生物合成FeS及其穩定性柱遷移研究

任 霞,嚴寧珍,劉 璟

(西南大學 資源環境學院, 重慶 400716)

金屬納米硫化亞鐵(FeS)是一種四方單硫鐵化物,能夠釋放兩種電子供體Fe(Ⅱ)和S(-Ⅱ)。這兩種電子供體作為很好的還原劑(Yuetal., 2020),可誘導氧化態金屬離子還原至低價態,從而通過吸附或形成硫化物相的方式固定環境中的重金屬,已廣泛用于被砷、鎘、鉻等污染場地的修復(Xiongetal., 2009; Tanetal., 2020)。FeS可將吸附的砷陽離子轉化為硫化物形式,如毒砂(FeAsO4)和雌黃(As2S3)等難溶態,因此降低了砷的遷移性和毒性,達到修復去除目的。FeS提供的S(-Ⅱ)可與強酸廢水中的As(Ⅲ)之間快速形成As2S3沉淀,獲得良好的As(Ⅲ)去除效果(Liuetal., 2016)。在天然砂填充的多孔柱體系中合成FeS,其對砷污染地下水的As(Ⅲ)固定效率高達83% (Tiwarietal., 2020)。

納米FeS的合成一般通過混合硫化鈉(過量)和氯化亞鐵來制備(Butleretal., 1998),也有研究通過微生物方式合成生物型納米FeS,且這類微生物廣泛存在于厭氧環境中(Zhouetal., 2018)。在課題組前期對生物FeS的合成及其對砷的修復研究中,劉璟等在2016年首次利用嗜酸性鐵還原菌和硫酸鹽還原菌成功合成了生物FeS并包覆于灰巖,發現FeS呈納米級的顆粒狀晶體,比表面積大,其對溶液中As(Ⅴ)的去除效率比單純使用灰巖提高了28倍(Wangetal., 2016; Liuetal., 2017)。Zhou等(2017)的研究發現生物合成的礦物主要由四方硫鐵礦(FeS0.9)組成,拉曼振動和紅外光譜技術進一步證實礦物是FeS且為生物來源,并發現納米顆粒在10 h內完全氧化。Zhou等( 2021)等繼續探討了在不同pH值和氧化劑條件下,對生物FeS去除As(Ⅴ)產物穩定性的影響。然而目前對生物納米FeS的穩定性及其在土壤中遷移能力的研究還較少。CMC是纖維素的水溶性衍生物,具有高效的螯合和分散作用,且成本低,環境相容性高,是最常用的穩定劑之一(Devi and Dalai, 2019)。有研究發現,經CMC穩定的零價鐵(ZVI)納米顆粒比單獨ZVI顆粒具有粒徑更小,比表面積、分散性和反應活性更高的特點(Devi and Dalai, 2019),具有將其直接輸送到受污染區域,從而對受污染的土壤和地下水進行原位修復的潛力(Zhaoetal., 2016)。在用CMC穩定硫酸鹽還原菌生成的生物型FeS復合物時,CMC分子在吸附FeS顆粒表面的同時,產生一層負電荷,這能夠有效降低顆粒的聚集沉降(Heetal., 2021)。Abia Ⅱ等(2011)進行的一項研究中,利用石英砂模擬地下多孔介質,將Fe2+和氧化劑(如溶解氧)泵入其填充的柱裝置中,研究砷的遷移行為和去除效果,以開發一種原位的地下水污染修復處理(Abia Ⅱ, 2011)。

因此,本研究采用鐵還原菌和硫酸鹽還原菌合成生物納米FeS的制備方法,探討其生成量的控制,并使用羧甲基纖維素鈉(CMC)作為顆粒穩定劑,探究在CMC作用前后FeS的沉降速率、穩定性差異和效果,并建立石英砂柱,進一步研究CMC-FeS在多孔介質中的遷移行為,以期對土壤污染修復提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 嗜酸性鐵還原菌Acidiphilum cryptum JF-5(JF-5)的培養

稱取0.5 g胰酶大豆肉湯(TSB)溶于917 mL超純水中,高溫滅菌30 min得到溶液①; 稱取18.016 g葡萄糖溶于水并定容至100 mL,經0.22 μm的微孔濾膜過濾滅菌得到溶液②; 稱取19.995 g Fe2(SO4)3溶于水并定容至100 mL,經0.22 μm的微孔濾膜過濾滅菌得到溶液③： 稱取100 mg維生素B12、80 mg p-氨基酸、20 mg D-生物素、200 mg煙酸、100 mg Ca-D-泛酸酯、200 mg鹽酸硫胺素和300 mg鹽酸哆吡胺溶解于1 L超純水中,完全溶解后經0.22 μm的微孔濾膜過濾滅菌,并存放于4℃的陰暗處得到溶液④;稱取1.5 g FeCl2·4 H2O 溶解于10 mL 25% HCl溶液中,并繼續向該溶液中添加70 mg ZnCl2、100 mg MnCl2·4 H2O、190 mg CoCl2·6 H2O、2 mg CuCl2·2 H2O、24 g NiCl2·6 H2O、36 mg Na2MoO4·2 H2O和6 mg H3BO3,并定容至1 L后高壓滅菌得到溶液⑤; 添加 0.5 g NaOH、0.003 g Na2SeO3·5 H2O和 0.004 g Na2WO4·2 H2O至1 L超純水中,完全溶解后高壓滅菌得到溶液⑥。上述6種溶液配制完成后,分別取10 mL溶液②、70 mL溶液③、溶液④、⑤、⑥各1 mL加入溶液①中,混合均勻完成培養基配制。接種后的JF-5菌在厭氧條件下于30℃的恒溫培養箱中培養,培養液顏色變無色即微生物還原完成。

1.2 硫酸鹽還原菌Desulfovibrio vlugaris miyazaki(SRB)的培養

培養基組成如下(1 L)： 2.0 g DL-乳酸鈉、0.5 g K2HPO4、1.0 g Na2SO4、2.0 g MgSO4·7 H2O、2.0 g CaCl2·2 H2O和1.0 g酵母提取物。接種的SRB菌在厭氧條件下于30℃恒溫培養箱培養5～7 d,具有濃烈臭雞蛋味氣體即培養完成。

所有使用的化學品均為分析純及以上;實驗用水均采用超純水(18.25 MΩ cm)。

1.3 生物合成FeS

在前期研究中,使用1 L SRB菌液和25 mL JF-5菌液混合并靜置3 d所獲得的黑色物質即為生物納米FeS顆粒(Zhouetal., 2019)。本次研究沿用上述合成方法,但考慮需探討混合溶液中不同n(Fe)/n(S)值對FeS礦物合成量及沉降行為的研究,故修改如下：在50 mL離心管中分別加入不同體積、對數生長最佳的SRB菌液和JF-5菌液(均為7 d),其具體體積及對應n(Fe)/n(S)值見表1。體系中n(Fe)/n(S)值按照SRB和JF-5菌液混合后培養基中Fe和S的量設定。密封并錫箔避光后在30℃恒溫條件下靜置48 h以熟化。FeS生成量按美國哈希標準懸浮顆粒物方法進行,儀器采用Hach DR2500(美國哈希公司)。上述實驗均開展3組平行實驗。需要說明的是上述合成的FeS并非純FeS礦物,可能包含針鐵礦和有機成分(Zhouetal., 2017),但我們仍將其命名為生物納米FeS。

稱取適量冷凍干燥后的礦物樣品,用 X射線衍射儀(XRD)分析其礦物相。X射線衍射儀工作電壓40 kV,掃描角度為5°～80°,管流40 mA,采用國際衍射數據中心XRD分析軟件Jade進行礦物相的分析。

表 1 實驗所用 JF-5 與 SRB 菌液體積及混合溶液的n(Fe)/n(S)值

1.4 生物FeS納米顆粒的自然沉降

通過監測FeS吸光度的變化,探討其沉降速率,建立FeS懸浮液的吸光度隨時間的變化曲線。對7組細菌混合溶液在熟化48 h后搖勻,在波長為620 nm下、4 h內每10 min記錄一次吸光度。同時,為了探究CMC對FeS是否有穩定效果,同樣的操作在熟化48 h后搖勻,取5 mL FeS懸浮液稀釋到20 mL 0.1% CMC溶液中,并以25 mL 0.1% CMC為空白,立即在波長為620 nm下、4 h內每10 min讀取一次吸光度。同一實驗均開展3次平行實驗,統計過程取其平均值和上下誤差。

1.5 CMC-FeS柱遷移實驗

選用礦物石英砂填入實驗所用柱裝置,進行納米FeS的穿透實驗。石英砂在天然土壤和沉積物中普遍存在,是影響許多無機和有機化合物遷移的重要成分(Sposito, 1984),在本實驗中作為惰性支撐材料,不會與納米顆粒發生復雜反應,能有效監測和模擬納米顆粒在多孔介質中的運移能力。柱實驗裝置如圖1。柱長40 cm,內徑3.4 cm,柱中填充烘洗后的石英砂(2 000～4 000 μm)共340 g,柱底部由蠕動泵(Leadfluid BT100L)泵入向上流溶液,根據填充石英砂所消耗的超純水量總體積為110±3 mL(n=3,n代表次數),孔隙率為0.41。柱頂部用帶孔的蓋子密封,以橡膠管連接流出液收集器。柱外層兩個端口連接恒溫控制器(GE Multi Tp Ⅲ),設定溫度并保持在30℃。在柱的上下端口設置兩個水壓探頭,并與水壓傳感器(CR1000, Campbell Scientific公司, 美國)和計算機連接,每10 min記錄一次水壓變化。水壓探頭采用水壓計(Control公司, Traceable)和輸出電壓信號進行修正,其輸出水壓(psi)與實際壓力具有顯著的線性關系(R2=0.999)(圖2)。

圖 1 柱實驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the column experimental setup

圖 2 水壓探頭與實時傳感器采集壓力數據的擬合曲線Fig. 2 The fitting curve of piezometer data and collected pressure data from on-line sensors

基于上述合成控制實驗,我們選取FeS產量最大組[n(Fe)/n(S)=0.2]進行柱實驗遷移實驗,實驗過程為：先在通入高純度N2(>99%) 15 min后的超純水中配備0.1% CMC溶液,并繼續通入N25 min;然后,對生物合成n(Fe)/n(S)=0.2下的 FeS納米顆粒以10 000 rpm、5 min離心并倒掉上清液,將FeS沉淀與0.1% CMC溶液以m(FeS)/m(CMC)=2進行混合,即得到CMC-FeS懸浮液。設置蠕動泵流速分別為90、180、360 mL/h,通入FeS-CMC懸浮液(總鐵=50 mg/L, pH=7.0)13.5 h;每30 min收集一次流出液樣品,分析樣品中SS(懸浮顆粒物濃度, mg/L)和總鐵含量。

1.6 總鐵測定及壓力數據收集

流出液以6 M HCl酸化(1 mL樣品： 2mL HCl,能夠完全溶解FeS顆粒),采用美國哈希標準方法#265測定總鐵含量,以空白作為背景。對于柱遷移實驗,我們以FeS-純水懸浮液作為CMC-FeS的對比控制組。樣品測定3次,取平均值。實驗過程中收集的柱壓力數據從Campbell Scientific LoggerNet軟件導出,采用Excel以時間和導水率進行作圖。

2 結果和討論

2.1 生物納米FeS的XRD表征分析

實驗室生物合成的樣品為黑色沉淀,XRD分析表明,其主要礦物相與PDF00-024-0073卡對應,化學組成為四方硫鐵礦(FeS0.9)(圖3),另外也存在一定針鐵礦衍射峰,可能是由于樣品制樣過程中快速氧化所致。

圖 3 生物納米FeS樣品的XRD圖Fig. 3 XRD spetrum of biological-nano FeS sample

2.2 不同n(Fe)/n(S)值條件下合成FeS的量及沉降差異

如圖4所示,混合細菌溶液中S的量必須要高于Fe的量才能合成FeS,即S必須要過量;當n(Fe)/n(S)值為0.1和0.2時,懸浮顆粒物的量較大,說明FeS生成量最多,溶液中懸浮顆粒物濃度(SS)分別達到2 166和2 400 mg/L,其次為0.3。隨著Fe的量繼續增多,懸浮顆粒物的生成量逐漸減少。

圖 4 不同n(Fe)/n(S)值條件下合成FeS量的差異Fig. 4 Differences in the amount of FeS synthesized from different n(Fe)/n(S)

同時,對各個n(Fe)/n(S)值下懸浮液中 FeS 顆粒的沉降進行驗證,結果如圖5所示,懸浮液吸光度隨著時間增加都在逐漸減小,在4 h內基本達到穩定狀態,即基本沉淀下來;不同n(Fe)/n(S)值下吸光度值及下降幅度不同,與圖4對應,當n(Fe)/n(S)值為0.1～0.3時,顆粒物生成量最多,吸光度值較大,下降幅度也較大;其他則較小,其中n(Fe)/n(S)值為0.01和0.4時,吸光度值的變化較為穩定;當n(Fe)/n(S)值為0.5和0.6時,管中幾乎觀察不到黑色顆粒物的存在,而只有細菌菌體與溶液中的無機沉淀物,其原因可能是其沉降規律與其他比例有所不同,表現為吸光度逐漸增加。綜上,當n(Fe)/n(S)值為0.1、0.2和0.3時,生物納米FeS生成量最大,沉降也最快。圖6為n(Fe)/n(S) 值為0.1～0.4下,FeS在純水和在CMC溶液中沉降變化的斜率對比圖,可以看出,FeS在CMC溶液中的斜率變化總體都低于純水條件,CMC的穩定效果都比較明顯,斜率值也較為接近,整體沉降變緩,達到了較高 FeS產量的同時,增加了其穩定性;在n(Fe)/n(S) 值為0.2時,FeS的自然沉降速率最大從0.07降到了0.02。

圖 5 波長620 nm下不同n(Fe)/n(S)值的細菌混合溶液吸光度(Abs)隨時間的變化Fig. 5 Absorbance (Abs) of mixed solution of bacteria with different n(Fe)/n(S) at 620 nm wavelength changes with time

圖 6 n(Fe)/n(S)值為0.1～0.4下生物納米FeS在純水與CMC溶液中吸光度值變化的斜率(K)對比Fig. 6 Comparison of the slopes (K) of the absorbance values of biological-nano FeS in pure water and CMC solutions when n(Fe)/n(S) were 0.1～0.4

以上這些說明CMC有效地強化了體系的穩定性。

2.3 FeS在石英砂柱中的遷移

為了探究生物納米FeS的遷移性,在系列石英砂柱中開展了FeS穿透實驗,其遷移行為可以用對流擴散模型(Heetal., 2019)表達,如方程(1)：

Ce/C0=0.5erfc[Pe1/2(1-Vxt/LRf)/2(Vxt/LRf)1/2]

(1)

式中,C0為x=0時入口處的FeS懸浮液濃度(mg/L);L為柱填充長度(cm);Ce為距離L出口處的懸浮液濃度(mg/L);erfc為余差函數;Pe為佩克萊數,用于衡量對流和擴散作用;Vx為達西流速(流量除以橫截面積)(cm/s);Rf為滯留因子;t為時間(s)。方程刻畫了出口和入口處FeS濃度的比例,相應的滯留因子可以通過這個公式對實驗數據擬合獲得。實驗在不同流速下進行,系統的導水率是反映系統滲透性變化的關鍵因素,對水流通過柱體系過程中的導水率進行記錄研究。達西定律通過飽和導水率來描述柱子的滲透性(Liuetal., 2013),它可根據公式(2)獲得：

Q=AHCsat(DH/DZ)

(2)

其中,Q為流速(mL/h);A為柱內實際橫截面積(cm2);HCsat為飽和導水率(cm/h);DH為mm水柱,由輸出水壓psi換算而來, 1 psi=703.07 mm;DZ為兩傳感器節點的垂直高差(mm)。

使用懸浮顆粒物和總鐵濃度,對生物納米FeS在石英砂柱中的遷移行為進行表征,結果如圖7所示,CMC-FeS懸浮液能夠在石英砂柱中具有良好的遷移性。在90 mL/h條件下,生物納米FeS在純水中的遷移有限(圖7a、7b),完全穿透的時間為2.5 h,僅約4% FeS取得完全穿透。因為在純水中沒有任何分散效果,FeS在輸送過程中表現出聚集沉積性,較少進入柱中, 且隨著實驗進行,聚集的顆粒逐漸表現出氧化并溶解。而相同條件下, 生物納米FeS在CMC溶液中(圖7c、7d)遷移性顯著高于純水(圖7a、7b),CMC-FeS首先在2.5 h處完成穿透,在持續一段時間后繼續在8 h處取得完全穿透(懸浮固體和總鐵),約50%(Ce/C0=0.5)的流入CMC-FeS離開了柱并保持不變;在CMC溶液中的生物納米FeS得到充分懸浮較少沉淀,輸送過程更易進行,所以在相同流速下,進入柱中更多,更易遷移穿透,流出柱中也更多。

圖 7 不同流速下,純水-FeS(a、b)和CMC-FeS(c、d)通過石英砂柱后流出液中SS(a、c)和總鐵濃度(b、d)的變化Fig. 7 Changes of SS (a, c) and total iron concentration (b, d) in the effluent of purewater-FeS (a, b) and CMC-FeS solution (c, d) after passing through the quartz sand column in different flow rates

生物納米FeS在CMC溶液中的遷移過程受流速影響(圖7c、7d)。在最低流速下FeS穿透較慢且分兩階段進行,與之相比,流速為180 mL/h時,FeS取得完全突破時間縮短(1.5 h),約70%的FeS離開了柱并保持不變,這也說明FeS在遷移穿透期間,仍有約30%持續保留于柱中。在流速越大的遷移體系下,生物納米FeS穿透越快且流出越多,對流擴散模型擬合效果更佳(0.85>0.82)。在流速為360 mL/h體系下,FeS在1 h時即取得完全穿透,穿透前期約90%總鐵流出柱外,而懸浮固體達到了130%,兩者都在4.5 h后有所下降,到實驗結束點(13.5 h)均為90%。

3個流速下CMC-FeS懸浮顆粒物的穿透效果如表2。從圖7c、7d和表2可以看出,在CMC實驗條件下,除360 mL/h的懸浮固體表現差異較大外,FeS的柱遷移行為均很好地符合對流擴散模型方程,且流速越大,Rf值越小,遷移與穿透越快;即90 mL/h下Rf值最大,代表柱內FeS或鐵濃度較高,產生較大壓力差,使得滲透性最低(圖8)。在180 mL/h下Rf值較小,體系水壓力差集中分在0.1～0.5之間(圖未展示),滲透系數顯著高于90 mL/h和360 mL/h(p<0.05),三者滲透系數平均值分別為15.73、243.97和34.02 cm/h。從實驗現象觀察得出,90 mL/h下,FeS集中在填充柱下端,而在180 mL/h下則均勻分布于整個填充柱,體系中流出FeS黑色顆粒更多,而留存更少,從而使得柱壓差變小。從過濾理論也能得出,隨著納米顆粒的積累,頂層的流動剪切力增加,分布會更加均勻。因此,也能觀察到在更大流速360 mL/h時,柱內滲透性仍高于90 mL/h,維持在25～50之間,但總體低于180 mL/h,這可能是由于最大流速下CMC-FeS遷移性最好,流出柱中也最多,但同時也更多地進入柱中,柱體系中留存也多,從而導致了壓力差較大、滲透性較差的結果,由此也不是實際應用中的最優選擇。因此,最低和最高流速下可能都不利于CMC-FeS在原位環境修復中的應用,因此,流速為180 mL/h可作為最優選擇,為實際應用提供參考。

表 2 不同流速下Ce/C0擬合后的Rf值比較Table 2 Comparison of Rf values after Ce/C0 fitting at different flow rates

圖 8 不同流速下CMC-FeS懸浮顆粒物通過柱中的滲透壓變化Fig. 8 Variation of osmotic pressure of CMC-FeS suspended particulates passing through the column at different flow rates

3 結論

本研究主要探討嗜酸性鐵還原菌(JF-5)和硫酸鹽還原菌(SRB)不同比例下對于生物FeS生成量的差異,以及CMC對生物FeS穩定性的影響及遷移行為研究,其主要結論如下：

(1) JF-5和SRB在n(Fe)/n(S)=0.2時,生成量最多,達2 400 mg/L。

(2) 在n(Fe)/n(S)=0.2的情況下,引入0.1% CMC到生物納米FeS顆粒體系中,能有效強化體系穩定性,依據沉降速率K值比較,其自然沉降速率最大從0.07降低到0.02。

(3) 對流擴散模型能夠很好地描述CMC-FeS的遷移行為,其模型相關性最高達0.85,而單純FeS遷移僅有非常低的相關性(R2=0.20),進一步說明CMC強化穩定性遷移效果。在3種流速遷移下(90、180和360 mL/h),中等流速能夠獲得最佳滲透性,其滲透系數平均值為243.97 cm/h。