生物吸附剂Bio-matrix去除废水中重金属的研究

陈 灿， 卢欢亮*， 李智辉

(1.广东省环境科学研究院，广东广州 510045；2.广东宝迈森环保科技有限公司，广东东莞 523850)



生物吸附剂Bio-matrix去除废水中重金属的研究

陈 灿1， 卢欢亮1*， 李智辉2

(1.广东省环境科学研究院，广东广州 510045；2.广东宝迈森环保科技有限公司，广东东莞 523850)

摘要[目的]研究生物吸附剂Bio-matrix对常规重金属Cu2+、Ni2+、Cr3+的吸附性能。[方法]考察不同温度、吸附剂投加量、吸附时间、pH对吸附量的影响，并分析了Bio-matrix对Cu2+的等温吸附情况。[结果]Bio-matrix吸附剂对Cu2+的吸附效果优于Ni2+和Cr3+，温度对吸附量影响较小，3 h可达到吸附平衡，单位吸附量随 pH 的升高先增大后减小，在pH 4左右时对重金属的单位吸附量最大，Bio-matrix对Cu2+的吸附等温线与 Freundlich 方程有较好的拟合性，饱和吸附量为19.3 mg/g。[结论]该研究为Bio-matrix作为生物吸附剂去除废水中重金属提供了可行途径。

关键词Bio-matrix吸附剂； 重金属； 等温吸附； 吸附容量

随着社会进步和工业的发展，重金属废水的排放量越来越大。鉴于其对环境的持久污染以及对人体和其他生物的危害，对重金属废水污染进行有效治理成为环境污染治理工作的热点。吸附法因具有来源广泛、选择性高、操作简单等优点，成为重金属废水的一种有效处理方法而被广泛应用[1]。新兴的生物吸附剂越来越受到人们关注，生物吸附是利用生物体及其衍生物来吸附重金属的过程。Yao等[2]研究了栗子壳对Cu2+的吸附效果，结果发现，Langmiur最大吸附量为12.53 mg/g，钱翌等[3]以花生壳为生物吸附剂进行了去除废水中重金属的研究。笔者介绍了一种新型生物吸附剂Bio-matrix，并对其吸附重金属过程的影响因素进行研究，以期为Bio-matrix作为生物吸附剂去除废水中重金属提供了可行途径。

1材料与方法

1.1试验材料Bio-Matrix吸附剂由广东宝迈森环保科技有限公司提供，宏观上是一种黑色粉末状固体(图1)，它能吸附泄露于水体或陆地上的污染物，将其迅速包裹，进而达到稳定化的目的。

图1　Bio-Matrix吸附剂Fig.1　Bio-matrix biosorbent

1.2试验废水试验废水采用分析纯硫酸铜、氯化镍、氯化铬和纯水配制而成。

1.3试验方法

1.3.1吸附性能的影响因素。

1.3.1.1温度对吸附性能的影响。称取1 g吸附剂产品于6只同批次250 mL锥形瓶中，向瓶中加入200 mL初始浓度均为50 mg/L的混合Cu2+、Ni2+、Cr3+溶液，分别置于15、25、35、40、45、50 ℃恒温振荡，4 h后检测剩余重金属浓度，按下式计算单位吸附量。

式中,q为吸附剂产品单位吸附量(mg/g)；C0是重金属起始浓度(mg/L)；Ce是吸附后剩余浓度(mg/L)；V是浓度体积(L)；M是吸附剂产品用量(g)。

1.3.1.2吸附剂投加量对吸附性能的影响。在室温(23±2)℃下，分别称取0.2、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 g吸附剂产品于250 mL锥形瓶中，向瓶中加入200 mL初始浓度均为50 mg/L的混合Cu2+、Ni2+、Cr3+溶液，振荡4 h后检测剩重金属浓度。

1.3.1.3吸附时间对吸附性能的影响。在室温(23±2)℃下，称取0.8 g吸附剂产品于250 mL锥形瓶中，向瓶中加入200 mL初始浓度为50 mg/L的重金属溶液，在振荡器上以200 r/min振荡，分别于0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h取样，检测剩余重金属浓度。

1.3.1.4pH对吸附性能的影响。称取0.8 g吸附剂产品于6只同批次250 mL锥形瓶中，向瓶中加入 200 mL初始浓度均为50 mg/L的混合Cu2+、Ni2+、Cr3+溶液，分别调节pH为1.2、1.6、2.1、3.2、4.3、4.9、6.2,室温振荡反应3 h后计算吸附量。

1.3.2等温吸附试验。分别称取吸附剂产品0.8 g于250 mL锥形瓶中，向每个锥形瓶中加入一定浓度的CuSO4溶液，使溶液中Cu2+浓度分别为20～60 mg/L ，在(23±2)℃下振荡3 h后取样检测。

1.4测定方法采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)检测重金属浓度。

2结果与分析

2.1温度对吸附性能的影响由图2可知，随着温度的增加，重金属吸附量略有变化，但增减幅度不大。Cu2+在15 ℃时吸附量最低为7.5 mg/g,在40 ℃时最高为8.1 mg/g。因此，在实际废水处理中，不需要对废水进行加热或冷却，减少运行成本，后续试验均在室温下进行。

图2　温度对重金属离子吸附量的影响Fig.2　Effects of temperature on the adsorbing capacity of heavy metal ion

2.2吸附剂投加量对吸附性能的影响由图3可知，吸附剂对Cu2+的吸附效果最佳，Ni2+和Cr3+的去除效果相差不大。对于相同浓度的溶液，在投加量为0.8 g时，单位质量产品对Cu2+、Ni2+、 Cr3+的吸附量分别为8.6、3.8、3.6 mg/g，随着吸附剂用量的增加，重金属去除率增大，但吸附剂之间会形成竞争吸附，导致单位吸附量降低，表面活性位点不能充分利用[4]。因此，对于200 mL浓始吸度为50 mg/L重金属溶液而言，结合去除效果和吸附容量，选择吸附剂用量为0.8 g。

图3　吸附剂投加量对吸附性能的影响Fig.3　Effects of dosage on adsorption property

图4　吸附时间对吸附性能的影响Fig.4　Effects of adsorption time on the adsorption property

2.3吸附时间对吸附性能的影响由图4可知，前1.5 h是吸附剂产品吸附重金属离子的主要阶段，吸附速率较快，随着时间的推移，吸附速率逐渐减慢，振荡吸附3.0 h后重金属浓度基本不再降低，达到吸附平衡，吸附速率也趋于平缓。这是由于在吸附初始阶段，溶液浓度梯度较高，产品表面的吸附空位点数目最多，吸附速率最快。随着时间的推移，其表面的吸附空位点越来越少，导致吸附速率降低[5]。吸附剂对Cu2+的吸附效果相对最佳，吸附完成后Cu2+浓度降至18.2 mg/L，而Ni2+和Cr3+浓度分别为33.7和35.2 mg/L。

2.4pH对吸附性能的影响由图5可知，溶液初始pH对Bio-matrix吸附量有较大影响，pH<2.0时，吸附剂对三者的吸附效果很差，这是因为此时溶液中H+浓度较高，会与重金属离子竞争吸附剂表面的活性位点，降低吸附剂与重金属的结合能力。当pH从1.6增大到4.3的过程中，Cu2+、Ni2+、Cr3+单位吸附量随着pH的增大显著增加，分别由0.9、0.2、0.3 mg/g增大至12.4、5.9、8.8 mg/g，而当pH继续增加时吸附量反而降低，故选择pH 4左右为最佳条件。

图5　pH对重金属离子吸附量的影响Fig.5　Effects of pH on adsorbing capacity of heavy metal ion

2.5吸附剂对Cu2+的等温吸附试验通过对不同浓度的Cu2+溶液进行等温吸附试验，测试吸附平衡后相应Cu2+浓度，所得数据换算成吸附量。初始浓度Co分别为20、30、40、50、60 mg/L时,Ce为2.8、4.7、9.7、17.1、23.8 mg/L,qe为4.3、6.3、7.6、8.2和9.0 mg/g。对试验结果采用经典的Langmuir吸附等温式和Freundlich吸附等温式[6]进行线性拟合，并计算相关参数，结果Langumuir:qm19.3 mg/g,KL0.049,R2=0.988,Freundlich:1/n=0.66,KF=1.14,R2=0.992。吸附等温线见图6、7。

图6　吸附剂对Cu2+的 Langumuir 吸附等温线Fig.6　Langumuir adsorption isotherm of biosorbent to copper ion

图7　吸附剂对Cu2+的Freundlich 吸附等温线Fig.7　Freundlich adsorption isotherm of biosorbent to copper ion

由图6、7可知，Bio-matrix吸附剂对 Cu2+的吸附等温线与 Freundlich 方程有较好的拟合性，相关系数R2大于 0.99，而Langumuir 方程对 Cu2+的吸附等温线的拟合度稍差。由此可以推论吸附剂表面对 Cu2+的吸附不是单层吸附，可能是不均匀表面的多层吸附模式，饱和吸附量约为19.3 mg/g。

3结论

(1) 生物吸附剂Bio-matrix处理200 mL初始浓度均为50 mg/L的Cu2+、Ni2+、Cr3+混合重金属废水，吸附剂最佳用量为0.8 g，3 h可达到吸附平衡，且Bio-matrix对混合废水中Cu2+的吸附量高于Ni2+和Cr3+。

(2) 废水pH对Bio-matrix吸附效果影响较大，在pH4左右时对重金属的单位吸附量最大，温度对吸附基本无影响。

(3) 生物吸附剂Bio-matrix对Cu2+的吸附符合Freundlich等温吸附模式，在室温条件下，饱和吸附容量为19.3 mg/g。

参考文献

[1] 崔志新, 任庆凯, 艾胜书, 等.重金属废水处理及回收的研究进展[J].环境科学与技术, 2010, 33(12F): 375-377.

[2] YAO Z Y, QI J H, WANG L H.Equilibrium, kinetic and thermodynamic studies on the biosorption of Cu(Ⅱ)onto chestnut shell[J].Journal of hazardous materials, 2010, 174(1/2/3): 12-19.

[3] 钱翌, 刘依, 褚衍洋.以花生壳为生物吸附剂去除水中重金属的研究进展[J].中国农学通报, 2013，29(35):293-299.

[4] SUN Q,YANG L.The adsorption of basic dyes from aqueous solution on modified peat-resin particle[J].Water Res,2003, 37(7): 1535-1544.

[5] 栾兆坤, 汤鸿霄.尾矿砂颗粒表面特征与吸附作用研究:Ⅱ.尾矿砂对重金属的吸附作用[J].环境科学, 1993, 12(5):356-364.

[6] 罗仙平, 李健昌, 严群, 等.处理低浓度氨氮废水吸附材料的筛选[J].化工学报，2010, 61(1): 216-221.

基金项目环保公益性行业科研专项(201509037);广东省科技计划项目(2015B020215009);广州市科技计划项目(201508030028)。

作者简介陈灿(1990- )，女，湖北仙桃人，工程师，硕士，从事环境工程材料制备与应用研究。*通讯作者，教授级高工，博士，从事环境工程新技术研发及其推广应用研究。

收稿日期2016-04-25

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)14-052-03

Heavy Metal Removal by Bio-matrix Biosorbent

CHEN Can1, LU Huan-liang1*, LI Zhi-hui2

(1.Guangdong Provincial Academy of Environmental Science, Guangzhou, Guangdong 510045; 2.Guangdong Baomaisen Environmental Science and Technology Co., Ltd., Dongwan, Guangdong 523850)

Abstract[Objective] To research the adsorption performance of biosorbent Bio-matrix on conventional heavy metal Cu2+, Ni2+and Cr3+.[Method] Effects of pH, temperature, biosorbent dosage and adsorption time on adsorbing capacity were researched, isothermal adsorption of Bio-matrix to Cu2+was analyzed.[Result] Bio-matrix had better adsorption effects to Cu2+than Ni2+and Cr3+.Unit adsorption capacity firstly enhanced and then decreased with pH, and reached the maximum at pH 4.The adsorption isotherm of Cu2+had better fitting with the Freundlich equation, and the saturated adsorption capacity was 19.3 mg/g.[Conclusion] This research provides feasible way for the heavy metal removal by Bio-matrix biosorbent.

Key wordsBio-matrix biosorbent; Heavy metal; Isothermal adsorption; Adsorption capacity