摘 要

最新的全国土壤污染调查公报显示，我国面临着严峻的土地重金属污染形势。镉元素是环境中最强的五毒元素之一，由于极易被农作物吸收进入食物链，受到了国内外研究人员广泛的关注。蒙脱石是土壤重要活性组分，也常被用来固定土壤中重金属。细菌的胞外聚合物（Extracellular polymeric substances, EPS）能大量吸附土壤中的重金属离子。本文拟采用蒙脱石和EPS复合吸附镉离子探究复合体吸附的加和效应，为揭示重金属在土壤固-液微界面的吸附行为与土壤重金属污染处理提供可行的解决方法。

研究首先分别对Bacillus sp. NT10产EPS、蒙脱石和EPS-蒙脱石不同比例复合体吸附Cd(II)的行为进行了研究，利用原子力显微技术、酸碱电位滴定和Zeta电位表征了EPS-蒙脱石复合体性质，并采用傅里叶红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）探究了EPS-蒙脱石复合体叠加吸附Cd(II)的机理。取得了以下结果:

（1）EPS对Cd(II)的吸附复合Freundlich等温吸附模型，而蒙脱石对Cd(II)的吸附复合Langumir等温吸附模型，其饱和吸附量分别为1030mg/g 和14.23mg/g。其中EPS通过蛋白质和多糖中的酰胺基团、羟基、磷酸基等活性官能团以及C、O元素实现对重金属的吸附，蒙脱石则主要通过静电吸附和层间吸附固定重金属。

（2）EPS-蒙脱石复合体都符合准二级动力学模型，等温吸附符合Langmuir模型。按1:10、1:50、1:100比例复合的饱和吸附量分别为65.16、41.54和105mg/g，即1:10高比例复合呈现组分相减效应，而低比例1:50、1:100呈现组分相加效应，且比预测值分别增加了20.35%和332%。AFM形貌发现随复合比例减少，EPS-蒙脱石复合体以更细小、更均匀的形态存在。

（3）酸碱滴定的结果显示，复合体在高比例下，EPS和蒙脱石表面之间互有遮盖，而在低比例下，遮盖现象不明显；FT-IR分析显示复合体主要表现出蒙脱石结构特征峰，在吸附Cd(II)之后，只表现出层间结构破坏的特点；XPS分析指出EPS、蒙脱石两者复合之后，表面的C=O键减少，C-C单键增加，在吸附Cd的过程中，C-C单键对吸附至关重要，同时吸附之后暴露出更多的羧基。

关键词:胞外聚合物；蒙脱石；复合体；Cd(II)

ABSTRACT

The latest National Soil Pollution Survey Bulletin shows that China is facing a severe situation of heavy metal pollution in the land. Cadmium is one of the five most toxic elements in the environment. Because it is easily absorbed by crops and enters the food chain, it has received extensive attention from researchers at home and abroad. Montmorillonite is an important active component of soil and is also often used to fix heavy metals in soil. Extracellular polymeric substances (EPS) can adsorb heavy metal ions in soil. This article intends to use montmorillonite and EPS composite adsorption of cadmium ions to explore the additive effect of the complex adsorption, in order to reveal the adsorption of heavy metals in soil solid-liquid interface and provide a feasible solution to heavy metal pollution treatment.

In the first study, the adsorption of Cd(II) on different proportions of EPS, montmorillonite and EPS-montmorillonite produced by Bacillus sp. NT10 was studied. Atomic force microscopy, acid-base potentiometric titration and Zeta potential were used to characterize EPS. - The properties of montmorillonite composites were investigated using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to explore the mechanism of superimposed adsorption of Cd(II) by the EPS-montmorillonite complex. The following results have been obtained:

(1) Adsorption of Cd(II) by EPS on the Freundlich adsorption isotherm model, and the adsorptive capacity of montmorillonite on Cd(II) and Langumir adsorption isotherm model were 1030 mg/g and 14.23 mg/g, respectively. Among them, EPS adsorbs heavy metals through amide groups, hydroxyl groups, phosphate groups, and C and O elements in proteins and polysaccharides, and montmorillonite mainly fixes heavy metals through electrostatic adsorption and interlayer adsorption.

(2) The EPS-montmorillonite composites conform to the pseudo-second-order kinetics model, and the isothermal adsorption conforms to the Langmuir model. The saturated adsorptive capacities of 1:10, 1:50, and 1:100 ratios were 65.16, 41.54, and 105 mg/g, respectively, indicating that the 1:10 high ratio composite exhibited a subtraction effect, while the low ratio 1:50, 1:100 shows the additive effect of the components and increases by 20.35% and 332% respectively from the predicted values. The AFM morphology found that with the reduction of the composite ratio, the EPS-montmorillonite composite exists in a finer, more uniform form.

(3) The result of acid-base titration shows that at high ratios, the surfaces of EPS and montmorillonite overlap each other, but at low ratios, the hiding phenomenon is not obvious; FT-IR analysis shows that the composite mainly shows The characteristic peaks of montmorillonite structure show only the characteristics of inter-layer structure destruction after adsorption of Cd(II); XPS analysis indicated that after the combination of EPS and montmorillonite, the C=O bond on the surface decreased, and the C-C single bond increased. During the adsorption of Cd, the C-C single bond was crucial for the adsorption, at the same time, more carboxyl groups are exposed after adsorption.

Key word: Extracellular polymeric substance; Montmorillonite; Composites；Cd(II)

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1研究背景和目的 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究目的和意义 1

1.2研究现状 2

1.2.1 EPS吸附重金属研究现状 2

1.2.2蒙脱石吸附重金属研究现状 3

1.2.3有机物-矿物复合研究现状 3

1.3研究内容和技术路线 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2技术路线 4

第2章 材料和方法 5

2.1实验材料 5

2.1.1实验药品 5

2.1.2吸附材料 5

2.1.3实验仪器 6

2.2 Cd(II)吸附实验 6

2.3分析方法 8

2.3.1酸碱电位滴定 8

2.3.2 Zeta电位 9

2.3.3原子力显微镜（AFM） 9

2.3.4傅里叶变换红外光谱（FT-IR） 9

2.3.5 X射线光电子能谱（XPS） 9

第3章 结果与讨论 11

3.1 EPS-蒙脱石复合体对Cd(II)的吸附 11

3.1.1 EPS对Cd(II)的等温吸附 11

3.1.2蒙脱石对Cd(II)的等温吸附 12

3.1.3 EPS/蒙脱石不同比例复合体对Cd(II)的吸附动力学 12

3.1.4 EPS/蒙脱石不同比例复合体对Cd(II)的等温吸附 14

3.2 EPS-蒙脱石复合体吸附机理分析 15

3.2.1酸碱电位滴定分析 15

3.2.2 Zeta电位变化 16

3.2.3 AFM形貌变化 17

3.2.4 FT-IR分析 18

3.2.5 XPS分析 19

第4章 结论与创新点 24

4.1结论 24

4.2创新点 24

参考文献 25

致 谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景和目的

1.1.1研究背景

随着经济的发展与工业化进程的加快，人类在享受技术进步带来的便利的同时，也承受着日益恶化的生活环境的压力。1817年，德国人施特罗迈尔首次从碳酸锌中发现了镉，经过200年的研究与发展，镉作为工业原料，使用量逐年增加，至今已达到了22000吨的规模，电镀行业、化工业、电子业和核工业都有它的身影。但也因此，部分未经无害化处理的镉得以通过固、液、气的途径进入到环境之中，产生严重污染。同时，镉极易被农作物吸收从而进入食物链之中，这对人类健康危害极大。如果镉在体内蓄积，会造成肺、肾、肝脏和骨骼损伤，也会造成全身疼痛。1950年，日本富山县居民因长期食用被镉废水污染的大米，而罹患震惊世界的“痛痛病”，让人类第一次意识到了镉的可怕。我国的镉污染问题相当严重，据统计，超过13000hm²的土地不同程度受到镉的污染，遍及11个省市的25个地区^[1]。如何有效的去除土地的镉污染已经成为了迫在眉睫的问题。

对于土壤中镉的去除手段，目前主要有三种^[2]，一是物理化学修复技术，例如中和沉淀法、吸附法、电解法^[3]等；二是植物修复技术，利用具有吸附能力的植物吸附环境中的镉从而达到去除的目的；三是生物强化技术，通过在整个体系中投加具有吸附功能的微生物，达到改善处理体系的分解效果的目的^[4]。但这些技术各有不足，成本低廉的如中和沉淀法，沉渣量大、容易在处理镉污染的同时又引入其他污染；生物强化技术固然处理效果良好，但耗费不菲。缺少一种成本不高，效果较好的方法是目前制约镉污染土壤处理技术进一步发展的巨大障碍。

1.1.2研究目的和意义

粘土矿物廉价易得，常被用来处理土壤中的重金属，但是其固定重金属效果有限。土壤中细菌等有机体可大量分泌胞外聚合物（EPS），EPS亦对重金属具有非常好的吸附效果。本研究拟采用细菌EPS和蒙脱石复合以期能促进土壤重金属固定效率。研究分别对EPS以及蒙脱石单独吸附金属镉的特性进行了研究，对EPS/蒙脱石不同比例下的复合物的镉吸附行为进行了评估。并综合利用Zeta电位和原子力显微镜（AFM）表征，研究EPS-蒙脱石复合体电性、形貌的变化，再根据酸碱滴定、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）的分析结果，尝试探究EPS-蒙脱石复合体吸附Cd(II)的反应机理。

本研究一方面揭示了重金属在土壤固-液微界面的吸附行为，另一方面为土壤重金属污染处理提供可行的解决方法。

1.2研究现状

1.2.1 EPS吸附重金属研究现状

胞外聚合物（EPS）是一种带负电荷，含水率高，具有触变性和抗流变性^[5]的凝胶状

或粘液状物质，自然界中的EPS，或是由细菌在活性状态下主动分泌产生，或是在微生物死亡后通过自身裂解而释放^[6]。EPS广泛分布于细菌微生物群体（图1.1），除水以外，生物大分子，如多糖、蛋白质、核酸、糖醛酸和磷脂等构成了EPS的主要部分，其中，多糖和蛋白质占总体质量的75%以上，最高可达到90%^[6]。

图1.1 生物膜中的胞外聚合物的形成（图来源：维基百科）

EPS具有很强的重金属离子吸附能力，受到了国内外研究人员的广泛关注，研究发现蔚为可观。Brown等（1982）^[7]发现细菌EPS作为金属吸附剂具有良好的处理效果。Morillo等（2006）^[8]从Paenibacillus jamilae CECT 5266菌种中制取的EPS对Pb² 表现出较强的吸附能力，达到228mg/g；2011年，方临川^[6]利用从恶臭假单胞菌（P.putida）分泌的EPS吸附铜离子，发现对Cu² 亦有169mg/g的吸附能力。

EPS与金属离子间的反应主要通过三种方式体现^[5]:（1）重金属离子可以以离子交换的形式取代EPS活性基团中的金属离子^[9]。吴涓等（2001）^[10]通过对黄孢原毛平革菌吸附铅离子机制的研究，发现铅离子正是通过离子交换反应从而被固定在细胞壁上的EPS中；（2）EPS具有一定的氧化还原能力，并据此改变重金属离子的价态达到降低毒性或增加吸附效果的目的；（3）EPS中含有羧基、磷酸基、氨基、酰胺基团等活性官能团，它们都可与金属离子相结合，其中的N、O、P、S作为配位原子也可与金属离子发生络合反应，形成螯合物。多糖中带阴离子特性的基团则可以和金属离子以桥连的形式成为更为复杂的复合体。Sayer等（1997）^[11]以黑曲霉为研究对象，分析发现EPS中的草酸在重金属吸附过程中具有重要作用。EPS的吸附能力则受到生物大分子组成、官能团含量、分子量、表面电荷性质的影响。

1.2.2蒙脱石吸附重金属研究现状

蒙脱石的基本结构单位由一层铝氧八面体和两层硅氧四面体组成，具有典型的2:1结构^[12]。中心原子Si⁴ 和Al³ 易被低价态的金属离子所取代，从而带上负电。

图1.2 蒙脱石结构示意图

蒙脱石通过吸附和表面反应两种作用固定土壤中的重金属离子。其中吸附又有两种形式：表面吸附和离子交换吸附^[6]。由于蒙脱石的层状结构，蒙脱石的孔洞很大，具有相当大的表面能，再加上自身的吸水膨胀性，溶于水后蒙脱石晶层间距会增大，所以对金属离子具有较好的表面吸附能力；孙胜龙等（1999）^[13]通过研究发现，粘土矿物既能在矿物表面发生离子交换吸附反应，也能在层间孔隙之间以相似的机理对重金属离子进行固定。表面反应则是金属离子与矿物表面的负电荷羟基以静电作用相结合。蒙脱石的表面反应能力与其表面性质和反应物的化学性质有关，何宏平（2001）^[14]研究了几种粘土矿物对Cd² 、Cr³ 、Cu² 等金属离子的吸附，得出了随着阳离子交换量的增大，吸附量也随之增加的结论。

1.2.3有机物-矿物复合研究现状

土壤中的细菌大多以粘附在矿物表面的形式存在，因此，其分泌的EPS往往与矿物共生形成EPS-矿物复合体，其复合机理较为复杂。Flemming 和 Wingender（2001）^[15]认为，在EPS粘附矿物过程中静电力扮演了重要角色，Omoike和Chorover（2006）^[16]通过分析枯草芽孢杆菌EPS在针铁矿表面的吸附量与pH的关系，得出了静电力主导粘附过程的结论。除此之外，化学键也在EPS与矿物复合的过程中发挥作用。Denisov（2008）和吴华勇（2010）^{[17, 18]}运用原子力显微镜、傅里叶红外光谱分析并结合理论计算，发现EPS、革兰氏阳性菌的磷壁酸、革兰氏阴性菌的脂多糖以及膜蛋白等均可能与矿物表面基团形成化学键，从而吸附在矿物表面。

从这些研究中不难看出，EPS、蒙脱石都对重金属具有一定的吸附效果，且两者在自然界中极易复合形成EPS-蒙脱石复合体。因此，本文利用该复合体研究镉在土壤固-液微界面的吸附行为是一个值得探索的方向。

1.3研究内容和技术路线

1.3.1研究内容

1.细菌EPS、蒙脱石分别对Cd(II)的吸附研究。利用自动电位滴定仪进行吸附剂的吸附实验，通过吸附等温线初步分析单吸附剂的吸附过程。

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