蒙脫石-脫氮硫桿菌體系對Sr2+的去除能力

代群威,利 勇,鄔琴琴,趙玉連,王維富

1.西南科技大學 環境與資源學院,四川 綿陽 621010;2.西南科技大學 核廢物與環境安全國防重點學科實驗室,四川 綿陽 621010;3.西南科技大學 生命科學與工程學院,四川 綿陽 621010

在過去的幾十年里,隨著科技的快速發展,放射性核素也逐漸用于工業、農業、醫療、基礎研究等方面,但開采及開發利用過程中的泄露和廢棄物的處理不當,其不可避免地會進入部分地區水體和土壤中造成環境污染[1]。如某伴生礦開采過程中,尾礦和河流下游段中放射性核素均被多倍富集,濃度增大[2];歷史上的災難,如切爾諾貝利核電站、福島核電站事故泄露大量放射性物質對周邊環境和人類健康安全造成了極其惡劣的影響[3-6]。自然界中穩定的鍶主要以天青石(SrSO4)、菱鍶礦(SrCO3)分布存在。鍶的放射性同位素90Sr來自235U的裂變產物,是放射性廢水中的主要核素,一般以可溶性離子態Sr2+存在于水體中[7]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗所用脫氮硫桿菌篩選自西南科技大學污水處理廠周邊土壤,共3株脫氮硫桿菌(TD1、TD2、TD3)。蒙脫石購買于新疆阿爾泰地區,采用自然沉降進行提純。

脫氮硫桿菌培養基:5 g Na2S2O3·5H2O、2 g KNO3、2 g KH2PO4、1 g NaHCO3、0.5 g MgCl2·6H2O、蒸餾水1 L,pH調至7.0左右后進行高溫滅菌(121 ℃,20 min)。1 000 mg/L Sr2+溶液:2.415 g Sr(NO3)2溶于1 L蒸餾水中。上述所用試劑均為市售分析純。

ICS900型離子色譜儀器,美國Varian公司;S40 Seven Multi pH/電導率儀,瑞士梅特勒公司;VG9000質譜儀及電感耦合等離子質譜儀(ICP),美國PE公司;Ultra55型場發射掃描電子顯微鏡系統(SEM/EDS),日本精工;X’PertPR0多功能X射線衍射儀(XRD),荷蘭PANalytical公司。

1.2 實驗方法

根據鄔琴琴[18]的脫氮硫桿菌對Sr2+耐受性實驗,在脫氮硫桿菌培養基中加入2.415 g Sr(NO3)2得到含1 000 mg/L Sr2+培養基,將含Sr2+培養基溶液分裝于250 mL錐形瓶中各150 mL。高壓蒸汽滅菌(121 ℃,20 min),冷卻后備用。在錐形瓶中加入6 g蒙脫石,2 h后按1∶100體積比分別接種3株脫氮硫桿菌(TD1、TD2、TD3)作為實驗組(Mont+TD1、Mont+TD2、Mont+TD3)。在錐形瓶中分別只加入6 g蒙脫石(Mont)和1∶100體積比接種脫氮硫桿菌(TD1)作為對照組。在30 ℃、150 r/min條件下振蕩培養,構建蒙脫石-脫氮硫桿菌體系(Mont-TD)。

Sr2+的剩余率、吸附率及固化率的計算方法如下:

η1=ρ1(Sr2+)/ρ0(Sr2+);

η2=ρ2(Sr2+)/ρ0(Sr2+);η3=1-η1-η2

式中:η1為液相中Sr2+的剩余率;ρ0(Sr2+)為初始Sr2+濃度;ρ1(Sr2+)為液相中剩余Sr2+濃度;η2為反應穩定后蒙脫石上的Sr2+吸附率;ρ2(Sr2+)為反應穩定后蒙脫石中交換出的Sr2+濃度;η3為Sr2+的固化率。

2 結果與討論

2.1 蒙脫石組分分析

對購買的蒙脫石進行XRD分析,結果示于圖1。初始蒙脫石層間距(d001)值為1.535,屬于鈣基蒙脫石,峰型銳而強,結晶度較好[19]。圖1中石英衍射峰很強,但其含量較低。故該礦物主要由鈣基蒙脫石組成,并且含有少量的其他雜質,如石英等。

2.2 Mont-TD體系中濃度的變化

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,轉速150 r/min,蒙脫石添加量6 g□——Mont,◇——TD1,○——Mont+TD1,△——Mont+TD2,▽——Mont+TD3圖2 Mont-TD體系中液相pH變化Fig.2 pH change of liquid phase in Mont-TD system

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,轉速150 r/min,蒙脫石添加量6 g□——Mont,◇——TD1,○——Mont+TD1,△——Mont+TD2,▽——Mont+TD3圖3 Mont-TD體系中液相濃度變化Fig.3 Variation of liquid concentration in Mont-TD system

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,轉速150 r/min,蒙脫石添加量6 g□——Mont,○——TD1,△——Mont+TD1,▽——Mont+TD2,?——Mont+TD3圖4 Mont-TD體系中液相Sr2+濃度變化Fig.4 Variation of liquid Sr2+ concentration in Mont-TD system

2.3 Mont-TD體系中Sr2+濃度、固化率的變化

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,轉速150 r/min,蒙脫石添加量6 g——Mont+TD1,——Mont+TD2,——Mont+TD3圖5 Mont-TD體系對Sr2+的固化率Fig.5 Curing rate of Sr2+ by Mont-TD system

2.4 Mont-TD體系中Sr2+的分布

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,轉速150 r/min,蒙脫石添加量6 g——A,——B,——C圖6 Mont-TD1體系中Sr2+的分布比例Fig.6 Distribution ratio of Sr2+ in Mont-TD1 system

2.5 Mont-TD體系中固化產物的SEM、XRD分析

Mont-TD體系中固化產物的SEM、XRD結果示于圖7。由圖7觀察發現有少量白色球狀晶體產生,粒徑為6～8 μm。由于體系中蒙脫石與產物混合且蒙脫石含量較高,結合圖7與圖1分析,XRD測試樣品中主要物相以蒙脫石為主,但存在硫酸鍶的特征衍射峰(2θ=29.96°和2θ=44.1°),表明固化產物中有硫酸鍶生成。

圖7 Mont-TD體系中固化產物的XRD(a)和SEM(b)圖Fig.7 XRD(a) and SEM(b) images of cured products in Mont-TD system

2.6 Mont-TD體系對Sr2+的吸附固化分析

蒙脫石-脫氮硫桿菌體系(Mont-TD)對Sr2+的聯合作用是一個復雜的作用過程,主要是指蒙脫石的快速吸附滯留和脫氮硫桿菌的固化作用而最終被礦化固定的行為。Mont-TD體系作用機理示于圖8。

圖8 蒙脫石-脫氮硫桿菌體系作用機理示意圖Fig.8 Schematic diagram of mechanism of action of Mont+TD system

3 結 論

通過構建Mont-TD體系(Mont+TD1、Mont+TD2、Mont+TD3),對含1 000 mg/L Sr2+培養基溶液吸附固化處理,最終液相中Sr2+的去除率分別達到93.2%、87.6%、92.9%。Mont-TD體系對Sr2+有較好的固化效果,在吸附固定30 d后,固化率分別達到71.1%、69.2%、72.1%,Sr2+主要分布在固化產物中,液相中僅分布7.1%。結果顯示Sr2+部分被固化為難遷移且穩定的硫酸鍶晶體,一部分滯留于蒙脫石,脫氮硫桿菌結合蒙脫石一定條件下處理溶液中Sr2+具有可行性,為治理放射性鍶污染提供了一種思路。