WO2022166297A1 - 一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用 Download PDF

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詹其伟
董婉莹
王安辉
周娟兰
张艳芳
倪娇娇
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    • C02F2101/10—Inorganic compounds
    • C02F2101/20—Heavy metals or heavy metal compounds

Definitions

  • the invention belongs to the interdisciplinary science and technology in the fields of environmental science, material science and microbiology, and relates to a heavy metal repair material with ion adsorption coupled with microbial mineralization, and a preparation method and application thereof.
  • the resource treatment methods of dredging mud mainly include dehydration treatment, solidification stabilization treatment and heat treatment; after dehydration treatment, the volume of dredged sludge is reduced, which is easy to follow-up treatment; It enhances the bonding strength between soil particles, and has a physical and chemical stabilization effect on the polluted components in the sludge, which is suitable for large-scale sludge treatment. high value-added products.
  • the above method realizes the resource utilization of sludge, there are generally problems such as high cost, complex process, secondary pollution, etc., and it is urgent to develop new methods and technologies for the safe and efficient utilization of sludge.
  • Heavy metal pollution is another focus of social concern.
  • specific carriers are used to adsorb and fix free heavy metal ions in water pollution treatment, and good results have been achieved.
  • Using sludge to prepare porous ceramsite as a carrier can not only solve the problem of safe and efficient utilization of sludge, but also be used to repair heavy metal pollution, which has important research value and practical significance.
  • the present invention provides a heavy metal repair material with ion adsorption coupled with microbial mineralization, and a preparation method and application thereof.
  • the present invention adopts the following technical solutions to achieve: a heavy metal repair material with ion adsorption coupled with microbial mineralization and its preparation method and application, including the following steps:
  • step (1) (2) preparing the synthetic slurry in step (1) into spherical particles with a particle diameter of 1-10 mm by a granulator;
  • (3) spherical particle is placed in baking oven to be dried, after drying, place muffle furnace to carry out preheating, roasting to prepare porous carrier;
  • the heavy metal remediation material with the carrier immobilized microorganisms is placed in the sewage containing heavy metal ions, and the heavy metal ion concentration in the sewage is monitored by stirring slowly.
  • the proportion of each raw material by weight is: 30-70 parts of silt, 15-25 parts of clay, 10-20 parts of fly ash, 2-5 parts of binder, 1-5 parts of pore-forming agent, tetraoxide 1-5 parts of tri-iron, 1-10 parts of microbial powder.
  • the sludge is river bottom sludge that has been dried and dehydrated to constant weight.
  • the pore-forming agent is one or a combination of sodium bicarbonate, ammonium bicarbonate and sodium carbonate.
  • the microbial powder is one or a combination of Bacillus colloidii, Bacillus pasteurii, photosynthetic bacteria, and Bacillus lysine.
  • the drying temperature is 100 ⁇ 10° C. and the drying time is 12-24 hours; it is characterized in that the roasting temperature is 1050 ⁇ 50° C. and the roasting time is 5-10 minutes.
  • the weight ratio of the microorganism powder to the porous carrier is (1-10):100.
  • a heavy metal repair material with ion adsorption coupled with microbial mineralization the material is prepared by the above method.
  • the present invention has the following advantages:
  • waste river bottom silt to prepare porous carrier solves the problem of silt occupying land and polluting the environment. It not only provides a safe and economical method for silt utilization, but also provides raw materials for heavy metal pollution remediation, which greatly reduces the cost of environmental treatment. , with significant economic and social benefits;
  • the porous carrier prepared by the river silt, the dense pore structure provides a natural space for fixing microorganisms, and creates a prerequisite for the preparation of multifunctional repair materials;
  • the repair material prepared by immobilizing microorganisms on the porous carrier can quickly and effectively enrich free heavy metal ions, and at the same time convert free metal ions into stable minerals through microbial mineralization. High long-term stability.
  • Fig. 1 is the relation between copper ion concentration and repair time in the sewage in embodiment one;
  • Figure 2 shows the relationship between the copper ion concentration in the sewage and the repair time in Example 2.
  • the invention provides a heavy metal repair material with ion adsorption coupled with microbial mineralization and a preparation method and application thereof.
  • the method steps are as follows:
  • the raw materials for preparing the repairing material are prepared by weight: 30 parts of river bottom silt dried and dehydrated to constant weight, 25 parts of clay, 23 parts of fly ash, 2 parts of sodium cellulose as a binder, and 2 parts of sodium bicarbonate as 5 parts of pore-forming agent, 5 parts of ferric oxide;
  • the heavy metal remediation material with the carrier immobilized microorganisms is placed in the sewage containing heavy metal ions, the heavy metal sewage contains 19.80mg/L copper, the weight ratio of the remediation material and the sewage is 5:100, and the mixture is stirred slowly, and the ambient temperature is 35 °C.
  • the magnetic carrier is the center to enrich free heavy metal ions, and through microbial mineralization, the free heavy metal ions are converted into stable minerals, and the trend of heavy metal ion concentration in sewage is monitored.
  • the raw materials for preparing the repair material are prepared by weight: 50 parts of river bottom silt dried and dehydrated to constant weight, 15 parts of clay, 10 parts of fly ash, sodium cellulose, chitosan, gypsum and other mass ratios are mixed into 5 parts of binder, sodium bicarbonate, ammonium bicarbonate, sodium carbonate and other mass ratios are mixed into 5 parts of pore-forming agent and 5 parts of ferric oxide;
  • the heavy metal remediation material with the carrier immobilized microorganisms is placed in the sewage containing heavy metal ions, the heavy metal sewage contains 19.80mg/L copper, the weight ratio of the remediation material and the sewage is 10:100, and the environment temperature is 35 °C.
  • the magnetic carrier is the center to enrich free heavy metal ions, and through microbial mineralization, the free heavy metal ions are converted into stable minerals, and the trend of heavy metal ion concentration in sewage is monitored.

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Abstract

本发明公开了一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用，属于环境科学、材料学、微生物学领域交叉的科学技术，其步骤为：将淤泥、粘土、粉煤灰、粘结剂、造孔剂、四氧化三铁按照一定比例混合均匀后研磨至粉末状，加水拌合成浆体，通过造粒机制备粒径为1～10mm的球形颗粒，将球形颗粒置于烘箱中干燥，干燥后置于马弗炉进行预热、焙烧制备多孔载体；将微生物菌粉与多孔载体混合均匀，置于负压条件下充分拌合，获得载体固定微生物的重金属修复材料。本发明采用废弃物河底淤泥制备多孔载体固定微生物，兼具吸附矿化双重功能，修复重金属污染速度快、效果好、长期稳定性高，以废弃物为原材料大大降低了环境治理的成本。

Description

一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用 技术领域
本发明属于环境科学、材料学、微生物学领域交叉的科学技术，涉及一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着城市化进程不断加快，城市规模逐渐扩大，土地资源越来越稀缺，疏竣淤泥传统粗放的处理方法，不仅占用大量的土地资源，还将污染地下水和大气，引发二次污染。这些处理方法不能适应城市发展的需要，迫切需要寻找资源化、无害化的处理方法。疏凌游泥的资源化处理方法主要包括脱水处理、固化稳定化处理和热处理；经过脱水处理后，疏浚淤泥体积减小，易于后续处理；固化稳定化处理是指通过掺入水泥等固化材料，增强土颗粒之间的胶结强度，并对淤泥中的污染成分有物理化学稳定作用，适用于大规模的疏竣淤泥处理；热处理是通过高温熔融活化的方法，生产出水泥、烧结砖、陶粒等高附加值产品。尽管上述方法实现了淤泥的资源化利用，但普遍存在成本高、工艺复杂、二次污染等问题，亟需开发淤泥安全高效利用的新方法和新技术。
重金属污染问题是社会关注的另一个焦点，目前在水污染处理中采用特定载体吸附固定游离态重金属离子，取得了良好的效果。若采用淤泥制备多孔陶粒作为载体，不仅可以解决淤泥安全高效利用问题，还可用于修复重金属污染，具有重要的研究价值和现实意义。
发明内容
技术问题：针对现有技术存在的不足，本发明提供一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用。
技术方案：解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案来实现：一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用，，包括以下步骤：
(1)将淤泥、粘土、粉煤灰、粘结剂、造孔剂、四氧化三铁混合均匀后研磨至粉末状，加水拌合成浆体；
(2)通过造粒机将步骤(1)中的合成浆体制备成粒径为1～10mm的球形颗粒；
(3)将球形颗粒置于烘箱中干燥，干燥后置于马弗炉进行预热、焙烧制备多孔 载体；
(4)将微生物菌粉与多孔载体混合均匀，置于负压条件下充分拌合，拌合时间30～50分钟，获得载体固定微生物的重金属修复材料；
(5)将载体固定微生物的重金属修复材料置于含重金属离子的污水中，缓慢搅拌，监测污水中重金属离子浓度。
优选的，各原材料按重量份配比为：淤泥30～70份，粘土15～25份，粉煤灰10～20份，粘结剂2～5份，造孔剂1～5份，四氧化三铁1～5份，微生物菌粉1～10份。
优选的，所述淤泥为干燥脱水至恒重的河底淤泥。
优选的，所述造孔剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸钠中的一种或几种组合。
优选的，所述微生物菌粉为胶质芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、光合菌、赖氨酸芽孢杆菌中的一种或几种的组合。
优选的，步骤(3)中所述干燥温度100±10℃、干燥时间12～24小时；其特征在于，所述焙烧温度1050±50℃、焙烧时间5～10分钟。
优选的，步骤(4)中所述微生物菌粉与多孔载体的重量比为(1～10)：100。
一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的应用，所述离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料与污水的重量比为(1～10):100混合。
一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料，该材料由上述方法制备而成。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、采用废弃物河底淤泥制备多孔载体，解决了淤泥占用土地、污染环境的问题，不仅为淤泥利用提供了安全经济的方法，而且可以为重金属污染修复提供原材料，大大降低了环境治理的成本，经济社会效益显著；
2、采用河道淤泥制备的多孔载体，致密的孔道结构为固定微生物提供了天然的空间，为多功能的修复材料的制备创造了前提条件；
3、多孔载体固定微生物制备的修复材料，可快速有效富集游离态重金属离子，同时通过微生物矿化将游离态金属离子转化为稳定的矿物，兼具吸附矿化双重功能，修复速度快、效果好、长期稳定性高。
附图说明
图1为实施例一中污水中铜离子浓度与修复时间的关系；
图2为实施例二中污水中铜离子浓度与修复时间的关系。
具体实施方式
本发明提供一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料及其制备方法和应用，方法步骤如下：
实例一：
(1)将制备修复材料的原材料按重量份配制：干燥脱水至恒重的河底淤泥30份，粘土25份，粉煤灰23份，纤维素钠为粘结剂2份，碳酸氢钠为造孔剂5份，四氧化三铁5份；
(2)将淤泥、粘土、粉煤灰、粘结剂纤维素钠、造孔剂碳酸氢钠、四氧化三铁混合均匀后研磨至粉末状，加水拌合成浆体，通过造粒机制备粒径为1～10mm的球形颗粒，将球形颗粒置于烘箱中干燥，干燥温度110℃、干燥时间24小时，干燥后置于马弗炉进行预热、焙烧，焙烧温度1050℃、焙烧时间10分钟，自然冷却至常温即获得多孔载体；
(3)将光合菌粉10份与多孔载体100份混合均匀，置于负压条件下充分拌合，拌合时间50分钟，获得载体固定微生物的重金属修复材料；
(4)将载体固定微生物的重金属修复材料置于含重金属离子的污水中，重金属污水含19.80mg/L铜，修复材料与污水的重量比为5:100，缓慢搅拌，环境温度35℃，以磁性载体为中心富集游离态重金属离子，并通过微生物矿化将游离态重金属离子转化为稳定的矿物，监测污水中重金属离子浓度变化趋势。
实例二：
(1)将制备修复材料的原材料按重量份配制：干燥脱水至恒重的河底淤泥50份，粘土15份，粉煤灰10份，纤维素钠、壳聚糖、石膏等质量比例混合为粘结剂5份，碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸钠等质量比例混合为造孔剂5份，四氧化三铁5份；
(2)将淤泥、粘土、粉煤灰、粘结剂、造孔剂、四氧化三铁混合均匀后研磨至粉末状，加水拌合成浆体，通过造粒机制备粒径为1～10mm的球形颗粒，将球形颗粒置于烘箱中干燥，干燥温度110℃、干燥时间24小时，干燥后置于马弗炉进行预热、焙烧，焙烧温度1050℃、焙烧时间10分钟，自然冷却至常温即获得多孔载体；
(3)将胶质芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、光合菌、赖氨酸芽孢杆菌等质量比例混 合为微生物菌粉10份，与多孔载体100份混合均匀，置于负压条件下充分拌合，拌合时间50分钟，获得载体固定微生物的重金属修复材料；
(4)将载体固定微生物的重金属修复材料置于含重金属离子的污水中，重金属污水含19.80mg/L铜，修复材料与污水的重量比为10:100，缓慢搅拌，环境温度35℃，以磁性载体为中心富集游离态重金属离子，并通过微生物矿化将游离态重金属离子转化为稳定的矿物，监测污水中重金属离子浓度变化趋势。
由附图1及图2中污水中铜离子浓度与修复时间的关系数据可知，本发明所述材料在重金属污水修复上具有较佳的效果，可以在50小时内去除污水中带份的重金属污染物。

Claims (10)

  1. 一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
    (1)将淤泥、粘土、粉煤灰、粘结剂、造孔剂、四氧化三铁混合均匀后研磨至粉末状，加水拌合成浆体；
    (2)通过造粒机将步骤(1)中的合成浆体制备成粒径为1～10mm的球形颗粒；
    (3)将球形颗粒置于烘箱中干燥，干燥后置于马弗炉进行预热、焙烧制备多孔载体；
    (4)将微生物菌粉与多孔载体混合均匀，置于负压条件下充分拌合，拌合时间30～50分钟，获得载体固定微生物的重金属修复材料；
    (5)将载体固定微生物的重金属修复材料置于含重金属离子的污水中，缓慢搅拌，监测污水中重金属离子浓度。
  2. 根据权利要求1所述的一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，各原材料按重量份配比为：淤泥30～70份，粘土15～25份，粉煤灰10～20份，粘结剂2～5份，造孔剂1～5份，四氧化三铁1～5份，微生物菌粉1～10份。
  3. 根据权利要求1所述的一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，所述淤泥为干燥脱水至恒重的河底淤泥。
  4. 根据权利要求1所述的一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为纤维素钠、壳聚糖、石膏中的一种或几种组合。
  5. 根据权利要求1所述的一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为碳酸氢钠、碳酸氢铵、碳酸钠中的一种或几种组合。
  6. 根据权利要求1所述的一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，所述微生物菌粉为胶质芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌、光合菌、赖氨酸芽孢杆菌中的一种或几种的组合。
  7. 根据权利要求1所述的一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述干燥温度100±10℃、干燥时间12～24小时；其特征在于，所述焙烧温度1050±50℃、焙烧时间5～10分钟。
  8. 根据权利要求1所述的一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述微生物菌粉与多孔载体的重量比为(1～10)：100。
  9. 一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料的应用，其特征在于，所述离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料与污水的重量比为(1～10):100混合。
  10. 一种离子吸附耦合微生物矿化的重金属修复材料，其特征在于，该材料由权利要求1至8任一项所述的方法制备而成。
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