克雷伯氏杆菌制备生物纳米钯催化剂及其在Cr6+还原反应中的应用

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贵金属钯在石油、化工和汽车等工业中都有重要的作用,而钯资源稀少,开采较困难,因此近年来对环境中贵金属钯的高效回收循环利用技术的开发备受关注。传统的回收方法包括物理法和化学法,但是这两种方法都需要较高的成本,且会附带一定的环境问题,采用生物回收贵金属钯在这方面具有一定的优势。本文主要以生物纳米钯制备过程为对象,实验探究了环境条件因素及生物因素对该制备过程的影响等内容,并探讨了其对催化Cr6+还原反应的影响。具体的研究内容主要包括如下部分:(1)为了制备出活性较高的生物纳米钯,实验对制备过程的条件因素进行了优化。考察了细菌生长周期、温度、pH值、Pd2+初始浓度、钯菌干重比以及转速等条件对该过程的影响。研究结果表明:对数生长中期的细菌在3O℃下、pH值为2,Pd2+初始浓度为25mg/L,钯菌干重比为1:20,制备过程转速150-200rpm的条件下制备出的生物纳米钯颗粒0.5mg能在2-3h内(优化前>5h)还原完180μgCr6+。(2)对制备的纳米钯进行TEM、XRD、EDS、FTIR等的表征,获得该颗粒的基本结构特征。TEM实验结果显示:纳米钯颗粒呈球形负载于菌体表面,分散较均匀,颗粒粒径在5.03-26.48nm范围内,平均粒径为15.76nm,与XRD结果相似。FTIR测试结果显示细菌在还原了Pd2+后其表面的氨基团的吸收峰消失了,而利用氨基聚苯乙烯材料对该过程进行验证,结果证实带有氨基的聚苯乙烯材料能还原Pd2+,且对细菌表面的氢酶进行失活处理后仍具有还原钯的能力,说明细菌表面的氨基基团与Pd2+发生了反应。(3)为了考察K.pneumoniae制备出的生物纳米钯颗粒的催化活性,用Cr6+还原反应进行检测,发现添加生物纳米钯颗粒后该反应的反应时间缩短了数倍,说明该催化剂具有一定的催化作用,而且根据酶动力学实验研究得知该催化剂与Cr6+的亲和性较好,适用于该反应。在后期研究中还发现将搅拌因素加入到制备完成后,即将制备完成的混合液置于150rpm的摇床中2h能制备出催化活性更高的生物纳米钯颗粒,其反应时间缩小至20min,提升了5倍。通过以上研究,制备出了稳定且具有较高催化活性的生物纳米钯催化剂,而对机理的初步认识也能为大规模生产高效稳定的生物纳米钯催化剂提供初步的理论基础,也为我国贵金属环境污染的生物修复技术研究提供一定的技术支持。
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