天然水環(huán)境中的生物膜及其對(duì)重金屬的吸附

前言

第1章 天然水環(huán)境中的生物膜與重金屬

1.1 自然水體生物膜及其基本特征

1.1.1 生物膜的概念與基本組成

1.1.2 生物膜的基本特征

1.2 自然水體中的重金屬

1.2.1 水環(huán)境中重金屬的危害與環(huán)境行為

1.2.2 影響水環(huán)境中重金屬行為的因素

1.3 自然水體生物膜的環(huán)境行為

1.3.1 生物膜對(duì)重金屬的吸附與富集

1.3.2 生物膜對(duì)有機(jī)污染物的吸附與降解

1.3.3 生物膜對(duì)污染物的指示作用

1.3.4 其他行為

參考文獻(xiàn)

第2章 自然水體生物膜的獲取與影響生物膜生長的因素

2.1 自然水體生物膜的獲取

2.1.1 自然水體生物膜的獲取方法

2.1.2 獲取生物膜的主要水體

2.2 影響自然水體生物膜生長的主要因素

2.2.1 水溫

2.2.2 水中的溶解氧

2.2.3 光照

2.2.4 水深

2.2.5 水的pH

2.2.6 其他影響因素

參考文獻(xiàn)

第3章 自然水體生物膜的主要組分

3.1 生物膜主要化學(xué)組分簡介

3.1.1 無機(jī)礦物質(zhì)

3.1.2 微生物和其他有機(jī)成分

3.2 生物膜主要化學(xué)組分與水中相應(yīng)化學(xué)物質(zhì)間的關(guān)系

3.2.1 不同水體生物膜主要化學(xué)組分與水中相應(yīng)物質(zhì)間的關(guān)系

3.2.2 同一水體不同水深生物膜主要化學(xué)組分與水中相應(yīng)物質(zhì)間的關(guān)系

3.3 影響自然水體生物膜主要化學(xué)組成的環(huán)境因素

3.3.1 水深

3.3.2 培養(yǎng)時(shí)間

3.3.3 溶解氧

3.3.4 水溫

3.3.5 培養(yǎng)水體的顆粒物粒徑

3.3.6 培養(yǎng)水體的pH

3.4 自然水體生物膜中鐵和錳的形態(tài)分析

3.5 自然水體生物膜中鐵氧化物、錳氧化物的積累速率

3.5.1 生物膜中鐵氧化物、錳氧化物生長過程的反應(yīng)級(jí)數(shù)

3.5.2 生物膜中鐵氧化物、錳氧化物生長速率的比較

3.6 自然水體生物膜中的微生物種群及其生長規(guī)律

3.6.1 生物膜中微生物的形態(tài)和種類

3.6.2 生物膜中的微生物量

3.6.3 生物膜生長過程中膜中微生物種群和生物量的變化

3.6.4 生物膜中微生物的群集特征

3.6.5 不同季節(jié)生物膜上微生物的種群分布特征

參考文獻(xiàn)

第4章 自然水體生物膜主要化學(xué)組分的選擇性萃取分離

4.1 選擇性萃取方法及其篩選

4.1.1 Ti（Ⅲ）試劑用于萃取鐵氧化物

4.1.2 NH2OH·HCl用于單獨(dú)萃取錳氧化物或同時(shí)萃取去除鐵氧化物、錳氧化物

4.1.3 Na2S3O4用于同時(shí)萃取去除鐵氧化物、錳氧化物

4.1.4 草酸銨/草酸用于同時(shí)萃取去除鐵、錳氧化物

4.1.5 一些用于萃取鐵氧化物的螯合劑或還原劑

4.1.6 用于萃取鐵氧化物、錳氧化物的酸性試劑

4.1.7 有機(jī)質(zhì)的萃取方法

4.1.8 萃取劑的篩選

4.2 自然水體生物膜中鐵氧化物、錳氧化物選擇性萃取條件的優(yōu)化

4.2.1 生物膜中錳氧化物萃取條件的優(yōu)化

4.2.2 鐵氧化物、錳氧化物同時(shí)萃取的條件優(yōu)化

4.2.3 選定條件下生物膜主要化學(xué)組分的選擇性萃取分離

4.2.4 不同水體生物膜主要化學(xué)組分選擇性萃取分離的比較

4.3 自然水體生物膜主要化學(xué)組分連續(xù)萃取和單獨(dú)萃取的比較

4.3.1 萃取條件的選擇

4.3.2 萃取條件的驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)

第5章 自然水體生物膜及其主要組分吸附重金屬的熱力學(xué)特性

5.1 水溶液中的吸附作用與吸附等溫線

5.2 自然水體生物膜對(duì)重金屬的吸附熱力學(xué)

5.2.1 自然水體生物膜對(duì)鉛和鎘吸附的基本熱力學(xué)特征

5.2.2 自然水體生物膜對(duì)鈷、鎳和銅吸附的基本熱力學(xué)特征

5.2.3 不同水體生物膜對(duì)鉛和鎘吸附的熱力學(xué)特征

5.2.4 自然水體生物膜對(duì)不同重金屬吸附能力差異的初步研究

5.3 自然水體生物膜主要化學(xué)組分對(duì)鉛和鎘的吸附熱力學(xué)特征

5.3.1 選擇性萃取一重金屬吸附一統(tǒng)計(jì)分析方法的建立

5.3.2 選擇性萃取一重金屬吸附一統(tǒng)計(jì)分析方法的驗(yàn)證

5.3.3 不同水體生物膜各主要組分對(duì)鉛的吸附

5.3.4 不同水體生物膜各主要組分對(duì)鎘的吸附

5.3.5 不同水體生物膜各主要組分對(duì)鉛和鎘的吸附特征的對(duì)比

5.3.6 生物膜各組分吸附鉛和鎘時(shí)共存鉛、鎘間的相互影響

5.3.7 自然水體生物膜及其各組分對(duì)鉛和鎘吸附特征的討論

5.4 生物膜中的有機(jī)組分對(duì)重金屬吸附的熱力學(xué)特征

5.4.1 活性細(xì)胞、非活性細(xì)胞和胞外聚合物對(duì)鉛和鎘的吸附

5.4.2 胞外多糖和胞外蛋白對(duì)鉛和鎘的吸附

參考文獻(xiàn)

第6章 自然水體生物膜及其主要組分吸附重金屬的動(dòng)力學(xué)特征

6.1 自然水體生物膜及其各組分吸附鉛和鎘的動(dòng)力學(xué)特征

6.1.1 生物膜的萃取、吸附與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

6.1.2 生物膜對(duì)鉛和鎘的吸附動(dòng)力學(xué)——溶液濃度變化法

6.1.3 生物膜對(duì)鉛和鎘的吸附動(dòng)力學(xué)——膜上濃度變化法

6.1.4 兩種吸附動(dòng)力學(xué)研究方法的比較

6.2 自然水體生物膜對(duì)鈷、鎳和銅吸附的基本動(dòng)力學(xué)特征

參考文獻(xiàn)

第7章 影響自然水體生物膜吸附重金屬的因素

7.1 破附體系溶液條件的改變對(duì)自然水體生物膜吸附重金屬的影響

7.1.1 pH對(duì)自然水體生物膜吸附重金屬熱力學(xué)的影響

7.1.2 pH對(duì)自然水體生物膜吸附鉛和鎘動(dòng)力學(xué)的影響

7.1.3 生物膜濃度對(duì)生物膜吸附鉛和鎘的影響

7.1.4 腐殖酸對(duì)生物膜吸附鉛和鎘的影響

7.1.5 離子強(qiáng)度對(duì)生物膜吸附鉛和鎘的影響

7.2 生物膜培養(yǎng)條件的改變對(duì)自然水體生物膜吸附重金屬的影響

7.2.1 不同季節(jié)培養(yǎng)的生物膜吸附鉛和鎘的比較

7.2.2 不同水深培養(yǎng)的生物膜吸附鉛和鎘的比較

7.2.3 含有不同粒徑顆粒物的湖水培養(yǎng)的生物膜吸附鉛和鎘的比較

7.2.4 不同pH的湖水中培養(yǎng)的生物膜吸附鉛和鎘的比較

參考文獻(xiàn)

第8章 自然水體生物膜生長過程中生物膜及其主要組分對(duì)重金屬的富集

8.1 人工基質(zhì)生物膜及其各組分對(duì)鉛的富集

8.1.1 人工基質(zhì)生物膜的培養(yǎng)、萃取與數(shù)據(jù)處理

8.1.2 人工基質(zhì)生物膜中鐵氧化物、錳氧化物對(duì)鉛的富集特征

8.2 天然基質(zhì)生物膜及其各組分對(duì)重金屬的富集

8.2.1 天然基質(zhì)生物膜的采集、萃取與數(shù)據(jù)處理

8.2.2 天然基質(zhì)生物膜及其主要組分對(duì)重金屬的富集

8.2.3 不同水體生物膜中鐵氧化物、錳氧化物對(duì)鉛富集特征的對(duì)比

參考文獻(xiàn)

附錄

附錄1 部分分析測(cè)試與實(shí)驗(yàn)方法

F.1.1 以載玻片為基質(zhì)的生物膜中金屬氧化物與重金屬含量的測(cè)定

F.1.2 以載玻片為基質(zhì)的生物膜中有機(jī)質(zhì)的測(cè)定

F.1.3 生物膜中微生物的光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察

F.1.4 生物膜中微生物的鑒定與計(jì)數(shù)

F.1.5 實(shí)驗(yàn)所用沉積物中胡敏酸和富里酸的提取和測(cè)定方法

附錄2 南湖生物膜中藻類和原生動(dòng)物的鑒定結(jié)果（1999年9月）

參考文獻(xiàn) 2100433B

《天然水環(huán)境中的生物膜及其對(duì)重金屬的吸附》 的主要內(nèi)容圍繞著水環(huán)境中生物膜的基本性質(zhì)及其對(duì)污染物的吸附作用展開，側(cè)重于生物膜對(duì)水環(huán)境中痕量重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響。書中概述了自然水體生物膜及其在環(huán)境中行為的研究進(jìn)展；建立并完善了生物膜上主要組分選擇性萃取技術(shù)，驗(yàn)證了選擇性萃取分離技術(shù)的適用性，采用選擇性萃取-吸附-統(tǒng)計(jì)分析的方法研究不同水體生物膜對(duì)鉛和鎘吸附的熱力學(xué)規(guī)律、膜中各組分的吸附特征以及生物膜吸附鉛和鎘的動(dòng)力學(xué)特征，推導(dǎo)了吸附動(dòng)力學(xué)方程，考察了各組分的吸附動(dòng)力學(xué)規(guī)律；同時(shí)利用相關(guān)分析方法確定了生物膜中不同化學(xué)組分對(duì)吸附鉛、鎘的相對(duì)貢獻(xiàn)及定量吸附模型，揭示了生物膜吸附鉛、鎘的吸附位，分析了生物膜吸附鉛、鎘能力存在差異的原因，建立了生物膜主要化學(xué)組分與水環(huán)境中相應(yīng)化學(xué)物質(zhì)之間的關(guān)系模型，探討了影響生物膜吸附鉛、鎘的因素以及膜上鐵、錳氧化物的分布規(guī)律；研究了pH等環(huán)境要素、培養(yǎng)季節(jié)等培養(yǎng)條件等影響因素對(duì)生物膜吸附重金屬的影響；最后還對(duì)生物膜生長過程中對(duì)重金屬的富集情況進(jìn)行了分析，得出生物膜上各主要化學(xué)組分對(duì)重金屬的富集規(guī)律。

項(xiàng)目組已通過小試裝置實(shí)現(xiàn)了生物膜濾池穩(wěn)定去除污水廠二級(jí)出水中的鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP），同時(shí)分離到了DEHP降解菌。在此基礎(chǔ)上研究生物膜吸附、物化過濾和生物降解去除DEHP的關(guān)系。將DEHP分為溶解性和附著性兩類，分別研究濾料上的生物膜對(duì)溶解性DEHP的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)吸附特性、附著性DEHP的過濾行為和DEHP的生物降解特性；結(jié)合PCR-DGGE等分子生物學(xué)手段確定DEHP降解菌在生物膜內(nèi)的分布和群落結(jié)構(gòu)；通過檢測(cè)1個(gè)完整過濾周期內(nèi)生物膜濾池進(jìn)出水和反沖洗排水中DEHP濃度的變化，探究反沖洗過程中DEHP的流失規(guī)律和反沖洗對(duì)生物膜的破壞作用。最終結(jié)合物料恒算確定生物膜吸附、物化過濾和生物降解三者的關(guān)系，建立生物膜濾池去除再生水中DEHP的模型。據(jù)此，為實(shí)現(xiàn)常規(guī)生物膜濾池在去除傳統(tǒng)污染指標(biāo)的同時(shí)能夠高效去除DEHP奠定理論基礎(chǔ)。 2100433B

天然氣、氫氣以其熱值高、污染物排放少的優(yōu)點(diǎn)受到了人們的喜歡。如何安全、經(jīng)濟(jì)、有效的儲(chǔ)存這些氣體燃料還是一個(gè)沒有解決的課題。較熱門的研究活題是利用高比表面活性碳、碳納米管和碳納米纖維吸附儲(chǔ)存天然氣和氫氣，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到能實(shí)用的地步。原因之一是沒有一種吸附劑材料能達(dá)到實(shí)用的能量密度要求；之二是還沒有一種方法很好的解決吸脫附過程當(dāng)中熱效應(yīng)的問題。

吸脫附過程是一個(gè)放熱吸熱過程，任何速率的吸附或脫附過程都伴隨著吸附系統(tǒng)溫升一溫降現(xiàn)象的發(fā)生。學(xué)者周理利用Ax一21活性碳進(jìn)行了吸附儲(chǔ)存天然氣和氫氣的研究，得出Ax一21活性碳吸附儲(chǔ)存天然氣的平均吸附熱為16.5kJ/mol，吸附儲(chǔ)存氫氣的平均吸附熱為6.4kJ/mol。吸脫附的熱效應(yīng)對(duì)吸附系統(tǒng)的吸附過程和脫附過程有很大的負(fù)面作用：吸附過程中放熱，吸附系統(tǒng)的溫度升高，溫度升高將不利于吸附作用的進(jìn)行，從而降低吸附量；脫附過程中吸熱，吸附系統(tǒng)的溫度降低將不利于脫附作用的進(jìn)行，將會(huì)增加脫附殘余量。吸熱一放熱作用，可使吸附容量減少約40%。國內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)車用吸附儲(chǔ)存系統(tǒng)，對(duì)其吸附熱效應(yīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論上的研究。美國聯(lián)臺(tái)碳化物公司資助的NYSERDA（NewYorkstate energyresearch anddevelopmentauthority）和NYGAS（NewYorkgasgmup）聯(lián)合組織和AGLARG（Atlantagaslight adsorption researchgroup）國際合作組織一直致力于吸附法儲(chǔ)存天然氣汽車燃料技術(shù)的研究，他們的主要工作之一就是研究吸附熱對(duì)儲(chǔ)氣能力的影響及降低吸附熱影響的儲(chǔ)氣技術(shù)。

前人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果已經(jīng)對(duì)吸附儲(chǔ)罐中的溫度場(chǎng)分布有了一個(gè)清楚的描述。但是吸附劑的特征參數(shù)如孔徑分布、填充密度，比表面積是否對(duì)吸附熱和吸附系統(tǒng)動(dòng)態(tài)吸附儲(chǔ)量有影響還是一個(gè)未知的話題。還有一個(gè)有意思的問題：吸附性能越好的吸附劑，其動(dòng)態(tài)吸附儲(chǔ)存量是否就越大（吸附性能好，吸附熱效應(yīng)可能更強(qiáng)烈，殘余吸附量可能會(huì)更多）。這些都需要從理論上和實(shí)驗(yàn)得以驗(yàn)證。對(duì)于碳納米管、碳納米纖維吸附儲(chǔ)存氫氣，確定碳納米管和碳納米纖維的熱物性參數(shù)，建立合適的數(shù)學(xué)模型描述吸附系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征也是待解決的課題。