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第1章 重金属及其污染1

1.1重金属及相关基础知识1

1.1.1引言1

1.1.2元素及元素周期表1

1.1.3周期表中元素分类2

1.1.4地壳中元素的组成、分布及主要存在形式3

1.1.5金属元素及其分类5

1.1.6重金属8

1.2重金属的特性及环境领域中关注的重金属9

1.2.1重金属的存在形态9

1.2.2重金属的毒理毒性特点9

1.2.3重金属对微生物的毒性机制9

1.2.4我国水体中优先控制污染物黑名单10

1.2.5环境领域中关注的重金属11

1.3我国重金属污染特征分析16

1.3.1引言16

1.3.2主要污染的重金属种类16

1.3.3主要污染行业17

1.3.4重金属废水的特征20

1.4重金属废水处理技术22

1.4.1重金属废水处理技术分类22

1.4.2重金属废水处理中需要考虑的关键问题27

1.5重金属废水处理浓缩物中重金属的回收/无害化处理33

1.5.1引言33

1.5.2重金属回收34

1.5.3无害化处理40

1.6关于重金属废水处理的几点建议40

1.7重金属污染生物修复的重要性41

参考文献42

第2章 生物吸附基础50

2.1生物吸附的提出和发展50

2.1.1生物吸附概念的形成50

2.1.2生物吸附研究的历史51

2.1.3生物吸附的研究现状57

2.1.4生物吸附的发展方向58

2.2活细胞和死细胞、生物吸附和生物积累59

2.3生物吸附的含义61

2.4生物吸附处理重金属/放射性废水的实现形式67

2.4.1生物吸附处理重金属的典型工艺流程67

2.4.2生物吸附过程的多种实现形式68

2.5吸附质种类69

2.6生物吸附剂种类70

2.7生物吸附的主要研究内容72

2.8生物吸附的技术特点72

2.9生物吸附发展中存在的问题及分析73

2.10生物吸附应用探索76

2.10.1生物吸附的商业化尝试77

2.10.2生物吸附实际应用的可行性分析81

2.11生物吸附发展方向82

2.11.1重新认识生物吸附的研究意义82

2.11.2生物吸附成本核算与比较84

2.11.3深入探讨生物吸附的本质及特性84

2.11.4探索生物吸附与其他技术的综合利用85

2.11.5开发出类似于离子交换树脂的商业化生物吸附剂85

2.11.6加强生物吸附机理研究86

2.11.7扩大生物吸附的应用领域86

参考文献87

第3章 生物吸附剂91

3.1生物吸附剂及其类型91

3.1.1生物吸附剂的定义91

3.1.2生物吸附剂来源及其分类94

3.1.3生物吸附剂的发展98

3.2生物吸附的生物学基础98

3.2.1概述98

3.2.2细菌104

3.2.3丝状真菌117

3.2.4酵母菌121

3.2.5藻类125

3.2.6海藻、细菌、真菌细胞壁结构比较131

3.2.7壳聚糖、纤维素、木质素、淀粉等天然有机生物大分子132

3.2.8农林废弃物140

3.2.9生物材料中与重金属生物吸附有关的官能团141

3.3生物吸附剂评价标准144

3.3.1评价及筛选标准144

3.3.2生物吸附剂评价中需要注意的问题145

3.4生物吸附实验148

3.4.1引言148

3.4.2生物吸附剂干重、生物吸附量、去除率的计算方法148

3.4.3生物吸附动力学实验：确定生物吸附平衡时间te149

3.4.4生物吸附平衡实验：确定平衡吸附量qe150

3.4.5热力学实验：温度的影响151

3.4.6举例 酿酒酵母生物吸附性能研究：材料与方法152

3.5生物吸附剂的吸附性能总结154

3.5.1引言154

3.5.2部分微生物对金属的吸附容量154

3.5.3微生物吸附重金属的种类155

3.5.4潜在的生物吸附剂种类157

3.6细菌作为生物吸附剂158

3.7真菌（丝状真菌）作为生物吸附剂164

3.7.1简介164

3.7.2青霉菌作为生物吸附剂165

3.7.3曲霉菌作为生物吸附剂169

3.7.4其他丝状真菌作为生物吸附材料171

3.7.5真菌吸附重金属的选择性及比较172

3.8酵母作为生物吸附剂173

3.8.1酿酒酵母（S.cerevisiae）作为生物吸附剂的优势173

3.8.2生物吸附研究中酿酒酵母的各种利用形式174

3.8.3酿酒酵母生物吸附性能176

3.8.4酿酒酵母对不同金属离子吸附的比较179

3.8.5酿酒酵母与其他吸附剂吸附性能的比较180

3.9海藻作为生物吸附剂181

3.10壳聚糖基生物吸附剂188

3.10.1引言188

3.10.2壳聚糖基生物吸附剂的性能190

3.11廉价生物吸附剂194

3.11.1引言194

3.11.2农林废弃物吸附重金属研究进展196

3.11.3甜高粱秸秆及其改性研究198

3.12新型生物吸附剂201

参考文献203

第4章 生物吸附剂的改性与再生225

4.1概述225

4.2预处理方法227

4.2.1引言227

4.2.2物理方法228

4.2.3化学方法228

4.2.4生物方法229

4.2.5各种预处理方法的研究进展229

4.3生物吸附剂的固定化231

4.3.1引言231

4.3.2生物固定化方法232

4.3.3生物固定化载体234

4.3.4固定化生物吸附剂的研究进展235

4.4生物吸附剂物理化学改性方法及表征：以壳聚糖基生物吸附剂为例236

4.4.1引言236

4.4.2用于重金属去除目的的壳聚糖改性方法237

4.4.3物理改性238

4.4.4化学改性242

4.4.5壳聚糖复合材料249

4.5吸附剂的解吸及重复利用250

4.6废弃生物吸附剂的最终处置253

4.7壳聚糖基生物吸附剂的制备及表征253

4.7.1材料253

4.7.2纳米磁性壳聚糖的制备254

4.7.3磁性壳聚糖的制备254

4.7.4二乙烯三胺改性磁性壳聚糖的制备254

4.7.5二硫化碳改性磁性壳聚糖的制备254

4.7.6磁性壳聚糖/PVA复合颗粒制备方法254

4.7.7磁性壳聚糖固定化酿酒酵母的制备方法255

4.7.8纳米磁性壳聚糖表征255

4.7.9二乙烯三胺改性磁性壳聚糖的表征259

4.7.10二硫化碳改性磁性壳聚糖的表征260

4.7.11磁性壳聚糖/PVA复合颗粒的表征264

4.7.12磁性壳聚糖固定化酿酒酵母（壳聚糖生物固定化颗粒）的表征266

4.7.13小结269

4.8木质纤维素材料的改性以及表征270

4.8.1木质纤维素材料改性方法270

4.8.2甜高粱秸秆乙醇发酵残渣及性能表征272

4.8.3秸秆辐照接枝丙烯酸制备与表征方法278

4.8.4辐照接枝条件的优化281

4.8.5材料的表征：羧基含量、SEM、 FTIR、 XRD283

4.8.6羧基功能化改性秸秆材料制备及表征287

参考文献291

第5章 生物吸附影响因素300

5.1金属离子性质的影响300

5.1.1引言300

5.1.2实验及参数选择303

5.1.3 QSAR模型建立方法305

5.1.4 X2mr的影响317

5.1.5 2/r，|log KOH|，IP的影响318

5.1.6极化力各种参数的影响318

5.1.7其他离子性质的影响319

5.1.8离子性质影响的小结320

5.2反应条件对生物吸附的影响321

5.2.1引言321

5.2.2吸附时间321

5.2.3重金属离子初始浓度/生物量浓度323

5.2.4温度的影响323

5.2.5 pH的影响324

5.2.6金属离子初始浓度与生物吸附剂浓度的影响326

5.2.7竞争离子/共存离子/其他共存物的影响326

5.2.8离子强度的影响327

5.3二元/三元重金属离子体系的生物吸附特征337

5.3.1磁性壳聚糖对Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的竞争吸附338

5.3.2二硫化碳改性磁性壳聚糖对Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的竞争吸附341

5.3.3二乙烯三胺改性磁性壳聚糖对Cu（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）的竞争吸附344

5.3.4秸秆及其改性材料对多元体系中金属离子的等温吸附特性346

5.4生物细胞性质及培养条件对生物吸附的影响353

5.4.1生物细胞种类353

5.4.2微生物菌龄355

5.4.3微生物培养的碳源355

5.4.4其他成分对生物吸附的影响357

5.5生物体材料对重金属的选择性或亲和性357

5.5.1引言357

5.5.2金属离子的选择性或亲和性研究358

5.5.3利用配位理论分析吸附性能及吸附选择性365

5.6需要考虑的几个问题367

参考文献368

第6章 生物吸附机理376

6.1引言376

6.1.1生物吸附机理主要研究内容376

6.1.2生物吸附机理研究中需要考虑的问题377

6.1.3生物吸附机理研究的方法学379

6.1.4生物吸附机理研究思路及技术路线379

6.2生物吸附过程379

6.2.1引言379

6.2.2被动吸附381

6.2.3主动吸收381

6.2.4重金属生物吸附过程分析381

6.3生物吸附机理382

6.3.1引言382

6.3.2细胞外富集/沉淀/转化382

6.3.3细胞表面吸附/沉淀/转化383

6.3.4胞内吸附/沉淀/转化386

6.4生物吸附机理的研究手段388

6.4.1概述388

6.4.2傅里叶变换红外光谱（FTIR）391

6.4.3扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDX）403

6.4.4透射电子显微镜-能谱（TEM-EDX）419

6.4.5原子力显微镜（AFM）421

6.4.6紫外-可见光谱（UV-Vis）425

6.4.7 X射线光电子能谱（XPS）427

6.4.8同步辐射光源的X射线吸收精细结构谱（XAFS）431

6.4.9电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）442

参考文献453

第7章 生物吸附过程模拟459

7.1吸附动力学模型459

7.2等温吸附模型461

7.3吸附热力学模型465

7.4酿酒酵母生物吸附过程分析466

7.4.1酿酒酵母吸附重金属离子的时间进程466

7.4.2酵母吸附重金属离子的动力学模型467

7.4.3等温吸附过程及模型拟合468

7.4.4重金属离子生物吸附容量的比较469

7.4.5温度对酿酒酵母生物吸附量的影响471

7.5磁性壳聚糖对重金属的吸附特性473

7.5.1磁性纳米壳聚糖吸附Cu（Ⅱ）的动力学473

7.5.2磁性壳聚糖和二硫化碳改性磁性壳聚糖吸附Pb（Ⅱ）的动力学475

7.5.3温度对纳米磁性壳聚糖吸附Cu（Ⅱ）的影响476

7.5.4磁性壳聚糖和二硫化碳改性磁性壳聚糖吸附Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的等温吸附特征480

7.5.5纳米磁性壳聚糖吸附Cu（Ⅱ）的热力学484

7.5.6小结485

7.6多元体系中Pb、Cu、Zn竞争吸附485

7.6.1磁性壳聚糖对多元体系中Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）的竞争吸附485

7.6.2秸秆及其改性材料对PbCu-Zn的竞争吸附特性490

参考文献498

第8章 重金属废水的生物处理503

8.1生物对重金属的固定与溶解机制503

8.1.1引言503

8.1.2生物对重金属的固定机制504

8.1.3生物对重金属的溶解机制505

8.2重金属废水生物处理概况505

8.2.1重金属废水生物处理原理505

8.2.2重金属废水生物处理工艺506

8.2.3重金属废水生物处理案例506

8.3硫酸盐还原菌处理重金属废水507

8.3.1硫酸盐还原菌简介507

8.3.2 SRB处理重金属废水的原理511

8.3.3硫酸盐还原菌处理重金属废水的特性512

8.3.4硫酸盐还原菌去除重金属离子的动力学517

8.4藻菌生物膜系统处理重金属废水521

8.4.1引言521

8.4.2处理效果分析及机理探讨521

8.5零价铁-硫酸盐还原菌（ZVI-SRB）处理重金属废水522

8.5.1引言522

8.5.2 ZVI-SRB处理重金属废水的研究思路523

8.5.3 ZVI-SRB处理重金属废水的实验方法523

8.5.4 ZVI-SRB处理重金属废水的效果524

8.5.5 ZVI-SRB处理重金属废水的机理分析526

8.6固定化SRB处理重金属废水528

8.6.1引言528

8.6.2 SRB等固定化及活性测试528

8.6.3固定化SRB去除Ni2＋的特性529

8.6.4固定化SRB去除Ni2＋的动力学530

8.6.5固定化SRB去除Ni2＋的等温吸附特性533

8.6.6固定化SRB对多种重金属（Cu2＋、Zn2＋、Ni2＋）的竞争吸附535

8.6.7固定化SRB连续处理含Ni2＋废水536

8.7生物法处理实际电镀废水539

8.7.1引言539

8.7.2处理工艺流程及处理效果539

8.7.3重金属离子去除机理分析540

8.7.4生物法与物化法的技术经济比较541

8.7.5新型纳米生物材料处理电镀废水541

8.8一种基于生物抗性机制的新型膜反应器处理重金属废水543

8.8.1基本原理543

8.8.2重金属废水处理效果544

8.8.3重金属污染土壤的修复效果544

8.9水生植物治理重金属水体污染544

8.9.1水生植物的类型及处理废水的原理544

8.9.2水生植物处理废水的方式545

8.9.3水生植物去除重金属的潜力547

8.9.4水生植物去除重金属的不足547

8.10人工湿地去除重金属547

8.10.1引言547

8.10.2重金属的去除效果548

8.10.3人工湿地的作用机理548

8.11典型重金属废水的生物处理549

8.11.1含Cr废水的生物处理549

8.11.2含Hg废水的生物处理549

8.11.3含As废水的生物处理552

8.11.4含U废水的生物处理556

8.11.5其他重金属废水的生物处理558

参考文献558