83 / 2023-10-16 14:30:49

微生物胶囊负载纳米羟基磷灰石强化去除Cr(VI)的机制研究

矿物-微生物胶囊；羟基磷灰石；铬去除；生物还原

      铬（Cr）是一种天然存在于地壳中的元素，其中Cr(VI)和Cr(III)是环境中最常见和最稳定的价态。自工业革命以来，铬化合物被广泛用于电镀、有色金属采选和冶炼等多个工业领域。Cr(VI)具有溶解度大、毒性强等特点，很容易被生物吸收并累积，具有致癌、致畸和致突变作用，对生态系统和人类健康造成严重威胁。因此，开发一种高效环保的Cr(VI)去除技术迫在眉睫。生物固定化方法相较于传统的修复方法而言具有稳定性好、处理效率高、二次污染低等诸多优点，具有更为广阔的发展前景。

      本研究以废弃蛋壳为原料，成功合成了纳米级羟基磷灰石粉末，并与溶穴赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus cavernae CR-2）复合制备成矿物-微生物胶囊，促进了Cr(VI)的还原和Cr(III) 的吸附，最大程度地固定环境中的铬离子。当羟基磷灰石添加量为10 g/L、胶囊投加量为2 bead/mL时，矿物-微生物胶囊对六价铬的去除率最高，Cr(VI)去除率高达90%以上，总铬去除率达70%以上。此外，矿物-微生物胶囊在与铬离子反应后仍保持了较高的生物活性。利用SEM、TEM、XPS 和 XRD 进行表征，发现矿物-微生物胶囊去除Cr(VI)的机制主要涉及生物还原和羟基磷灰石的吸附作用。其中羟基磷灰石对铬离子的吸附主要是通过静电作用和表面络合作用实现的，同时还伴随着 Cr(III)和Ca(II)之间的离子交换过程。

      基于实验结果，提出了矿物-微生物胶囊去除Cr(VI)的机制：（1）矿物-微生物胶囊表面的大量官能团（如-COOH、-OH、-P=O 等）可以充当吸附位点，直接吸附Cr(VI)；（2）Lysinibacillus cavernae CR-2会分泌大量还原性有机酸和还原酶，将高毒性的Cr(VI)转化为低毒性的Cr(III)；（3）矿物-微生物胶囊对还原的Cr(III)进行吸附和固定。

      综上所述，本研究所制备的新型矿物-微生物胶囊成本低廉、制作工艺简单，能高效去除水相中的铬离子，在铬污染废水的处理方面具有巨大的应用潜力。