Ch-1菌还原碱性介质中Cr(Ⅵ)的反应动力学
柴立元，王云燕，赵 堃，舒余德
(中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：通过研究Ch-1菌还原碱性介质中Cr(Ⅵ)过程Cr(Ⅵ)浓度的变化规律，确定初始pH值和细菌接种量对反应速率的影响，建立不同条件下的反应动力学方程，计算相应的反应表观活化能，得到了按细菌接种量划分的Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应控制区域图。研究结果表明：当初始pH值为8~10时，Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应速率基本相同，当pH＜8和pH＞10时，反应速率逐渐减小。Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应为零级反应，但细菌接种量减少，反应速率减小，反应表观活化能增大。细菌接种量分别为50%，30%，20%，10%和5%时对应的反应速率常数分别为57.521 1，51.630 6，45.976 4，24.002 5和7.326 5，表观活化能分别为6.89，14.75，19.24，33.54和72.52 kJ/mol；Cr(Ⅵ)的细菌还原反应随着细菌接种量的增加逐渐由内扩散控制区转入混合控制区，当细菌接种量减少至近9%时，转入化学反应控制区，并由此确定了Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的最佳工艺条件：温度为30 ℃，pH值10，细菌接种量为20%。
关键词：Ch-1菌；Cr(Ⅵ)还原；反应动力学；表观活化能
中图分类号：X74 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)06-1094-06
Kinetic of Cr(Ⅵ) reduction in alkaline media by Ch-1 bacteria
CHAI Li-yuan, WANG Yun-yan, ZHAO Kun, SHU Yu-de
(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The effects of initial pH value and Ch-1 bacteria inoculation amounts on reaction rate were confirmed with the change of Cr(Ⅵ) concentration in the process of bio-reduction. Kinetic equation in each condition was established and the corresponding apparent activation energy was also calculated. Meanwhile, controlling range of Cr(Ⅵ) reduction by Ch-1 bacteria with changing the bacteria inoculation amounts was obtained. The results show that the reaction rates are approximately the same at pH value of 8 to10 and decrease gradually when pH＜8 and pH＞10. The reaction order of Cr(Ⅵ) reduction in alkaline media by bacteria is zero. The reaction rate decreases and the apparent activation energy increases with the decrease of bacteria inoculation amounts. The reaction rate constants in bacteria inoculation of 50%, 30%, 20%, 10%, 5% are respectively listed as follows: 57.521 1, 51.630 6, 45.976 4, 24.002 5 and 7.326 5, and the apparent activation energys are 6.89, 14.75, 19.24, 33.54 and 72.52 kJ/mol, respectively. The rate determining step for reduction of Cr(Ⅵ) by bacteria is varied from inner diffusion, mixed control to chemical reaction with the inoculation amounts being changed from 50% to 9%. And the optimized technological conditions are as follows: temperature of 30 ℃, pH=10 and 20% bacteria inoculation amounts.
Key words: Ch-1 bacteria; Cr(Ⅵ) reduction; reaction kinetic; apparent activation energy
铬(Cr)的化合物在电镀、制革、合成、染料等领域得到广泛应用，但由于Cr(Ⅵ)严重危害人及动物健康和植物生长，其污染治理受到人们的普遍关注。对铬(Cr(Ⅵ))的污染治理一般采用化学还原法。化学法处理含铬废水具有投资少、操作简单等优点，但处理后水不能回用，二次污染依然可能存在。现今，生物法处理含铬废水日益显示其投资少，运行费用低，解毒彻底，无二次污染等优点，具有广阔的发展前景[1-3]。
微生物在含铬废水治理领域已有些研究，中科院成都生物研究所建成了微生物净化回收电镀废水和污泥中铬等重金属的示范工程[4]；周海涛等[5]分离了一株六价铬的还原菌并用于含铬废水的处理。Shen等[6]用假单孢菌(P.putida)厌氧处理低浓度含铬废水，可将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)；Komori等[7]也已分离出处理Cr(Ⅵ)的还原菌，能在厌氧条件的有机介质中将废水中的六价铬还原为三价铬并形成Cr(OH)3沉淀，达到微生物除铬的目的。但上述处理对象仅限于酸性或中性介质中的含铬废水，对于碱性含铬废水或铬渣渗滤液无法 应用。
本文作者前期研究[8]已经成功分离出一株还原碱性介质高浓度Cr(Ⅵ)的短杆状细菌，经鉴定为无色细菌属杆状菌(Achromobacter sp.)，将其命名为Ch-1菌，并研发了细菌还原Cr(Ⅵ)的新工艺。Ch-1菌耐受Cr(Ⅵ)的能力超过4 g/L，在pH为10的碱性介质中有效还原Cr(Ⅵ)的浓度达到2 g/L，培养24 h内可将2 g/L Cr(Ⅵ)还原达到国家排放标准(GB 8978—1996)，其还原Cr(Ⅵ)及耐受碱性环境的能力远超过当前国内外报道的水平[9]。
而对于Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应动力学过程还不太了解。在此，本文作者拟通过考察Ch-1菌还原碱性介质中Cr(Ⅵ)过程Cr(Ⅵ)浓度随时间的变化情况，考察各因素对反应速率的影响，建立不同条件下的动力学方程，计算反应表观活化能，确定反应控制步骤，同时确定Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的最佳反应工艺条件。旨在找到影响细菌还原Cr(Ⅵ)反应速率的关键因素及其影响程度，以提高细菌还原Cr(Ⅵ)的反应速率，为实施铬污染治理工程提供重要的理论依据。
1 实 验
1.1 实验材料
a. 菌种：中南大学分离驯化的能有效还原碱性介质中高浓度Cr(Ⅵ)的菌株Ch-1菌。
b. 培养基：自制碳源4 g/L，自制氮源4 g/L，氯化钠2 g/L。
c. Cr(Ⅵ)溶液的配制：称取一定量K2Cr2O7(AR)，用去离子水配制成不同浓度Cr(Ⅵ)溶液。
1.2 实验方法
a. Ch-1菌培养及实验过程：将Ch-1菌置于30 ℃恒温箱静置培养24 h至细菌生长对数期，按50%，30%，20%，10%和5%等不同接种量加入到已配制好的100~800 mg/L的Cr(Ⅵ)溶液中。用0.1 mol/L盐酸和0.1 mol/L氢氧化钠溶液调节溶液pH值为6~12，使用Lp115型pH计测定。每隔1 h以无菌方式吸取溶液0.1ml进行Cr(Ⅵ)浓度分析，同时补充相应体积的溶液。
b. Cr(Ⅵ)浓度分析方法：溶液中低浓度的Cr(Ⅵ)采用二苯碳酰二肼分光光度法进行分析，波长为 540 nm；高浓度的Cr(Ⅵ)利用硫酸亚铁铵容量法滴定 分析[10]。
2 结果与讨论
2.1 反应速率的影响因素
2.1.1 初始pH值对反应速率的影响
当初始Cr(Ⅵ)质量浓度为290 mg/L，温度为30℃，细菌接种量为20%，反应初始pH分别为6，7，8，9，10，11和12时，得到Cr(Ⅵ)质量浓度-时间的关系曲线如图1所示。由于接种的Ch-1菌处于对数生
1— pH=6; 2— pH=7; 3— pH=8; 4— pH=9; 5— pH=10;
6— pH=11; 7— pH=12
图1 不同初始pH条件下Cr(Ⅵ)质量浓度随时间变化曲线
Fig.1 Variation curves of Cr(Ⅵ) concentration at different pH values
长期，细菌进入Cr(Ⅵ)溶液体系后有1~4 h的生长适应期，在该适应期内Cr(Ⅵ)浓度变化不大，故对细菌适应期后数据进行数学拟合，求得拟合后直线的斜率即为反应速率v，结果如表1所示。
表1 初始pH值对反应速率v的影响
Table 1 Effect of initial pH value on reaction rate v
由表1可见，初始pH值为8，9和10时，细菌还原速率大，且基本保持不变，可快速将Cr(Ⅵ)完全还原为Cr(Ⅲ)，pH值为7和11时还原速率下降，完全还原Cr(Ⅵ)的时间延长；而当pH值为6或者12时，速度接近于0，细菌对Cr(Ⅵ)的还原反应几乎停止。由于铬渣及其渗滤液为碱性，对碱性介质中Cr(Ⅵ)的细菌还原工艺，选择pH 10为最佳工艺参数。
2.1.2 细菌接种量对反应速率的影响
当初始Cr(Ⅵ)质量浓度为290 mg/L，温度为 30 ℃，初始pH值为10，细菌接种量分别为50%，30%，20%，10%和5%(体积比)时，得到Cr(Ⅵ)浓度-时间的关系曲线如图2所示，进行直线拟合后计算反应速率v，结果见表2。
细菌接种量：1— 5%; 2— 10%; 3—20%; 4—30%; 5—50%
图2 不同细菌接种量时Cr(Ⅵ)浓度随时间变化曲线
Fig.2 Variation curves of Cr(Ⅵ) concentration at different bacteria inoculation amounts
表2 细菌接种量对反应速率v的影响
Table 2 Effect of bacteria inoculation amounts on reaction rate v
由表2可看出：细菌接种量为50%，30%和20%时，还原速率大，在8h内均可将Cr(Ⅵ)完全还原为Cr(Ⅲ)，细菌接种量为10%和5%时，还原速率小，在8h内不能完全还原，可见细菌接种量越大，还原速率越快，根据实际生产要求，同时考虑经济成本因素，实际生产过程中选择细菌接种量20%为最佳工艺参数。
由表2可知，细菌接种量不同，其反应速率不同；由图2还可见，在一定时间后，Cr(Ⅵ)质量浓度呈直线下降，表明反应速率不变。
以反应速率v对细菌接种量作图如图3所示，为一条曲线，而非线性关系，由此可认为Ch-1菌以非化学计量参与该反应。
图3 反应速率与细菌接种量关系曲线
Fig.3 Relationship between reaction rate and bacteria inoculation amounts
2.2 动力学方程的确定
Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)为Cr(Ⅲ)本质上是电化学过程，前期电化学研究表明该反应不可逆，故用下式表示该还原反应：
在初始Cr(Ⅵ)质量浓度分别为716.80，380.74，375.02，184.21和187.66 mg/L，温度为30 ℃、初始pH值为10，细菌接种量为20%的条件下，得到Cr(Ⅵ)浓度—时间的关系曲线如图4所示，分别按零级、一级和二级反应动力学方程式以ct、ln(ct/c0)、(1/ct－1/c0)对时间作图，计算线性相关系数[11]，结果见表3。
ρ(初始Cr(Ⅵ)/(mg?L-1)): 1—716.80; 2—380.74; 3—375.02; 4—184.21; 5—187.66
图4 Cr(Ⅵ)初始质量浓度不同时Cr(Ⅵ)质量浓度随时间变化曲线
Fig.4 Variation curves of Cr(Ⅵ) concentration at different initial Cr(Ⅵ) concentrations
表3 反应级数与相关系数
Table 3 Reaction order and correlative coefficient
由表3数据可知，零级反应线性相关性最好，故
将图2数据进行线性拟合，得到不同细菌接种量条件下的反应速率常数如表4所示。
表4 不同细菌接种量下反应速率常数k0
Table 4 Reaction rate constant k0 at different bacteria inoculation amounts
注：温度为30 ℃，初始pH值为10
2.3 表观活化能的确定
当初始Cr(Ⅵ)质量浓度为380.74 mg/L，初始pH值为10，细菌接种量为20%，温度分别为20，25，30，35和40 ℃时，得到Cr(Ⅵ)浓度—时间的关系曲线如图5所示。计算反应速率常数k，结果如表5所示。
温度/℃: 1—20; 2—25; 3—30; 4—35; 5—40
图5 不同温度下Cr(Ⅵ)质量浓度随时间变化曲线
Fig.5 Variation curves of Cr(Ⅵ) concentration at different temperatures
表5 温度对反应速率常数k的影响
Table 5 Effect of temperature on reaction rate constant
根据阿累尼乌斯方程[12]：
，以
对
作图，得到一条直线，如图6所示，其斜率为-2 314.29，截距为11.61，相关系数r＝0.993 1。计
算表观活化能Ea＝-(-2 314.29×8.314)＝19.24 kJ/mol，
表明该反应属扩散控制。k与温度关系式为：k(T)＝
。
为了进一步确定反应在最佳工艺条件(30 ℃，初始pH 10，细菌接种量20%)下控制步骤的性质，在初
图6 ln k－1/T及其线性拟合图
Fig.6 ln k—1/T and its linear fit line
始Cr(Ⅵ)质量浓度为320 mg/L，分别于摇床和静置状态下反应8 h后，得到Cr(Ⅵ)浓度—时间的关系曲线，如图7所示。
1—摇床反应；2—静置反应
图7 摇床和静置条件下Cr(Ⅵ)质量浓度随时间变化曲线
Fig.7 Variation curves of Cr(Ⅵ) concentration under shaking bed and static condition
由图7可以看出，在摇床反应和静置反应条件下，直线段斜率基本相等，反应速率不变，可进一步判断该还原反应属内扩散控制。
细菌接种量为50%，30%，10%和5%时的活化能由公式
[13]计算。于30 ℃和40 ℃及不同细菌接种量下的Cr(Ⅵ)质量浓度-时间的关系曲线如图8所示。分别求得不同细菌接种量下的表观活化能，结果见表6。
由表6可以看出，随着细菌接种量减少，表观活化能逐渐增加，表明该还原反应逐渐由扩散控制区转
1—5%, 30 ℃; 2—5%, 40 ℃; 3—10%, 30 ℃;
4—10%, 40 ℃; 5—30%, 30 ℃; 6—30%, 40 ℃;
7—50%, 30 ℃; 8—50%, 40 ℃
图8 30 ℃和40 ℃、不同细菌接种量时Cr(Ⅵ)质量浓度随时间变化曲线
Fig.8 Variation curves of Cr(Ⅵ) concentration with different bacteria inoculation amounts at 30 ℃ and 40 ℃
表6 不同细菌接种量下的表观活化能Ea
Table 6 Apparent activation energy of different bacteria inoculation amounts
入混合控制区，当细菌接种量为9%时，转入化学反应控制区。随着细菌量的减少，化学反应速度逐渐减慢，直至最终成为过程控制步骤。
按细菌接种量划分的Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应控制区域图如图9所示，将该图划分为3个区域。由
图9 Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)反应控制区域图
Fig.9 Different controlling ranges of Cr(Ⅵ) reduction by Ch-1 bacteria
图9可见，当细菌接种量小于9%时，属化学反应控制区；当细菌接种量为9%~19%时，属混合控制区；当细菌接种量大于19%时，属扩散控制区。故实际生产时，需控制细菌接种量大于19%，使反应在扩散控制区域进行，反应速率可大大加快。
3 结 论
a.初始pH值为8~10时，Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应速率基本相同，pH＜8和pH＞10时，反应速率逐渐减小。
b. Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应为零级反应，但细 菌接种量减少，反应速率减小，反应表观活化能增大。细菌接种量分别为50%，30%，20%，10%和5% 时，对应的反应速率常数分别为57.521 1，51.630 6， 45.976 4，24.002 5和7.326 5, 其表观活化能分别为6.89，14.75，19.24，33.54和72.52 kJ/mol。
c. 得到了按细菌接种量划分的Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的反应控制区域图。Cr(Ⅵ)的细菌还原反应逐渐由内扩散控制区转入混合控制区，在细菌接种量为9%时，转入化学反应控制区。
d. Ch-1菌还原Cr(Ⅵ)的最佳工艺条件是：温度为30 ℃，pH值为10，细菌接种量为20%。
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收稿日期：2007-03-15；修回日期：2007-05-08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(20477059)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040533048)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-05-0689)
作者简介：柴立元(1966-)，男，江西万年人，教授，博士生导师，从事冶金废水、废渣治理研究
通信作者：柴立元，男，教授，博士生导师；电话：0731-8836921；E-mail: lychai@mail.csu.edu.cn
