蒙脱石-脱氮硫杆菌体系对Sr2+的去除能力

代群威,利 勇,邬琴琴,赵玉连,王维富

1.西南科技大学 环境与资源学院,四川 绵阳 621010;2.西南科技大学 核废物与环境安全国防重点学科实验室,四川 绵阳 621010;3.西南科技大学 生命科学与工程学院,四川 绵阳 621010

在过去的几十年里,随着科技的快速发展,放射性核素也逐渐用于工业、农业、医疗、基础研究等方面,但开采及开发利用过程中的泄露和废弃物的处理不当,其不可避免地会进入部分地区水体和土壤中造成环境污染[1]。如某伴生矿开采过程中,尾矿和河流下游段中放射性核素均被多倍富集,浓度增大[2];历史上的灾难,如切尔诺贝利核电站、福岛核电站事故泄露大量放射性物质对周边环境和人类健康安全造成了极其恶劣的影响[3-6]。自然界中稳定的锶主要以天青石(SrSO4)、菱锶矿(SrCO3)分布存在。锶的放射性同位素90Sr来自235U的裂变产物,是放射性废水中的主要核素,一般以可溶性离子态Sr2+存在于水体中[7]。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验所用脱氮硫杆菌筛选自西南科技大学污水处理厂周边土壤,共3株脱氮硫杆菌(TD1、TD2、TD3)。蒙脱石购买于新疆阿尔泰地区,采用自然沉降进行提纯。

脱氮硫杆菌培养基:5 g Na2S2O3·5H2O、2 g KNO3、2 g KH2PO4、1 g NaHCO3、0.5 g MgCl2·6H2O、蒸馏水1 L,pH调至7.0左右后进行高温灭菌(121 ℃,20 min)。1 000 mg/L Sr2+溶液:2.415 g Sr(NO3)2溶于1 L蒸馏水中。上述所用试剂均为市售分析纯。

ICS900型离子色谱仪器,美国Varian公司;S40 Seven Multi pH/电导率仪,瑞士梅特勒公司;VG9000质谱仪及电感耦合等离子质谱仪(ICP),美国PE公司;Ultra55型场发射扫描电子显微镜系统(SEM/EDS),日本精工;X’PertPR0多功能X射线衍射仪(XRD),荷兰PANalytical公司。

1.2 实验方法

根据邬琴琴[18]的脱氮硫杆菌对Sr2+耐受性实验,在脱氮硫杆菌培养基中加入2.415 g Sr(NO3)2得到含1 000 mg/L Sr2+培养基,将含Sr2+培养基溶液分装于250 mL锥形瓶中各150 mL。高压蒸汽灭菌(121 ℃,20 min),冷却后备用。在锥形瓶中加入6 g蒙脱石,2 h后按1∶100体积比分别接种3株脱氮硫杆菌(TD1、TD2、TD3)作为实验组(Mont+TD1、Mont+TD2、Mont+TD3)。在锥形瓶中分别只加入6 g蒙脱石(Mont)和1∶100体积比接种脱氮硫杆菌(TD1)作为对照组。在30 ℃、150 r/min条件下振荡培养,构建蒙脱石-脱氮硫杆菌体系(Mont-TD)。

Sr2+的剩余率、吸附率及固化率的计算方法如下:

η1=ρ1(Sr2+)/ρ0(Sr2+);

η2=ρ2(Sr2+)/ρ0(Sr2+);η3=1-η1-η2

式中:η1为液相中Sr2+的剩余率;ρ0(Sr2+)为初始Sr2+浓度;ρ1(Sr2+)为液相中剩余Sr2+浓度;η2为反应稳定后蒙脱石上的Sr2+吸附率;ρ2(Sr2+)为反应稳定后蒙脱石中交换出的Sr2+浓度;η3为Sr2+的固化率。

2 结果与讨论

2.1 蒙脱石组分分析

对购买的蒙脱石进行XRD分析,结果示于图1。初始蒙脱石层间距(d001)值为1.535,属于钙基蒙脱石,峰型锐而强,结晶度较好[19]。图1中石英衍射峰很强,但其含量较低。故该矿物主要由钙基蒙脱石组成,并且含有少量的其他杂质,如石英等。

2.2 Mont-TD体系中浓度的变化

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

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,转速150 r/min,蒙脱石添加量6 g□——Mont,◇——TD1,○——Mont+TD1,△——Mont+TD2,▽——Mont+TD3图3 Mont-TD体系中液相浓度变化Fig.3 Variation of liquid concentration in Mont-TD system

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,转速150 r/min,蒙脱石添加量6 g□——Mont,○——TD1,△——Mont+TD1,▽——Mont+TD2,◁——Mont+TD3图4 Mont-TD体系中液相Sr2+浓度变化Fig.4 Variation of liquid Sr2+ concentration in Mont-TD system

2.3 Mont-TD体系中Sr2+浓度、固化率的变化

ρ0(Sr2+)=1 000 mg/L,pH=7.0,30 ℃,转速150 r/min,蒙脱石添加量6 g——Mont+TD1,——Mont+TD2,——Mont+TD3图5 Mont-TD体系对Sr2+的固化率Fig.5 Curing rate of Sr2+ by Mont-TD system

2.4 Mont-TD体系中Sr2+的分布

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

2.5 Mont-TD体系中固化产物的SEM、XRD分析

Mont-TD体系中固化产物的SEM、XRD结果示于图7。由图7观察发现有少量白色球状晶体产生,粒径为6～8 μm。由于体系中蒙脱石与产物混合且蒙脱石含量较高,结合图7与图1分析,XRD测试样品中主要物相以蒙脱石为主,但存在硫酸锶的特征衍射峰(2θ=29.96°和2θ=44.1°),表明固化产物中有硫酸锶生成。

图7 Mont-TD体系中固化产物的XRD(a)和SEM(b)图Fig.7 XRD(a) and SEM(b) images of cured products in Mont-TD system

2.6 Mont-TD体系对Sr2+的吸附固化分析

蒙脱石-脱氮硫杆菌体系(Mont-TD)对Sr2+的联合作用是一个复杂的作用过程,主要是指蒙脱石的快速吸附滞留和脱氮硫杆菌的固化作用而最终被矿化固定的行为。Mont-TD体系作用机理示于图8。

图8 蒙脱石-脱氮硫杆菌体系作用机理示意图Fig.8 Schematic diagram of mechanism of action of Mont+TD system

3 结 论

通过构建Mont-TD体系(Mont+TD1、Mont+TD2、Mont+TD3),对含1 000 mg/L Sr2+培养基溶液吸附固化处理,最终液相中Sr2+的去除率分别达到93.2%、87.6%、92.9%。Mont-TD体系对Sr2+有较好的固化效果,在吸附固定30 d后,固化率分别达到71.1%、69.2%、72.1%,Sr2+主要分布在固化产物中,液相中仅分布7.1%。结果显示Sr2+部分被固化为难迁移且稳定的硫酸锶晶体,一部分滞留于蒙脱石,脱氮硫杆菌结合蒙脱石一定条件下处理溶液中Sr2+具有可行性,为治理放射性锶污染提供了一种思路。