剩余污泥胞外聚合物的提取及其复合物EPS/PANI@Fe3O4的制备和应用

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污水生化处理过程中产生的剩余污泥中的有机组分主要有蛋白质、多糖、核酸等生物分子,这些生物分子富含羧基、磷酸基、巯基、酚羟基、羟基等多种官能团,具有潜在的应用价值,对其加以综合利用,对实现剩余污泥减量化和资源化具有重要作用。  本文一方面以生活污水剩余污泥为原料提取胞外聚合物(EPS),比较热法、碱法、超声波法及其组合形式的提取效果,从中选出适合的提取方式;经响应面优化筛选,确定了从剩余污泥中提取EPS的工艺条件。另一方面以提取得到的EPS为原料,掺杂Fe3O4采用Hemin/H2O2体系制备复合物EPS/PANI@Fe3O4,以甲基橙(MO)和罗丹明B(RhB)为目标污染物,研究各制备因素对染料的吸附和降解效果的影响,寻求最佳的制备条件,并分别研究各因素对染料的吸附和降解效果的影响及其各自吸附特性和降解机理。  首先,提取实验结果表明,碱热法为最佳提取方式,筛选出的最佳条件是温度为90℃、加热时间为60min、pH为12.5。此时,提取液中COD含量约4100mg/L、蛋白质含量约为40mg/L、多糖含量约为250mg/L及总磷含量约为35mg/L。  其次,通过单因素实验优化氯化血红素催化制备复合物EPS/PANI@Fe3O4,优化后的制备条件为HCl=0.93M、Hemin浓度=0.05g/L、苯胺浓度=0.05M、H2O2浓度=20mM、EPS用量5g/L及纳米Fe3O4用量=2.5g/L。SEM和BET的表征结果表明:复合物EPS/PANI@Fe3O4具有较好的形貌及较大的比表面积,为吸附提供良好条件;XRD、紫外光谱和红外光谱图进一步证明了PANI、EPS和纳米Fe3O4实现了相互负载;TGA分析表明复合物EPS/PANI@Fe3O4热稳定性优于EPS、PANI和EPS/PANI。  再者,复合物EPS/PANI@Fe3O4对MO和RhB的吸附pH适用范围宽,吸附符合准二级动力学和Langmuir吸附等温方程;吸附是放热的自发反应,材料对MO和RhB的吸附属于化学吸附;在328K时,对MO的最大吸附容量可达223.43mg/g,对RhB的最大吸附容量可达83.33mg/g。  最后,复合物EPS/PANI@Fe3O4对MO和RhB的降解pH适用范围宽,适用于不同染料的降解和高浓度混合染料废水COD的去除;实验证明,PANI、EPS和Fe3O4存在明显的协同效应,明显提高复合物EPS/PANI@Fe3O4对MO和RhB的降解效果;EPS/PANI@Fe3O4/H2O2体系可快速破坏染料发色官能团,体系中产生的·OH对于MO和RhB的降解起着关键作用。
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