水葫蘆生物質對重金屬競爭吸附機制分析

龍俊霞

（鄭州師范學院，河南 鄭州 450000）

在化工、采礦、冶煉等行業的迅速發展下，加之各類化肥農藥的大量使用以及不合理堆放、填埋問題的影響，導致大量重金屬進入到水體中，給環境與人體健康造成了極為負面的影響。水葫蘆（Water Hyacinth）俗稱水鳳仙、水荷花，為多年生漂浮性草本植物，原產自南美，從上世紀30 年代引入我國，在華東、華中和華南地區有廣泛分布，水葫蘆在多種生態環境中存在，包括湖泊、水庫、溝渠、池湯、河道、沼澤等，水葫蘆的抗病性強、耐肥力高，是公認的生物入侵物種。水葫蘆最早作為豬飼料被引入我國，后來迅速繁殖，是引起水質惡化、水路運輸受阻、水生生物減少的重要誘因之一。生物炭是一種生物有機材料，可作為土壤改良劑、還原劑、二氧化碳封存劑，也是一種高品質能源，當前，生物炭在重金屬吸附、水體凈化、固碳減排、土壤改良中，得到了廣泛應用，生物炭來源多樣，材料廣泛。如今，生物炭已經引起了學界的廣泛關注，水葫蘆繁殖迅速、數量大，還缺乏行之有效的處理方式，對此，研究人員嘗試將水葫蘆生物質制作為生物炭，這對重金屬競爭吸附具有一定的作用。

1 生物炭重金屬競爭吸附的影響因素

生物炭是采用廢棄生物質，在缺氧、無氧環境下制造而成的固態產物，有著表面含氧官能團豐富、比表面積大、孔隙結構好的特征，能夠減小重金屬生物有效性。其理化特性會受到生物質類型、制備條件等因素的影響。

1.1 生物質種類影響

生物質種類對于制作而成的生物炭理化作用、元素組成，均有直接影響。Xu[1]等，針對農作物秸稈炭制作的生物炭吸附作用進行了研究，結果顯示，花生秸稈炭在Cu(II)的吸附效果上，優于油菜秸稈炭。研究顯示，采用硬木制備而成的生物炭，對于土壤中的Pb、Cd 均有一定的吸附作用，但是，對于As、Cu的吸附效果并不好。因此，生物炭種類不同，對于各類重金屬的吸附效果也存在差異。

1.2 熱解溫度的影響

熱解溫度對于生物炭的理化特征也有重要影響，既會對其成分含量、產率產生影響，也直接影響生物炭PH 值、孔隙結構。Chen[2]的研究顯示，隨著熱解溫度的提升，松針炭的比表面積也不斷增加。

1.3 添加量的影響

添加量也是影響吸附效果的一個因素之一。Jiang[3]等針對稻草秸稈炭的添加進行了一個月的實驗，結果顯示，在添加量的增加下，吸附效果逐步增強。還有研究人員針對芒草秸稈炭對土壤中Cd、Pb 的吸附進行了研究，結果顯示，在添加量為10% 的比例下，吸附效果更優。綜合來看，增加施加量，可優化吸附能力，但是，施加量不宜過大，過量施加會增加成本，也會影響生態循環。

2 不同水葫蘆生物質對重金屬競爭吸附機制分析

水葫蘆的繁殖能力、生命力強，在多年前，就應用在污染修復中，水葫蘆對于水土中的重金屬具有良好的凈化效果，且耐性高，因此，將水葫蘆制作成不同形式的生物質來吸附水土污染物也是當前的研究熱點。

水葫蘆干粉的吸附機制：目前，水葫蘆干粉制作技術已經成熟，被廣泛用于水體治理。有研究人員在對水葫蘆干燥處理后，將其打成細粉，針對水體中的Cu、Cd 來進行處理，實驗結果顯示，在溫度30℃、pH 值為5 的條件下，水葫蘆干粉的吸附效果更佳，對于Cd 的吸附效果優于Cu。還有研究人員采用水葫蘆干粉來處理水體中的Cu、Cr，實驗結果顯示，在pH值介于5、6 時，吸附反應最佳，對于Cu、Cr 吸附容量分別為32.5mg/g、33.9mg/d。根據FTIR 光譜儀分析顯示，在水葫蘆干粉中，-COOH、-OH 官能團在其中起著主要作用。在干粉進入污染水體后，會釋放出大量的K+、Mg2+、Ca2+，與重金屬離子進行離子交換，從而達到吸附效果，對于不同類型的重金屬離子，吸附大小不同。

隨著技術的成熟，水葫蘆干粉改性研究也取得了顯著成果，有研究人員采用二氧化硫對水葫蘆干粉來做出改性處理，結果顯示，改性完畢后，其吸附能力得到顯著增強，最大吸附量得以提升。其主要原因是由于水葫蘆中有豐富的纖維素，經過改性處理，可以改變干粉表面形態，使其表面變得疏松、粗糙，繼而提升其吸附能力。

水葫蘆纖維素提取物的吸附機制：在水葫蘆中，纖維素含量豐富，其中有多個羧基基團，這是一種多毛細管、纖維狀，聚合物，比表面積大、孔隙多，利用水葫蘆的這一特征，利用化學改性法可以制作出水葫蘆纖維素提取物。相較于油菜、玉米秸稈，采用同樣工藝制造而成的纖維素，水葫蘆纖維素的吸附效果更好。究其原因，是由于水葫蘆機械強度等物理性能更好，其中的纖維素多為非晶態纖維素，化學活性非常好，通過改性后，纖維素有效成分含量較高，對重金屬的吸附能力、吸附速率也更好。

水葫蘆生物炭對重金屬的競爭吸附機制：水葫蘆中有豐富的-OH、-COO- 官能團與纖維素，但其生物量大、繁殖速度快、不易保存，將其制作為生物炭，不僅可以提升資源利用率，也可以減少水葫蘆對水體造成的污染。有研究人員分別針對200℃、300℃、400℃、500℃環境下水葫蘆生物炭對重金屬離子的吸附作用進行了研究，實踐顯示，在500℃環境下，水葫蘆生物炭的吸附效果更好，其吸附量為Cu ＞Zn ＞Cd ＞Pb，水葫蘆生物炭能夠將環境污染轉化為清潔技術，與廢棄物資源利用的要求相一致。從競爭吸附機制來看，Mahamadi[4]等針對水葫蘆生物炭對于Cd、Pb、Zn 在三元復合體系、二元復合體系中的競爭吸附進行了研究，研究顯示，Cd、Pb、Zn有拮抗作用。有研究人員針對水葫蘆生物炭對于Cd、Cu 單一組分、二元復合體系的吸附競爭機制進行了分析，并采用PSO 來預測擬合參數，結果顯示，水葫蘆生物炭對于Cd、Cu都有良好的親和力，對于某種重金屬離子的親和性，會受到其他重金屬離子影響，表現出拮抗效果。在二元復合體系中，Cu會對Cd 產生抑制作用，現有的研究顯示，水葫蘆生物炭對于Cu 具有更強的親和性，是由于Cu 在競爭體系中，占據優勢。

3 結語

將水葫蘆通過加工處理制作成吸附性強的生物質，不僅解決了水葫蘆造成的水體污染，對于重金屬離子，也具有良好的吸附作用。而水葫蘆生物體的部位不同、處理措施不同，對于重金屬的吸附效果也存在差異。目前，關于水葫蘆生物質對重金屬競爭吸附機制，還沒有完全探究清楚，在下一階段，需要針對不同復合體系中的競爭吸附關系進行深入研究，以充分發揮出水葫蘆生物質的吸附作用。