線D4可知,增白后的高嶺土,由于經(jīng)過洗滌處理,除去覆蓋在其表面的Fe2+,當加入新鮮的菌液,高嶺土中殘留的Fe3+依然能夠被微生物所還原,由此說明,高嶺土表面吸附的Fe2+抑制了高嶺土中Fe2+的生物可利用性。

圖7 溫度對高嶺土中Fe3+生物還原的影響Fig.7 Effect of temperature on iron bioreduction in kaolin

由圖7可以看出,溫度是影響微生物酶活性的一個重要因素。30℃是微生物還原高嶺土中Fe3+的最佳溫度,30℃時不僅達到平衡的時間最快,而且鐵的還原量達到最大,為3.578 mg/g。而20℃達到平衡的速度最慢,40℃雖然能提高酶的催化效率,但可能后期生物活性降低,導(dǎo)致鐵的還原量減少。

2.4 動力學(xué)模型擬合Fe2+及溫度對高嶺土中Fe3+的生物還原特征

為了能直接表征Fe2+對微生物還原Fe3+能力影響情況,進一步比較Fe2+對高嶺土中Fe3+的生物還原特征,用Logistic方程對單位時間的Fe3+還原量進行擬合,結(jié)果見表2。

從表2可以看出,Logistic方程對單位時間Fe3+還原量擬合的吻合度較高,相關(guān)系數(shù)r均能達到0.99以上,說明采用這個方程的參數(shù)可以較好地反映Fe2+對高嶺土中Fe3+的生物還原特征。其中A1、B2所對應(yīng)的最大還原速率Vmax分別為1.194 mg/(g·d)和0.763 mg/(g·d),出現(xiàn)最大反應(yīng)速率的時間Tvmax分別為3.135 d和4.945 d,可知吸附Fe2+高嶺土要比普通高嶺土鐵還原時間推遲1.7 d,這表明當高嶺土吸附Fe2+以后其表面的Fe3+的活性位點被Fe2+覆蓋,導(dǎo)致高嶺土表面Fe3+的生物可利用性降低,從而使最大反應(yīng)速率降低。C3還原的最大反應(yīng)速率Vmax為0.604 mg/(g·d),出現(xiàn)最大反應(yīng)速率的時間更晚,Tvmax為5.3 d。分析其原因可能是鐵還原菌吸附Fe2+后,生物活性降低,生長受到抑制。從D4可以看出,經(jīng)過洗滌增白后的高嶺土加入新鮮的菌液,還原反應(yīng)速率較慢,Vmax僅為0.050 mg/(g·d),Tvmax達到4.071 d。這是由于高嶺土表面被還原的Fe2+吸附,減少了微生物與其表面Fe3+活性位點接觸的機會,使還原速率降低。

由于高嶺土中鐵的微生物還原是一個酶的催化過程,因此不同溫度對高嶺土中鐵的還原特征也不同。從溫度對高嶺土中Fe3+的生物還原動力學(xué)參數(shù)來看,20、30、40℃條件所對應(yīng)的最大反應(yīng)速率Vmax分別為0.92、1.194和0.955 mg/(g·d),在30℃時Vmax最高。這說明鐵還原酶的最佳作用溫度為30℃,在30℃下酶對鐵的還原有良好的催化效果,因此最大反應(yīng)速率最高。20、30、40℃條件所對應(yīng)的Tvmax分別為6.152、3.135和2.359 d。20℃條件下反應(yīng)時間最長,說明低溫不利于酶的催化,使出現(xiàn)最大反應(yīng)速率的時間延長。40℃條件下,Tvmax為2.359 d,比30℃快0.776 d,說明升高溫度可能提高了酶的活性,使出現(xiàn)最大反應(yīng)速率的時間提前。但由于升高溫度使微生物的代謝增快,生物活力降低,導(dǎo)致鐵還原能力下降。這些結(jié)論與已有的報道一致[17]。

表2 Fe2+及溫度對高嶺土中Fe3+的生物還原動力學(xué)參數(shù)Table 2 Parameters for the logistic models of Fe3+bioreduction in kaolin with different treaments of Fe2+and temperature

3 結(jié) 論

pH、高嶺土量、Fe2+濃度、溫度4個條件對高嶺土吸附Fe2+均有影響。當pH為6～7,初始Fe2+濃度為30 mg/L時,高嶺土最易吸附Fe2+。一定范圍內(nèi),高嶺土對Fe2+的吸附量隨著溫度的升高而增加,隨著高嶺土量的增加而減少。為了提高高嶺土中Fe3+的還原效率,實驗的過程中應(yīng)該盡量避免高嶺土吸附Fe2+的最適條件。另外實驗結(jié)果表明鐵還原菌對Fe2+有一定的吸附能力。隨著微生物量的增加,Fe2+的吸附量逐漸增加。采用Logistic方程能夠較好地擬合Fe2+及溫度對Fe3+生物還原特征曲線。根據(jù)Logistic方程擬合結(jié)果,Fe2+會影響高嶺土表面Fe3+位點的生物可利用性和微生物的活性,使Fe3+生物還原的最大速率降低。溫度也是影響高嶺土中Fe3+生物還原的重要因素,其中30℃是鐵還原酶催化作用的最佳溫度。

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