学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

毒砂微生物氧化分解的表界面过程

作　者: 朱婷婷
导　师: 陆现彩
学　校: 南京大学
专　业: 地球探测与信息技术
关键词: 毒砂 Acidithiobacillus ferrooxidans 次生沉淀晶面反应机理表面化学
分类号: X751
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 40次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

矿业开发在带来经济效益的同时,其排放的废矿石也引发严重的环境污染问题。当废弃矿石和尾矿暴露在空气或水中发生风化时,有害元素(如重金属元素)易被释放出来,并随形成的酸性矿山排水(AMD)远距离迁移,严重污染地表水、地下水及土壤。在众多重金属元素中,砷因其具有多种价态,且分布广泛、危害巨大,成为最受关注的矿山污染元素。毒砂(FeAsS)是自然界中最重要的含砷矿物,它广泛分布于金属硫化物矿床中,毒砂氧化能释放Fe、 As和S等元素,并形成H3As03、H3As04和H2SO4等含氧酸。而毒砂的分解与微生物密切相关。大量研究表明嗜酸菌在含砷硫化物的分解、砷的化学态转化、迁移和沉淀过程中起着重要的作用,显著影响着砷的地球化学循环。本文选取毒砂为研究对象,与AMD中最常见的细菌——Acidithiobacillus ferrooxidans反应,拟研究毒砂中Fe、 As和S元素的氧化行为,查明氧化过程中次生产物的类型及其生成顺序,以此来探讨毒砂的微生物氧化机理。为了考察环境流体中大量存在的Fe3+的作用,实验设置含铁和无铁两种反应体系。着重探讨含铁体系中毒砂的微生物氧化过程及机理,辅以无铁体系对比不同晶面的溶解速率及初始铁离子的作用。通过扫描电镜形貌观察对比无铁体系中不同晶面上溶蚀坑的大小、数量及形态的变化,得出毒砂晶面{510}的溶解速率大于晶面{230}。通过SEM、 XPS、 TEM、 XRD、 IR及拉曼等实验方法,对比两种体系中的次生沉淀类型,发现初始溶液中的铁离子对其有重大影响。无铁体系中生成的次生沉淀主要为磷酸铁,还有极少量的单质硫与黄钾铁矾,沉淀物中几乎不含砷,从毒砂中溶出的As均以游离态释放到溶液中。而含铁体系中生成的次生沉淀以黄钾铁矾(及施氏矿物)和单质硫为主,毒砂氧化层以铁的硫酸盐、砷酸盐、亚砷酸盐及铁的氧化物或氢氧化物为主,其中铁的硫酸盐、黄钾铁矾及施氏矿物能够吸附砷。在A. ferrooxidans作用下,毒砂氧化层化学组成剖面中单质硫的含量随深度并非单向增加或减少,表明单质硫为一种中间产物。另外A. ferrooxidans使沉淀中毒性更强的As(Ⅲ)含量增加而As(V)含量减少。毒砂的氧化机制是直接作用与间接作用相结合的机制,部分A. ferrooxidans附着在毒砂表面对其进行侵蚀,侵蚀后的残余物被释放至溶液中由浮游的微生物继续作用。在A. ferrooxidans作用下,初始溶液中的Fe2+被氧化为Fe3+,从而进一步氧化毒砂。毒砂中Fe(Ⅱ)最先被氧化为Fe(Ⅲ),而后Fe(Ⅲ)从(AsS)基团获得电子还原为Fe(Ⅱ),失去电子的(AsS)基团与水中的羟基结合,并与Fe(Ⅱ)断开,毒砂中的Fe以Fe2+的形式进入溶液,在微生物作用下开始新的循环。而断键后的(AsS)-OH暴露在溶液中被继续氧化,其中As经过-1、0、+1价,最终被氧化为+3价,其中部分被继续氧化为+5价,而S经过-1价、多硫化物、单质硫,最终被氧化为亚硫酸盐及硫酸盐。和化学氧化相比,在微生物作用下,毒砂中S的氧化速率大于As。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-11
第一章前言  11-22
  1.1 论文选题及意义  11-14
  1.2 研究现状和存在的问题  14-19
    1.2.1 金属硫化物的微生物氧化作用  14-17
    1.2.2 毒砂-微生物相互作用  17-19
    1.2.3 存在的问题  19
  1.3 研究思路和技术方案  19-20
  1.4 主要工作量和进展  20-22
第二章实验材料与实验设计  22-30
  2.1 Acidithiobacillus Ferrooxidans  22-24
    2.1.1 生理特性  22-23
    2.1.2 培养条件  23-24
  2.2 毒砂  24-26
    2.2.1 矿物学特征  24-25
    2.2.2 样品的制备  25-26
  2.3 毒砂-A.ferrooxidans相互作用模拟实验设计  26-30
    2.3.1 细菌的前处理  26
    2.3.2 含铁反应体系  26
    2.3.3 无铁反应体系  26-27
    2.3.4 分析测试方法  27-30
第三章含铁反应体系中毒砂的微生物氧化机理  30-55
  3.1 溶液特征  30-31
  3.2 毒砂表面形貌特征  31-34
  3.3 毒砂表面次生沉淀  34-35
  3.4 毒砂表面的XPS分析  35-45
    3.4.1 毒砂新鲜面的XPS分析  35-37
    3.4.2 对照组反应10d后毒砂表面的XPS分析  37-42
    3.4.3 微生物作用10d后毒砂表层的XPS  42-45
  3.5 悬浮物分析  45-48
  3.6 讨论  48-53
    3.6.1 毒砂表面氧化产物及其化学组成剖面  48-51
    3.6.2 毒砂微生物氧化机制  51-53
  3.7 小结  53-55
第四章无铁反应体系  55-69
  4.1 溶液特征  55-56
  4.2 毒砂表面形貌特征  56-61
  4.3 反应前后As化学态的变化  61-62
  4.4 悬浮物及细胞的变化  62-66
  4.5 讨论  66-68
    4.5.1 细菌对元素溶出的影响  66
    4.5.2 不同晶面的溶解速率  66
    4.5.3 溶液中初始Fe~(2+)的影响  66-68
  4.6 小结  68-69
第五章主要结论  69-70
参考文献  70-82
致谢  82-83
个人情况简介  83-84

毒砂微生物氧化分解的表界面过程

内容摘要

全文目录

相似论文