基于甘蔗渣生物吸附重金屬污染物的研究

王春云　閆新豪　符純美

摘要：用甘蔗渣作為生物吸附質，研究了甘蔗渣對水中鉛銅離子吸附能力及影響因素，探討了吸附質粒徑、pH值、吸附時間和投加量等因素對鉛離子和銅離子吸附的影響。結果表明：甘蔗渣吸附兩種重金屬的適宜粒徑應大于140目，適宜pH為4～6，超過7則因氫氧化物沉淀生成而影響吸附；甘蔗渣對兩種重金屬的吸附很快，1.5h就近乎達到衡；甘蔗渣對鉛的吸附性能要優于銅，對鉛最大吸附量可以達到41.32mg/g，去除率為91.83%，對銅的最大吸附量可達到30.62mg/g，去除率為68.05%；同時甘蔗渣對鉛和銅的競爭吸附實驗表明，鉛和銅對甘蔗渣上基團的吸附存在競爭使得吸附量相對于正常條件下有較大的降低。關鍵詞：甘蔗渣；生物吸附；重金屬離子；吸附率

中圖分類號：S 661.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0061-04

隨著全球水污染日趨嚴重，社會各界都將焦點集中在如何有效解決這一難題。水體污染源主要來源于工業活動，大量的物理化學方法已被用于去除污水中重金屬，常用的污染物處理方法有化學沉淀，離子交換，滲透，反滲透，電化學處理，電滲析和活性炭吸附。通過這些方法的比較，吸附法因其成本低，工藝簡單且去除率高，對水中無機污染物和有機污染物都有良好的去除效果，已被認為是有望廣泛推廣的方法。活性炭因其較大的比較面積，良好的吸附能力和熱力學性質，在吸附過程中基于活性炭多孔表面化學和孔結構可用于污水吸附處理。但是活性炭由于價格昂貴限制了其污水處理中的應用。

生物質具有吸收（累積）重金屬能力作為養分能夠在極端環境生存。利用農產品副產物作為生物吸附質去除水中重金屬，COD，染料和酚類化合物是一種經濟實用的方法。吸附等溫線無法提供有關參與吸附現象機理的任何信息。因此，有關機理的推測要結合大量測試數據進行解釋。為了研究在理想吸附體系吸附質作用，引進了最適當的吸附平衡的相關性影響因子（如粒徑，投加量，吸附時間和pH值），對于吸附參數預測和用于吸附行為下不同的吸附質吸附機制是必要的實驗參數。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與材料

WFX-200火焰原子吸收分光光度計（北分瑞利儀器有限公司；SHZ-82水浴恒溫振蕩器（金壇市新航儀器廠）；臺式離心機（四川蜀科儀器有限公司）；電熱恒溫鼓風干燥箱（上海姚氏儀器設備廠）；精密電子天平（上海楚定分析儀器有限公司）；九陽E6T倍多汁榨汁機；市售粉碎機；標準檢驗篩；實驗所用的藥品均為分析純。

甘蔗經榨汁機榨汁后取甘蔗渣用5%硝酸溶液浸泡30min；蒸餾水煮45min，過濾后去離子水多次洗滌濾渣，置于80℃干燥箱中過夜干燥。將干燥后的甘蔗渣粉碎并分別用40、60、80、100、120、140目篩后放入干燥箱保存。

1.2 鉛標準溶液和銅標準溶液的配制和測定

分別配制一系列鉛標準溶液系列和銅標準溶液（濃度為5，10，20，30，40，50，70μg/mL），用火焰原子吸收分光光度計測量其吸光度值，繪制出標準曲線。為減小試驗誤差，在探討各種條件對生物吸附的影響時，都要重新配制標準系列，與試驗后的樣品溶液在一起進行測定。

1.3 實驗方法

取30mL某一濃度全標準溶液于50mL離心管中，用鹽酸或氫氧化鈉溶液將調節溶液pH值，加入0.20g干燥甘蔗渣樣品，在水浴恒溫振蕩器中震蕩2h，然后高速離心機離心5min（轉速：5000r/min），試樣進行抽濾，濾液稀釋測其吸光度值，由標準方程求出其濃度即為原溶液濃度。

1.4 去除率和吸附量的計算

去除率（%），即吸附率R=（C₀-C）/C₀×100%，其中C₀和C分別為吸附前和吸附后鉛銅溶液的濃度（μg/mL）。

吸附量（mg/g），Q=（C₀-C）×V/1000×m，其中C₀和C分別為吸附前和吸附后鉛銅溶液的濃度（μg/mL）。V表示溶液體積（mL），m為樣品干重（g）。

2 結果與討論

2.1 粒徑對甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影響

分別取每一目下所得樣品0.20g放入50mL離心管中，再按實驗方法進行振蕩，離心，抽濾取抽濾液測其吸光度值。以去除率和甘蔗渣樣品粒徑作圖（如圖1），如圖所示去除率隨著樣品粒徑的減小而提高，粒徑大的樣品的去除率則比較低。關于粒徑對吸附的影響各文獻的報道是不一致的，有些文獻認為粒徑較大有利于吸附，但本實驗結果顯示：在一定的粒徑范圍內，較小的粒徑比較有利于吸附。經過分析造成這種情況的原因是：生物吸附是一個比較復雜的過程，大量實驗表明，物理吸附也是其中的一個重要的機制，樣品粒徑越小其表面積越大有利于物理吸附。通過對圖中數據的觀察，同樣可以發現，40目～140目之間的去除率差別也并不大，最大差距小于2%，這也表明，物理吸附雖然是生物吸附的一個重要機制，但物理吸附對整個生物吸附過程的貢獻率是較低的，雖然粒徑對吸附的影響不大，但為了達到較好的去除率，在處理廢水時，建議所用樣品至少要過100目篩。

2.2 投加量對甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影響

投加量是決定金屬離子吸附量的一個重要參數。分別取過140目篩的0.10，0.20，0.30，0.40，0.50，0.60g甘蔗渣樣品進行吸附實驗，振蕩，離心，抽濾取抽濾液測其吸光度值。用去除率和投加量及單位吸附量和投加量作圖（圖2），隨著投加量的增加，鉛銅離子的去除率得到不斷提高，但吸附質的單位吸附量降低，達平衡濃度時低濃度要比高濃度吸附更多的金屬離子。當投加量達到一定量后，繼續投加對提高吸附率的貢獻便減小了，沒有明顯的作用了。經過對圖的觀察和計算可得出去除率和單位質量吸附量的交點在0.20g，綜合考慮經濟因素和去除效果，最終可以確定投加量為0.20g較為合適。在這個投加量下，保證了甘蔗渣樣品可以達到比較理想的單位質量吸附量和去除率。

2.3 吸附時間對甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影響

向50mL離心管中加入過140目篩的甘蔗渣樣品0.20g，移取30mL鉛標準溶液或銅標準溶液，振蕩10min，20min，0.5h，1h，2h，3h，5h，10h，20h，30h，60h后，離心，抽濾，取各管中的抽濾液測其吸光度值。對吸附率和吸附時間做圖（如圖3），同樣的方法可以得到吸附時間甘蔗渣對Cu²⁺的影響。通過對圖4的觀察發現，甘蔗渣對鉛的吸附效率很高，對銅的吸附效率則相對較低。

由圖3可見對兩種離子去除實驗中從10min到1h區間，去除率隨著時間的延長而提高，1h之后，延長時間對去除率并無明顯改善，去除率基本保持不變。初期去除率較高主要由于金屬離子能夠快速吸附在甘蔗渣表面微孔，隨著時間延長金屬離子進入吸附質微孔傳質速度減慢達平衡故去除率并未有顯著提高。

2.4 pH值對甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影響

向50mL離心管中加入過140目篩的甘蔗渣樣品0.20g和30mL鉛標準溶液或銅標準液，鉛標準液或銅標準液已經提前用適量的鹽酸和氫氧化鈉溶液調整到pH為1，2，3，4，5，6，振蕩離心抽濾，取其抽濾液測吸光度值。然后對去除率和pH值作圖（如圖4）。

如圖5所示，當pH值在1-4之間去兩種離子的去除率隨著氫離子濃度減少而增加，當pH值在4～6時去除率基本保持不變，鉛離子的最佳去除pH值為6，此時去除率為91.8%。銅離子最佳去除pH值為5，最佳去除率為68.1%。pH值對去除率的影響表現為當氫離子濃度較高時氫離子阻礙金屬離子與吸附劑結合，故去除率較低，隨著氫離子濃度降低去除率提高并達平衡；當pH值超過7時會產生金屬氫氧化物沉淀。

2.5 競爭吸附

對Pb²⁺和Cu²⁺進行等濃度混合，起始濃度分別設為50，100，200，300，400，600，800μg/mL，進行吸附實驗，測定甘蔗渣對這兩種混合離子的吸附，對單位吸附量和初始濃度作圖得圖5，圖5可以看出單位吸附量呈現顯著的下降趨勢，尤其是在高濃度范圍內下降更為明顯，這是因為對于甘蔗渣等生物吸附劑，它們吸附金屬離子的主要方式是通過結合位點對金屬離子的結合，各種競爭性陽離子都可以都有可能結合到吸附位點上，但可利用的結合位點的數量是有限的，這樣競爭的結果是使各種競爭性陽離子與單獨離子存在時相比單位吸附量大大降低了。

3 結束語

本實驗通過對甘蔗渣對水中鉛銅離子吸附能力的研究，探討了樣品粒徑，pH值，吸附時間，投加量等因素對甘蔗渣吸附鉛離子的影響。本實驗中，用0.2g甘蔗渣樣品作為吸附劑，在溶液濃度為300mg/L的條件下進行吸附試驗。

甘蔗渣吸附兩種重金屬的適宜粒徑為大于140目，適宜pH為4～6，超過7則易產生氫氧化物沉淀。甘蔗渣對兩種重金屬的吸附很快，5min就近乎達到平衡。甘蔗渣對鉛的吸附性能要優于銅，對鉛最大吸附量可以達到41.32mg/g，去除率為91.83%。對銅的最大吸附量可達到30.62mg/g，去除率為68.05%。甘蔗渣對鉛和銅的吸附等溫線均可以用Langmuir方程來表達。同時甘蔗渣對鉛和銅的競爭吸附實驗表明，鉛和銅對甘蔗渣上基團的吸附存在競爭使得吸附量相對于正常條件下有較大的降低。