硅酸盐细菌对电解锰渣中硅活化及重金属稳定化作用研究

论文摘要

电解锰渣（EMR）是在电解锰金属生产过程中产生的一种具有潜在危害的工业固体废弃物。我国现存有超过6000万吨的电解锰渣,并以年千万吨的速度增长,严重制约了电解锰行业的发展。一方面,电解锰渣组成复杂,其中包含多种有益元素,若经适当处理后可从矿渣中提取出来被合理化利用,则可以实现资源的回收利用。同时电解锰渣中含有一些重金属元素和化合物,未经处理而直接排放会对周围土壤和水体造成严重污染。因此,以提高尾矿渣资源化利用和无害化处理程度为目标,提取电解锰渣中有益元素使其具备经济效益,稳定化电解锰渣中有毒有害金属元素使其具备环境效益,是实现这一大型矿冶废弃物的源头治理,促进电解锰行业的可持续发展的关键所在。硅是植物生长的重要元素,在植物生长过程中起着重要的机械和物理屏障作用,特别是在胁迫条件下。而电解锰渣是一种硅含量较高的工业固体废弃物,但大部分硅存在于水溶性极低的硅酸盐矿物中,即非活性硅,不能被植物直接吸收和利用。因此,开发一种高效、环保的电解锰渣硅活化工艺对于固体废物的再利用和环境的可持续性都非常重要。本研究的目的是通过探讨硅酸盐细菌对电解锰渣的浸矿作用,研究在生物浸矿过程中浸出液中硅及重金属的转化规律,揭示了电解锰渣中硅活化及重金属稳定化的机理。具体研究内容和结论如下:（1）生物浸出过程中有效硅提升的参数优化。该部分探究了单一硅酸盐细菌及混合菌在生物浸出过程中对于有效硅提升的影响,通过摇瓶试验考察浸出时间、温度、pH、矿浆浓度、摇瓶转速及颗粒粒径的影响。结果表明:混合菌在温度30℃、初始pH 7.0、颗粒大小为0.150 mm、矿浆浓度5%、摇床转速180 r?min-1的条件下浸出16 d,此时体系中有效硅的含量由5 mg?L-1提升至160 mg?L-1,而单一菌的最佳效果仅有140 mg?L-1。这说明硅酸盐细菌对于电解锰渣中硅的活化是有明显效应的,且混合菌的效果优于单一菌,表明了电解锰渣资源化利用的可能性。并通过傅立叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）对不同反应条件下浸出液及矿渣进行了表征。（2）生物浸出过程中重金属理化性质的变化。该部分分别研究了单一菌及混合菌作用过程中浸出液中重金属Mn、Co、Pb、Ni的含量变化,发现在生物浸出过程中,溶液中重金属的含量具有降低的趋势。利用修正的BCR分级提取技术研究浸后渣中重金属赋存形态的变化,表明几种重金属在生物浸出20 d后具有趋于稳定化的趋势,尤其对于环境毒性最大的Mn,其效果更明显。并对生物浸出前后电解锰渣中重金属的浸出毒性进行分析,其中Mn的浸出浓度由1960 mg?L-1降至815 mg?L-1。结果表明,生物浸出可为电解锰渣中重金属的无害化提供理论支撑。（3）电解锰渣中硅活化机理分析。结果表明,硅酸盐细菌对于不同硅酸盐矿物的浸矿效果是有明显差异的,且硅酸盐矿物的溶解不仅与细菌代谢产物有关,而且与硅酸盐细菌对矿物表面的作用有关。电解锰渣中硅活化的机理是微生物自身及其代谢物的联合作用,包括硅酸盐细菌在矿物表面的附着生长对矿物的分解作用,以及代谢物的酸溶及络合作用等。（4）电解锰渣中重金属稳定化机理分析。结果表明,电解锰渣中重金属稳定化机理包括有效硅对重金属作用及硅酸盐细菌对重金属稳定化作用两方面。有效硅含量较高的生物浸出体系更有利于结合金属形成稳定的析出物造成溶液中游离的重金属类物质含量有所降低。同时,硅酸盐细菌产生的有机酸、氨基酸、多糖等物质会通过配位、络合作用等反应来促进电解锰渣中重金属的稳定化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 锰矿资源的战略价值及其分布
•     1.1.1 锰矿资源的战略价值及意义
•     1.1.2 全球锰矿资源的分布及储量
•     1.1.3 国内锰矿资源的分布及储量
•     1.1.4 国内锰矿资源的特点
•   1.2 电解锰生产工艺
•     1.2.1 电解锰渣的产生
•     1.2.2 电解锰渣的危害
•   1.3 电解锰渣的综合治理现状
•     1.3.1 电解锰渣的资源化利用现状
•     1.3.2 电解锰渣的无害化处理现状
•   1.4 生物浸矿技术及其应用
•     1.4.1 生物浸矿技术
•     1.4.2 生物浸矿技术的应用
•     1.4.3 硅酸盐矿物生物浸硅技术
•   1.5 硅酸盐细菌浸硅的研究现状
•     1.5.1 硅酸盐细菌及其生态学
•     1.5.2 硅酸盐细菌在浸硅中的应用
•     1.5.3 硅酸盐细菌的浸硅机理
•   1.6 重金属污染处理技术
•     1.6.1 物理法修复重金属污染
•     1.6.2 化学法修复重金属污染
•     1.6.3 生物法修复重金属污染
•     1.6.4 联合处理技术
•   1.7 课题来源、研究内容及研究意义
•     1.7.1 课题来源
•     1.7.2 研究内容
•     1.7.3 研究意义
•     1.7.4 研究创新点
• 第2章 实验材料与研究方法
•   2.1 实验试剂及耗材
•   2.2 实验仪器与设备
•   2.3 实验材料
•     2.3.1 实验矿样
•     2.3.2 硅酸盐细菌
•     2.3.3 实验培养基
•   2.4 实验检测项目与分析方法
•     2.4.1 电解锰渣基本理化性质的测定
•     2.4.2 重金属赋存形态的分析
•     2.4.3 有效硅及总硅含量的测定
•     2.4.4 浸出毒性分析
•     2.4.5 细菌平板计数
•     2.4.6 微生物代谢物的鉴定
•     2.4.7 分析方法
• 第3章 生物浸出过程中有效硅提升的参数优化
•   3.1 电解锰渣的基本理化性质及硅酸盐细菌的形态学分析
•     3.1.1 电解锰渣的基本元素组成
•     3.1.2 硅酸盐细菌的形态学分析
•   3.2 单一硅酸盐细菌在生物浸出过程中对于有效硅提升的影响
•     3.2.1 单一硅酸盐细菌的生长曲线
•     3.2.2 浸出时间对于有效硅含量的影响
•     3.2.3 温度对于有效硅含量的影响
•     3.2.4 初始pH对于有效硅含量的影响
•     3.2.5 颗粒大小对于有效硅含量的影响
•     3.2.6 矿浆浓度对于有效硅含量的影响
•     3.2.7 转速对于有效硅含量的影响
•     3.2.8 单一菌作用电解锰渣微观形态分析
•   3.3 混合硅酸盐细菌在生物浸出过程中对于有效硅提升的影响
•     3.3.1 混合硅酸盐细菌的生长曲线
•     3.3.2 浸出时间对于有效硅含量的影响
•     3.3.3 温度对于有效硅含量的影响
•     3.3.4 初始pH对于有效硅含量的影响
•     3.3.5 颗粒大小对于有效硅含量的影响
•     3.3.6 矿浆浓度对于有效硅含量的影响
•     3.3.7 转速对于有效硅含量的影响
•     3.3.8 混合菌作用电解锰渣微观形态分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 生物浸出过程中重金属理化性质的变化
•   4.1 电解锰渣中重金属的含量
•   4.2 浸出液中重金属含量的变化
•     4.2.1 单一菌作用过程中重金属含量的变化
•     4.2.2 混合菌作用过程中重金属含量的变化
•   4.3 浸后渣中重金属赋存形态的变化
•   4.4 浸出毒性分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 硅酸盐细菌对于电解锰渣中硅活化机理研究
•   5.1 接触/非接触模式下硅酸盐细菌与电解锰渣的相互作用
•     5.1.1 接触/非接触模式下浸出液中有效硅含量的变化
•     5.1.2 接触/非接触模式下矿物表面形貌变化
•   5.2 硅酸盐细菌对不同硅酸盐矿物浸硅效果分析
•     5.2.1 电解锰渣中硅酸盐矿物结构的分析
•     5.2.2 不同晶体结构硅酸盐矿物的有效硅浸出规律
•     5.2.3 硅酸盐细菌浸出作用后矿物形态分析
•   5.3 硅酸盐细菌代谢产物与硅酸盐矿物的相互作用
•     5.3.1 硅酸盐细菌代谢产物的鉴定
•     5.3.2 细菌的代谢产物与硅酸盐矿物的相互作用
•   5.4 电解锰渣中硅活化作用机理分析
•     5.4.1 硅酸盐细菌对矿物作用机理分析
•     5.4.2 硅酸盐代谢产物对矿物作用机理分析
•   5.5 本章小结
• 第6章 硅酸盐细菌对于电解锰渣中重金属作用机理研究
•   6.1 接触/非接触模式下重金属在浸出液中的含量变化
•   6.2 电解锰渣中重金属稳定化作用机理分析
•     6.2.1 硅对重金属作用机理分析
•     6.2.2 硅酸盐细菌代谢物对重金属作用机理分析
•   6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吕莹

导师: 叶恒朋,李佳

关键词: 电解锰渣,硅酸盐细菌,硅活化,重金属稳定化

来源: 中南民族大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,无机化工,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 中南民族大学

基金: “菱锰矿高效综合利用及污染治理关键技术及示范”国家科技支撑计划项目(2015BAB01B03)

分类号: X781.1;X172

总页数: 103

文件大小: 6891K

下载量: 42