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(江苏蓝丰生物化工股份有限公司,江苏 新沂 221400)

摘 要:通过对三种细菌的休眠体去除水溶液中镍的效能进行调查,探讨了溶液pH、温度、离子强度等因素对镍离子去除效果的影响。结果表明:温度为30 ℃、pH为5时吸附效果最佳,增大溶液离子强度会导致镍离子的单位吸附量降低。

关键词:休眠细菌;生物吸附;镍离子

中图分类号:O647.31;X505 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2016.05.115

收稿日期:2016-02-28;修回日期:2016-04-10

作者简介:王惜春(1979-),女,江苏新沂人,助理工程师,主要从事化学工程与工艺研究,E-mail:359913552@qq.com。

重金属具有毒性大、不能生物降解以及在水中易富集等特性,并能通过食物链进入人体,给生态环境和人体健康带来潜在的风险。重金属镍因其生物化学活性,能激活或抑制一系列的酶而发挥其毒性,危害人体健康[2]。而镍在电镀工业上用途非常广泛,通常污染工业区附近的土壤及地下水源[3],因此针对处理废水中重金属镍的研究有重要意义。

传统的电渗析、离子交换、电化学方法、反渗透等处理方法,因其成本高、能耗高、二次污染严重等缺点在应用中受到限制。而吸附法因其去除效率高、可回收利用,且循环废水中的重金属离子具有潜在的经济效益,因此在废水处理方面受到广泛关注。然而,当前工业上普遍使用的吸附剂价格昂贵、处理效果不佳,因此选择分布广、成本低、吸附性能强的吸附剂成为研究的一个重要方向[4]。近年来,用微生物吸附重金属的研究取得了很大的进展,一些微生物如细菌、真菌和藻类对重金属具有选择性,节能、处理效率高,吸附剂易再生利用等优点,因此选择微生物菌体作为新型吸附剂材料已成为研究热点[5-9]。用微生物处理废水中的金属离子没有二次污染,不会对环境及人类的生存造成危害。本文主要研究溶液pH、温度、离子强度等因素对金******葡萄球菌,枯草杆菌和少动鞘氨醇单胞菌休眠体吸附镍(Ⅱ)离子的去除效果的影响。

1 实验材料与方法

含镍试液:称取4.954 8 g硝酸镍,溶于水并定容于1 000 mL容量瓶中,配成1 000 mg/L的镍标准贮备液。

0.05 mol/L碘溶液:称取12.7 g碘加到含有

25 g KI的适量水中,用水稀释至1 000 mL。并于棕色瓶中保存。

0.5%(m/v)丁二酮肟溶液:称取2.5 g丁二酮肟粉末溶解于250 mL氨水中,用水稀释至500 mL。

THZ-82水浴恒温振荡器、KQ-B玻璃仪器气流烘干器、UV-754紫外可见分光光度计、pHS-3C精密pH计、BS224S电子天平、电热恒温干燥箱、容量瓶、锥形瓶、比色管、比色皿、烧杯。

配制牛肉膏蛋白胨培养基:一是液体培养基,加入500 mL蒸馏水于烧杯,依次加入牛肉膏2.5 g,蛋白胨5.0 g,氯化钠2.5 g,并溶解,pH调至7.2~7.4,即为。二是固体培养基,向液体培养基中加入7 g琼脂,加热,搅拌后倒入培养皿内约1/3~1/2高度处,平放好,冷却凝固制成平板。液体培养基高温高压(121~125 ℃)灭菌20 min[10]。

菌种活化:细菌菌种的活化,从冰箱里取出保藏菌种,接到斜面(两支斜面)活化一次,37 ℃培养箱过夜长出菌落,再转接斜面,以需要做种子的斜面数量为依据转接;第二次活化,同样培养条件37 ℃,24 h培养,保证斜面菌处于对数期。

种子液的制备:取培养好的斜面用无菌水或灭过菌的液体培养基约3 mL冲入斜面,用接种环刮下,都转入灭菌的液体培养基,每50 mL液体培养基约接一支斜面,本实验用1 000 mL的三角瓶装300 mL液体培养基培养,温度为37 ℃时,在摇床上150 r/min 培养24 h,瓶口用四层纱布蒙上绑好。

上发酵罐培养:按照10%的接种量,每罐用300 mL培养基接种。培养三种细菌,包括枯草芽孢杆菌,少动鞘氨醇单胞菌和金******葡萄球菌,每样各准备3 L液体培养基,把液体培养基先上罐灭菌,再把种子装上。

休眠体的制备:取1×104 g上述培养液用离心机离心10 min左右得到菌体,把上清液另放保存备用,菌体留在离心管中,再倒入混合培养物再离心,直到菌体足够多(不影响离心效果就可以),然后把菌体用蒸馏水洗涤三次,离心三次,再把菌体放到-40 ℃的冰箱里冷冻,最后把菌体放在冻干机里冻干,再保存倒干燥器内备用吸附。

2 结果与讨论

2.1 温度对吸附性能的影响

温度对吸附性能的影响见图1。不同温度下,镍溶液的质量浓度为40 mg/L时吸附量最大,分别为9.786 mg/L,12.143 mg/L,11.599 mg/L。随温度升高,三种菌吸附能力也随之上升,但随后出现降低的趋势,造成这种现象的原因可能是在低浓度条件下,溶液中几乎所有的Ni2+都能够与吸附剂的吸附点位相接触,但浓度高时,吸附量明显降低,这是因为对于固定量的吸附剂而言,其上吸附点位是一定的,浓度高时吸附点位已基本饱和,所以在应用中需选择合适的浓度。30 ℃时金******葡萄球菌休眠体吸附量最大,造成这种现象的原因可能是温度过高和过低会影响酶的活性,所以在应用中需选择合适的温度[10]。

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2.2 pH值对吸附性能的影响

用镍标准贮备液配质量浓度为40 mg/L的溶液,备用。分别取40 mg/L的镍标准溶液50 mL于6个100 mL锥形瓶中,将其pH值分别调为2,3,4,5,6,7,分别加入0.025 g吸附剂于20 ℃下振荡2 h,取出离心并测定吸光度。

溶液的pH值是影响菌体吸附重金属离子的一个重要因素。只有在适宜的pH值范围内,菌体的吸附作用才是行之有效的。pH值过低或者过高都将对吸附产生不利影响。作三种休眠体吸附量、吸附效率与吸附剂量的双坐标见图2、图3、图4。

从图1、图2、图3中可以看出,在pH为5时三种菌体的吸附率达到最大,分别为15.405%,18.578%,16.312%, 所以pH为5时吸附效果最佳。随着pH值的增大和减小,吸附量都呈现下降的趋势。革兰氏阳性菌的等电点为pH为2~3,革兰氏阴性菌的等电点为pH为4~5。当pH值很低时, 大量存在的氢离子会使微生物质子化,质子化程度越高,微生物对重金属离子的斥力越大;同时溶液pH值也影响微生物细胞表面重金属吸附位点和重金属离子的化学状态。pH值低时,细胞壁的连接基团会被水合氢离子所占据,由于斥力作用而阻碍重金属离子对细胞的靠近,pH值越低阻力越大。当溶液中氢离子浓度减小时,会暴露出更多的吸附基团,则有利于重金属离子的接近并吸附在细胞表面上。另一方面,pH值过高对微生物吸附重金属离子亦存在不利影响,原因是当很多金属离子会生成氢氧化物沉淀,从而使生物吸附无法顺利进行。细菌对Ni2+离子的吸附量与pH值之间并不呈简单的线性关系。

3.3 离子强度对吸附性能的影响

用镍标准贮备液配成pH值为 5、质量浓度为

40 mg/L的溶液,备用。分别取40 mg/L的Ni2+溶液50 mL于5个100 mL的锥形瓶中,再分别加入0,0.01,0.05,0.1,0.5 mol/L NaCl,加入0.025 g吸附剂于20 ℃下振荡90 min,取出离心并测定吸光度,见图5。

从图5可以看出,随着NaCl浓度的增大,单位吸附量明显降低,20 ℃时40 mg/L镍溶液未加NaCl时三种菌体的吸附量分别为8.517 mg/g,11.962 mg/g,11.962 mg/g,加入0.01 mol/L的NaCl后,吸附量减少为7.7921 mg/g,1.236 mg/g,11.418mg/g。镍离子吸附量降低可能是由于NaCl的存在使得其中的Na+与Ni2+产生竞争吸附,或由于加入NaCl后大量的Na+会涌入菌体的扩散层甚至吸附层[11],使得扩散层增厚静电斥力能力增加,导致微生物休眠体的单位吸附量下降;此外,也可能是由于溶液中大量的Cl-包裹在Ni2+周围,形成离子氛,从而导致微生物休眠体的单位吸附量下降。

4 结论

通过金******葡萄球菌、枯草杆菌和少动鞘氨醇单胞菌3种微生物休眠体对水溶液中Ni2+的吸附实验,讨论了温度、pH值和加入不同离子强度后3种微生物休眠体对Ni2+的吸附情况,得到结论下:一是金******葡萄球菌休眠体对水溶液中Ni2+的吸附效率受溶液的物理化学状态影响,其中,温度是一个较主要的因素,在应用中需选择合适的温度。二是pH值同样也是一个影响因素,pH为5时吸附效果最佳。三是增大溶液离子强度会导致镍离子的单位吸附量降低。

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