基于甘蔗渣生物吸附重金属污染物的研究

王春云　闫新豪　符纯美

摘要：用甘蔗渣作为生物吸附质，研究了甘蔗渣对水中铅铜离子吸附能力及影响因素，探讨了吸附质粒径、pH值、吸附时间和投加量等因素对铅离子和铜离子吸附的影响。结果表明：甘蔗渣吸附两种重金属的适宜粒径应大于140目，适宜pH为4～6，超过7则因氢氧化物沉淀生成而影响吸附；甘蔗渣对两种重金属的吸附很快，1.5h就近乎达到衡；甘蔗渣对铅的吸附性能要优于铜，对铅最大吸附量可以达到41.32mg/g，去除率为91.83%，对铜的最大吸附量可达到30.62mg/g，去除率为68.05%；同时甘蔗渣对铅和铜的竞争吸附实验表明，铅和铜对甘蔗渣上基团的吸附存在竞争使得吸附量相对于正常条件下有较大的降低。关键词：甘蔗渣；生物吸附；重金属离子；吸附率

中图分类号：S 661.1 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2017）01-0061-04

随着全球水污染日趋严重，社会各界都将焦点集中在如何有效解决这一难题。水体污染源主要来源于工业活动，大量的物理化学方法已被用于去除污水中重金属，常用的污染物处理方法有化学沉淀，离子交换，渗透，反渗透，电化学处理，电渗析和活性炭吸附。通过这些方法的比较，吸附法因其成本低，工艺简单且去除率高，对水中无机污染物和有机污染物都有良好的去除效果，已被认为是有望广泛推广的方法。活性炭因其较大的比较面积，良好的吸附能力和热力学性质，在吸附过程中基于活性炭多孔表面化学和孔结构可用于污水吸附处理。但是活性炭由于价格昂贵限制了其污水处理中的应用。

生物質具有吸收（累积）重金属能力作为养分能够在极端环境生存。利用农产品副产物作为生物吸附质去除水中重金属，COD，染料和酚类化合物是一种经济实用的方法。吸附等温线无法提供有关参与吸附现象机理的任何信息。因此，有关机理的推测要结合大量测试数据进行解释。为了研究在理想吸附体系吸附质作用，引进了最适当的吸附平衡的相关性影响因子（如粒径，投加量，吸附时间和pH值），对于吸附参数预测和用于吸附行为下不同的吸附质吸附机制是必要的实验参数。

1 实验部分

1.1 实验仪器与材料

WFX-200火焰原子吸收分光光度计（北分瑞利仪器有限公司；SHZ-82水浴恒温振荡器（金坛市新航仪器厂）；台式离心机（四川蜀科仪器有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱（上海姚氏仪器设备厂）；精密电子天平（上海楚定分析仪器有限公司）；九阳E6T倍多汁榨汁机；市售粉碎机；标准检验筛；实验所用的药品均为分析纯。

甘蔗经榨汁机榨汁后取甘蔗渣用5%硝酸溶液浸泡30min；蒸馏水煮45min，过滤后去离子水多次洗涤滤渣，置于80℃干燥箱中过夜干燥。将干燥后的甘蔗渣粉碎并分别用40、60、80、100、120、140目筛后放入干燥箱保存。

1.2 铅标准溶液和铜标准溶液的配制和测定

分别配制一系列铅标准溶液系列和铜标准溶液（浓度为5，10，20，30，40，50，70μg/mL），用火焰原子吸收分光光度计测量其吸光度值，绘制出标准曲线。为减小试验误差，在探讨各种条件对生物吸附的影响时，都要重新配制标准系列，与试验后的样品溶液在一起进行测定。

1.3 实验方法

取30mL某一浓度全标准溶液于50mL离心管中，用盐酸或氢氧化钠溶液将调节溶液pH值，加入0.20g干燥甘蔗渣样品，在水浴恒温振荡器中震荡2h，然后高速离心机离心5min（转速：5000r/min），试样进行抽滤，滤液稀释测其吸光度值，由标准方程求出其浓度即为原溶液浓度。

1.4 去除率和吸附量的计算

去除率（%），即吸附率R=（C₀-C）/C₀×100%，其中C₀和C分别为吸附前和吸附后铅铜溶液的浓度（μg/mL）。

吸附量（mg/g），Q=（C₀-C）×V/1000×m，其中C₀和C分别为吸附前和吸附后铅铜溶液的浓度（μg/mL）。V表示溶液体积（mL），m为样品干重（g）。

2 结果与讨论

2.1 粒径对甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影响

分别取每一目下所得样品0.20g放入50mL离心管中，再按实验方法进行振荡，离心，抽滤取抽滤液测其吸光度值。以去除率和甘蔗渣样品粒径作图（如图1），如图所示去除率随着样品粒径的减小而提高，粒径大的样品的去除率则比较低。关于粒径对吸附的影响各文献的报道是不一致的，有些文献认为粒径较大有利于吸附，但本实验结果显示：在一定的粒径范围内，较小的粒径比较有利于吸附。经过分析造成这种情况的原因是：生物吸附是一个比较复杂的过程，大量实验表明，物理吸附也是其中的一个重要的机制，样品粒径越小其表面积越大有利于物理吸附。通过对图中数据的观察，同样可以发现，40目～140目之间的去除率差别也并不大，最大差距小于2%，这也表明，物理吸附虽然是生物吸附的一个重要机制，但物理吸附对整个生物吸附过程的贡献率是较低的，虽然粒径对吸附的影响不大，但为了达到较好的去除率，在处理废水时，建议所用样品至少要过100目筛。

2.2 投加量对甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影响

投加量是决定金属离子吸附量的一个重要参数。分别取过140目筛的0.10，0.20，0.30，0.40，0.50，0.60g甘蔗渣样品进行吸附实验，振荡，离心，抽滤取抽滤液测其吸光度值。用去除率和投加量及单位吸附量和投加量作图（图2），随着投加量的增加，铅铜离子的去除率得到不断提高，但吸附质的单位吸附量降低，达平衡浓度时低浓度要比高浓度吸附更多的金属离子。当投加量达到一定量后，继续投加对提高吸附率的贡献便减小了，没有明显的作用了。经过对图的观察和计算可得出去除率和单位质量吸附量的交点在0.20g，综合考虑经济因素和去除效果，最终可以确定投加量为0.20g较为合适。在这个投加量下，保证了甘蔗渣样品可以达到比较理想的单位质量吸附量和去除率。

2.3 吸附时间对甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影响

向50mL离心管中加入过140目筛的甘蔗渣样品0.20g，移取30mL铅标准溶液或铜标准溶液，振荡10min，20min，0.5h，1h，2h，3h，5h，10h，20h，30h，60h后，离心，抽滤，取各管中的抽滤液测其吸光度值。对吸附率和吸附时间做图（如图3），同样的方法可以得到吸附时间甘蔗渣对Cu²⁺的影响。通过对图4的观察发现，甘蔗渣对铅的吸附效率很高，对铜的吸附效率则相对较低。

由图3可见对两种离子去除实验中从10min到1h区间，去除率随着时间的延长而提高，1h之后，延长时间对去除率并无明显改善，去除率基本保持不变。初期去除率较高主要由于金属离子能够快速吸附在甘蔗渣表面微孔，隨着时间延长金属离子进入吸附质微孔传质速度减慢达平衡故去除率并未有显著提高。

2.4 pH值对甘蔗渣吸附Pb²⁺、Cu²⁺的影响

向50mL离心管中加入过140目筛的甘蔗渣样品0.20g和30mL铅标准溶液或铜标准液，铅标准液或铜标准液已经提前用适量的盐酸和氢氧化钠溶液调整到pH为1，2，3，4，5，6，振荡离心抽滤，取其抽滤液测吸光度值。然后对去除率和pH值作图（如图4）。

如图5所示，当pH值在1-4之间去两种离子的去除率随着氢离子浓度减少而增加，当pH值在4～6时去除率基本保持不变，铅离子的最佳去除pH值为6，此时去除率为91.8%。铜离子最佳去除pH值为5，最佳去除率为68.1%。pH值对去除率的影响表现为当氢离子浓度较高时氢离子阻碍金属离子与吸附剂结合，故去除率较低，随着氢离子浓度降低去除率提高并达平衡；当pH值超过7时会产生金属氢氧化物沉淀。

2.5 竞争吸附

对Pb²⁺和Cu²⁺进行等浓度混合，起始浓度分别设为50，100，200，300，400，600，800μg/mL，进行吸附实验，测定甘蔗渣对这两种混合离子的吸附，对单位吸附量和初始浓度作图得图5，图5可以看出单位吸附量呈现显著的下降趋势，尤其是在高浓度范围内下降更为明显，这是因为对于甘蔗渣等生物吸附剂，它们吸附金属离子的主要方式是通过结合位点对金属离子的结合，各种竞争性阳离子都可以都有可能结合到吸附位点上，但可利用的结合位点的数量是有限的，这样竞争的结果是使各种竞争性阳离子与单独离子存在时相比单位吸附量大大降低了。

3 结束语

本实验通过对甘蔗渣对水中铅铜离子吸附能力的研究，探讨了样品粒径，pH值，吸附时间，投加量等因素对甘蔗渣吸附铅离子的影响。本实验中，用0.2g甘蔗渣样品作为吸附剂，在溶液浓度为300mg/L的条件下进行吸附试验。

甘蔗渣吸附两种重金属的适宜粒径为大于140目，适宜pH为4～6，超过7则易产生氢氧化物沉淀。甘蔗渣对两种重金属的吸附很快，5min就近乎达到平衡。甘蔗渣对铅的吸附性能要优于铜，对铅最大吸附量可以达到41.32mg/g，去除率为91.83%。对铜的最大吸附量可达到30.62mg/g，去除率为68.05%。甘蔗渣对铅和铜的吸附等温线均可以用Langmuir方程来表达。同时甘蔗渣对铅和铜的竞争吸附实验表明，铅和铜对甘蔗渣上基团的吸附存在竞争使得吸附量相对于正常条件下有较大的降低。