改性黄曲霉A5P1对染料酸性蓝25的吸附效果与机理研究

郭世琦，覃 雯，李青云，2，唐爱星，2，刘幽燕，2

（1.广西大学化学化工学院，广西南宁 530004；2.广西生物炼制重点实验室，广西南宁 530004）

合成染料是一种广泛应用于纺织、造纸、皮革的有机试剂〔1-2〕。据统计，每年生产的70万t染料中，约有2%～50%的染料随废水直接排放到河流中〔3〕。染料废水阻止光线穿透水体，导致水中植物无法进行正常的光合作用，对水环境造成严重影响〔2〕。染料直接接触人体还会损伤肾脏、肝脏等〔4〕。目前，从废水中完全去除合成染料，仍然是工业废水处理中最具有挑战的任务之一。

去除水中染料的方法包括物理法、化学法和生物法，具体包括好氧和厌氧微生物降解〔5-6〕、吸附〔7〕、膜分离〔8-9〕、化学氧化〔10〕和光催化〔11〕等。其中，吸附法是废水处理中最可靠、用途最广的方法之一。吸附法具有快速去除染料、不会二次生成有毒的中间产物、操作简单、对有毒物质不敏感等特点〔3〕。

大量研究表明，真菌可作为各类污染物吸附剂，是一种良好的生物吸附材料〔12〕。Shuhui LI等〔1〕发现黑曲霉对200 mg/L酸性染料的脱色率达到98%。V.KARTHIK等〔13〕研究发现木霉对210.92 mg/L的活性黑B脱色率可达97.42%。但由于天然吸附材料吸附位点有限，导致其吸附效果较差，一些学者通过改性天然吸附剂提高其吸附效果〔14〕。改性工艺可以通过改变生物质的表面积、孔隙率、pH和表面官能团的量等方式提高吸附能力〔15〕。E.AZIN等〔16〕利用毛霉吸附刚果红染料，经过氢氧化钠处理毛霉，对染料的去除率提高了19%。M.Y.ARıCA等〔17〕研究发现经盐酸处理的真菌吸附剂比天然真菌更亲水，对染料活性红120的吸附作用更大。

黄曲霉A5P1是由本实验室从污染土壤中筛选出来的一株具有较好染料吸附效果的真菌。蒽醌类染料含有蒽醌发色团，是仅次于偶氮染料的第二大类染料，对生物体的毒性也高于偶氮染料〔18〕。酸性蓝25（Acid Blue 25，AB25）是阴离子蒽醌染料的典型代表，常在脱色研究中作为模型化合物〔19〕。本研究拟用天然菌体A5P1和盐酸处理菌体A5P1acid作为吸附剂，探讨其应用于吸附染料AB25的影响因素，并结合动力学、热力学和等温线模型解析其吸附机理，为阴离子染料的高效去除提供一种经济环保的方法。

1 材料与方法

1.1 主要实验材料

酸性蓝25（AB25，纯度45%，上海麦克林生化科技有限公司）；马铃薯葡萄糖琼脂（PDA，分析纯，海博生物技术有限公司）；吐温80（分析纯，北京索莱宝科技有限公司）；酵母提取物（分析纯，北京拜尔迪生物技术有限公司）；蔗糖（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；磷酸二氢钾（KH2PO4，分析纯，成都市克隆化学品有限公司）；七水合硫酸镁（MgSO4·7H2O，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；黄曲霉菌Aspergillus flavusA5P1（CGMCC 4292），由实验室自行筛选并保存于-80 ℃冰箱。

1.2 实验方法

1.2.1 生物吸附剂的制备

基础 培 养 基：蔗 糖 25 g/L、酵 母提取物 1 g/L、KH2PO41 g/L、MgSO4·7H2O 0.5 g/L。用HCl或NaOH调节pH=6，取60 mL分装至250 mL锥形瓶，121 ℃灭菌20 min。

取出-80 ℃保存的菌株A5P1，接种至灭菌后的PDA培养基上（质量浓度为4.6 g/L），30 ℃培养5～7 d。用0.5%的无菌吐温80洗脱孢子传代培养至第3代，4 ℃冰箱保藏备用。在显微镜下对制备的孢子悬液计数，并计算孢子悬浮液含量。以8.6×104mL-1接种量接种孢子液至基础培养基中，30 ℃，150 r/min条件下培养48 h。将真菌培养物抽滤，去离子水清洗两次，高温高压灭活，冷冻干燥，得到天然菌体吸附剂A5P1。将天然菌体吸附剂A5P1转移到0.1 mol/L的HCl溶液中，400 r/min搅拌3 h，用去离子水洗涤至滤液为中性，烘干、研磨、过60目筛，得到盐酸处理菌体吸附剂A5P1acid。

1.2.2 批量吸附实验

研究天然菌体A5P1和盐酸处理菌体A5P1acid对AB25吸附过程中吸附剂用量、pH、初始染料浓度、温度、接触时间对吸附效果的影响。将一定量的吸附剂加入20 mL AB25溶液中，用0.1 mol/L HCl或NaOH调节溶液pH，在水浴条件下以150 r/min的振荡速度进行吸附。间隔一定时间吸取上层清液，离心，用紫外-可见分光光度计测定其吸光度。所有实验均设置3个平行样。

吸附前后AB25浓度采用可见光分光光度计进行检测，最大吸收波长为603 nm，吸附剂对AB25的平衡吸附量（qe，mg/g）和染料去除率（R）〔20〕计算公式见式（1）、式（2）。

式中：C0——染料初始质量浓度，mg/L；

Ce——吸附平衡时染料质量浓度，mg/L；

V——染料溶液体积，L；

m——实验中使用吸附剂质量，g。

1.2.3 循环吸附-解吸实验

取0.01 g A5P1acid加 入20 mL 100 mg/L AB25溶液中，在30 ℃，150 r/min条件下吸附。吸附完成后抽滤，将吸附剂投入20 mL乙醇中解吸至乙醇中染料浓度不再上升。待解析完成后，抽滤，收集吸附剂并烘干。重复此过程对再生的A5P1acid的吸附性能进行多次循环测试。

1.2.4 FTIR、Zeta电位分析

通过傅里叶红外光谱仪分析改性前后及吸附前后吸附剂表面官能团的变化情况。采用Zeta电位测试仪对A5P1acid样品表面电荷性质进行测试。将A5P1acid样品分散在超纯水中，测定不同pH下的Zeta电位。

2 结果与讨论

2.1 吸附性能分析

2.1.1 吸附剂用量对吸附性能的影响

分别称取0.008、0.010、0.012、0.014、0.016 g的A5P1与A5P1acid，加入装有20 mL、初始质量浓度为100 mg/L的AB25染料溶液中，调节pH为2，在温度30 ℃，转速150 r/min条件下进行吸附。图1显示了改性前后不同生物吸附剂用量与染料吸附量和染料去除率之间的关系。

图1 吸附剂用量对吸附AB25性能的影响Fig.1 Effect of adsorbent dosage on adsorption of AB25

由图1可以看出，随着生物吸附剂用量的增加，染料的吸附量逐渐下降。A5P1对AB25的吸附量由166.9 mg/g下降到91.8 mg/g，A5P1acid对AB25的吸附量从200 mg/g下降到113.8 mg/g。随着生物吸附剂量的增加，染料去除率逐渐升高。A5P1对AB25的染料去除率由68.6%升高到75.7%，A5P1acid对AB25的染料去除率由82.5%升高到93.9%。在等量的吸附剂作用下，A5P1acid对AB25去除率高于A5P1。当两种吸附剂用量高于0.5 g/L之后，染料去除率趋于平缓。这可能是由于随吸附剂用量增加，可吸附的位点数量增加，被吸附的染料分子也随之增加。当吸附剂用量继续增加，会出现多余的吸附位点。由于没有更多的AB25可以吸附，染料去除率不再上升。因此，选用0.5 g/L的吸附剂用量作为后续实验条件。

2.1.2 pH对吸附性能的影响

pH是影响吸附剂表面电荷、官能团活性、染料解离等的重要因素之一〔21〕。称取0.01 g吸附剂加入装有20 mL、初始质量浓度为100 mg/L的AB25染料溶液中，调节溶液pH分别至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0（0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液），温度30 ℃，转速150 r/min吸附染料溶液。实验考察了pH对A5P1和A5P1acid两种吸附剂吸附染料效果的影响。在pH=2～9范围内，吸附剂与染料吸附量和染料去除率之间的关系如图2所示。

图2 pH对吸附AB25性能的影响Fig.2 Effect of pH on adsorption of AB25

由图2可知，两种吸附剂对AB25的吸附量随着pH增加而减少。A5P1acid吸附剂的吸附量从184.1 mg/g下降到32.5 mg/g，染料去除率从93.25%下降到16.4%。A5P1吸附剂的吸附量从139.4 mg/g逐步减少为25.6 mg/g，染料去除率也由70.6%下降到12.9%。在pH=3.0条件下，A5P1acid相较于A5P1染料去除率提高了32%。由于电离基团的存在，真菌生物质的表面通常在不同的pH下带电，带正电的生物质和带负电的阴离子染料之间会产生静电吸引力。有研究报道，当pH低于等电点时，溶液中高浓度质子会在吸附剂表面产生强烈的表面正电荷，吸附剂更容易吸附阴离子染料分子〔22〕。随着pH的上升，染料的吸附量和去除率均显著降低，这可能是因为吸附剂表面质子化活性位点发生变化引起的。随着pH的增加，吸附剂表面存在大量的OH-使吸附剂表面上带正电荷的位点去质子化，去质子化吸附剂与阴离子分子之间产生静电排斥削弱了对AB25染料的吸附，导致吸附量和染料去除率显著下降〔3〕。

如图3所示，在pH=2～9范围内，随着pH升高，电位从15.3 mV降低至-18.3 mV。pH=3.87为固体表面上存在净零电荷的pH（pHpzc）〔23〕。在吸附过程中，当溶液pH＞pHpzc时，吸附剂表面去质子化带负电，有利于阳离子染料的吸附，而当pH＜pHpzc时，吸附剂表面存在大量H+，吸附剂质子化程度高，吸附剂带正电，有利于阴离子染料的吸附〔24〕。在本研究中，A5P1acid吸附的最优pH=2.0，低于净零电荷点所在的pH（pHpzc=3.87）。这可能是由于AB25是带负电的阴离子染料，吸附剂A5P1acid在酸性条件下表面带正电，吸附剂和阴离子染料AB25之间存在较强的静电引力。因此，在酸性条件下，吸附剂A5P1acid对染料AB25的吸附能力较好〔25〕。

图3 不同pH下A5P1acid Zeta电位Fig.3 Zeta potential of A5P1acid at different pH

2.1.3 染料初始浓度对吸附性能的影响

称取0.01 g吸附剂加入装有20 mL、初始质量浓度分别为50、100、150、200、300、400、500 mg/L的染料溶液中，调节pH为2，温度30 ℃，转速150 r/min条件下对染料AB25进行吸附，结果如图4所示。当AB25染料初始质量浓度由50 mg/L上升至500 mg/L，吸附剂的吸附量逐渐增加，染料的去除率逐渐下降。当AB25质量浓度上升到300 mg/L时，A5P1对AB25吸附量为373.3 mg/g，A5P1acid吸附量为429.3 mg/g，A5P1acid较A5P1提高了15%。这一结果表明，A5P1acid表面吸附位点较A5P1更丰富，能吸附更多的AB25。当染料质量浓度达到300 mg/L，继续提高染料浓度，两种吸附剂对染料的吸附量均不再增加。在50 mg/L至300 mg/L染料质量浓度下，溶液中的染料与吸附剂之间存在的浓度梯度为克服吸附质和吸附剂之间分子扩散的传质阻力提供了重要的驱动力〔26〕。随着阴离子染料与吸附剂之间碰撞次数的增加，吸附得到增强〔3〕。因此，染料浓度越高，吸附剂吸附量增加。而当染料质量浓度达到300 mg/L时，吸附剂上可结合的位点达到了饱和，染料吸附量不再随着染料质量浓度的上升而增加。当染料初始质量浓度较低时，吸附剂的表面积和吸附结合位点数都很多，染料分子很容易结合到吸附剂表面。而在高质量浓度染料下，染料分子在吸附剂上的吸附位点不足，导致染料的去除率降低〔21〕。

图4 染料初始浓度对吸附AB25性能的影响Fig.4 Effect of initial dye concentration on adsorption of AB25

2.1.4 吸附时间的影响

称取0.01 g吸附剂加入装有20 mL、初始质量浓度为100 mg/L的染料AB25中，调节pH为2，温度30 ℃，转速150 r/min下吸附染料，间隔一定时间取样测定染料浓度，结果如图5所示。在吸附的初始阶段，溶液体系与吸附剂中的染料含量差异较大，吸附剂具有较多的吸附位点，传质动力大，吸附速率快。在吸附后期，吸附剂上吸附位点减少，吸附质与吸附剂间染料的含量差变小，传质动力变小，吸附速率逐渐减慢直至达到吸附平衡。A5P1在120 min达到吸附平衡，A5P1acid在60 min达到吸附平衡。A5P1acid对AB25的吸附量为182 mg/g，A5P1的吸附量为137.7 mg/g，再次证明A5P1acid相比于A5P1有更丰富的吸附位点。

图5 吸附时间对AB25吸附性能的影响Fig.5 Effect of adsorption time on AB25 adsorption

2.2 吸附动力学研究

通过分析吸附过程中的控速步骤和吸附机理，对吸附过程进行准一级和准二级动力学拟合，计算吸附动力学参数。其中，准一级动力学模型表达式见式（3），准二级动力学模型表达式见式（4）〔27〕。

式中：k1——准一级反应速率常数，min-1；

k2——准二级反应速率常数，g（/mg·min）；

qe——吸附平衡时吸附容量，mg/g；

qt——时间t时的吸附容量，mg/g；

t——吸附时间，min。

利用准一级和准二级动力学模型对数据进行线性拟合，并由拟合得到的斜率和截距计算动力学参数，线性拟合如图6所示，动力学参数如表1所示。

表1 吸附动力学模型参数Table 1 Adsorption kinetic model parameters

图6 AB25的吸附动力学拟合曲线Fig.6 Adsorption Kinetic fitting curve of AB25

如表1所示，A5P1acid吸附AB25的准一级反应动力学模型拟合结果的相关系系数R2为0.883，准二级反应动力学模型拟合结果的相关系数R2为0.999。A5P1吸附AB25的准一级反应动力学模型拟合结果的相关系数R2为0.918，准二级反应动力学模型拟合结果的相关度R2为0.998。在准二级反应动力学模型中，A5P1acid对AB25的平衡吸附容量为185.8 mg/g，与实验结果（182 mg/g）更接近。A5P1对AB25的平衡吸附容量为142.4 mg/g，更接近实验值137.7 mg/g。两种吸附剂吸附过程符合准二级动力学模型，吸附受化学吸附机制控制〔28〕。

2.3 吸附等温线

等温线可以确定吸附质在固液两相之间的分布。通过Langmuir和Freundlich模型得到吸附等温线参数，这些参数提供了关于生物吸附剂的吸附机理、表面性质和亲和力的重要信息。Langmuir等温方程表明，吸附分子在固体表面是单层覆盖的，当生物吸附位点被染料分子占据时，不会发生进一步的吸附〔29-30〕。线性形式的Langmuir等温线模型可表示为式（5）。

式中：Ce——吸附平衡时AB25质量浓度，mg/L；

qe——吸附平衡时的吸附容量，mg/g；

qm——最大单分子层吸附量，mg/g；

b——吸附平衡常数，L/mg。

Freundlich吸附等温方程是基于多相不均匀表面上的吸附〔20〕。Freundlich吸附等温模型的线性形式可以用式（6）、式（7）表示。

式中：Cf——吸附平衡时金属离子AB25质量浓度，mg/L；

qe——吸附平衡时的吸附容量，mg/g；

Kf、n——经验常数。

利用Freundlich和Langmuir等温模型对两种吸附剂在30 ℃条件下吸附AB25（50～500 mg/L）的实验数据进行拟合，得到拟合曲线和参数分别如图7和表2所示。

表2 吸附等温线拟合参数Table 2 Fitting parameters of adsorption isotherm

图7 吸附等温线Fig.7 Isothermal adsorption line

由表2可知，Freundlich模型预测两种吸附剂对AB25的吸附过程相关系数R2分别为0.950和0.946，Langmuir模型预测两种吸附剂对AB25的吸附过程相关系数R2仅为0.932和0.853。Freundlich模型能更好地描述AB25吸附过程，表明A5P1acid与A5P1对AB25染料的吸附为多层吸附。1/n值的大小表示吸附的有利程度。若1/n=1，表示吸附是不可逆的，若0＜1/n＜1，表示对吸附过程有利，若1/n＞1，表示对吸附过程不利〔29〕。经计算，1/n均在0～1之间，说明吸附过程有利于对AB25的吸附。这与S.HUSSAIN等〔31〕报道结果相似，甲基橙染料在壳聚糖复合膜的外部吸附也为多层吸附。E.AZIN等〔16〕利用氢氧化钠改性的毛霉对刚果红进行吸附，结果更符合Freundlich吸附。

2.4 吸附热力学

为了进一步阐明吸附过程机理，对吸附过程进行热力学分析，计算得到吸附的热力学参数。其中，热力学参数计算如式（8）、式（9）所示〔32〕。

式中：Kc——吸附平衡常数；

qe——吸附平衡时吸附剂对AB25的吸附容量，mg/g；

Ce——吸附平衡时染料质量浓度，mg/L；

R——气体常数，8.314 J（/mol·K）；

T——温度，K。

若吸附平衡常数与温度呈线性关系，即Kc～T呈线性关系，ΔG、ΔH和ΔS三者的关系可以用Van’t Hoff 方程表达，如式（10）所示。

图8为两种吸附剂在293.15～313.15 K范围内吸附AB25的热力学模型。表3为拟合得到的吸附热力学模型参数。

表3 吸附热力学参数值Table 3 Adsorption thermodynamic parameters

图8 热力学模型Fig.8 Thermodynamic model

从图8可以看出，Van't Hoff方程对A5P1acid和A5P1吸附热力学有较好的拟合结果，R2分别达到了0.97和0.99。由表3可知，A5P1acid吸附AB25过程中ΔH=28.201 kJ/mol，ΔS=0.121 8 kJ/（mol·K），A5P1吸附AB25中ΔH=28.954 kJ/mol，ΔS=0.113 4 kJ/（mol·K）。吉布斯自由能数据表明，两种吸附剂吸附染料的过程为自发过程。ΔG随温度的升高而减小，说明温度越高，吸附的驱动力越大。ΔH＞0，说明吸附AB25是一个吸热过程，与吸附容量随温度升高而增加的规律一致。吸附体系的ΔS＞0，说明吸附过程中固-液界面的随机性增加〔33〕。

2.5 吸附剂循环使用性能

吸附剂的循环使用是评估实际应用可行性的关键因素。吸附剂的循环吸附再解吸是吸附剂稳定性的重要指标。据文献报道，廖雯琪〔34〕对吸附溴甲酚绿的木屑基吸附剂进行解吸，经过6次循环吸附-解吸，吸附容量下降至初始吸附量的70%，具有良好的稳定性和循环能力。此外，祖林鹏等〔35〕对吸附亚甲基蓝的笋壳渣进行解吸，经过5次循环，对染料的去除率由99.5%下降到77.6%。许多生物质吸附剂都具有一定的重用性。

对吸附剂A5P1acid进行了吸附-解吸循环实验，证明吸附剂A5P1acid具有再生能力。随着循环次数的增加，A5P1acid的吸附量逐渐下降，经过7次循环，吸附量从178 mg/g逐渐下降到90 mg/g，吸附剂在第二个循环的吸附能力下降了20.7%，这可能是由于A5P1acid吸附在某些部位的亲和力较强〔34〕，导致难以解吸。随着A5P1acid吸附循环次数的增加，对染料的吸附量降低，这可能是由于解吸剂及解吸过程破坏了生物质结构、吸附过程损耗了部分活性位点、解吸不彻底〔36〕。吸附剂A5P1acid连续循环吸附7次仍保持最初吸附量的50.6%，说明该吸附剂在实际废水处理中具有一定的应用前景。

2.6 FTIR分析

利用FTIR对改性前后及吸附AB25前后的A5P1acid和A5P1进行表征，分析官能团的变化，结果见图9。

图9 吸附剂吸附AB25前后的FTIRFig.9 FTIR of before and after AB25 adsorption

如图9所示，3 300～3 500 cm-1处的谱带对应于键合和非键合—OH和水的伸缩振动〔37〕。2 925、2 854 cm-1处的吸收带为—CH3和—CH2的伸缩振动。1 745、1 656 cm-1处的峰为环烯、酮、醛、和羧酸的C= = C、C= = O、和COO-基 团 的 伸 缩 振 动。1 549～1 533 cm-1处的吸收带为酰胺的N—H变形振动，对应细胞的蛋白质〔22〕。1 376 cm-1处的峰反映了—CH的弯曲振动〔38〕。1 000～1 300 cm-1为C—O的拉伸振动〔25，39〕。经HCl改 性 后3 325 cm-1移 至3 371 cm-1，1 549 cm-1移至1 543 cm-1且峰强度变强，可以更多地与染料中的基团形成氢键。经改性后，620 cm-1附近的峰为蛋白质结构中的C—N—C〔17〕在改性后消失，证明HCl改性破坏了蛋白结构。经改性后，930 cm-1附近酸的O—H面外变形振动峰消失。红外光谱表明，A5P1acid含有几个氢键能力较强的官能团，如COO-、—OH、C= = O等基团，吸附剂表面的官能 团 可 以与AB25的C= = O、S= = O和—NH2基 团形成偶极和氢键相互作用，从而更有效地吸附AB25。

吸附AB25后的红外光谱3 325、1 549 cm-1处的峰分别移至3 386、1 533 cm-1处，2 925、1 656 cm-1处的峰强度显著加强。由此证明染料分子与—OH、N—H、C= = C、C= = O、COO-等基团发生了相互作用。

图10为生物吸附剂与染料分子AB25可能存在的机理。

图10 A5P1acid吸附AB25可能的吸附机理Fig.10 Possible adsorption mechanism of A5P1acid adsorption of AB25

3 结论

本研究以盐酸改性A5P1acid和未改性A5P1作为生物吸附剂，AB25为模型底物，探究了不同吸附条件对吸附AB25效果的影响。结果表明，盐酸改性吸附剂A5P1acid对染料AB25的吸附效果高于未改性吸附剂。通过单因素实验确定了A5P1acid吸附AB25的最佳工艺条件：吸附剂用量为0.5 g/L，pH为2.0，在60 min达到吸附平衡。在AB25初始质量浓度为100 mg/L，体积为20 mL条件下，改性后吸附剂吸附量从137 mg/g提高到了182 mg/g，染料去除率提高了32%。A5P1acid吸附剂对染料AB25的吸附行为更符合准二级动力学模型和Freundlich模型，吸附过程是以化学吸附为控速步骤，属于非均匀表面的多层吸附。吸附过程是熵驱动的，在吸附过程中固-液界面之间的混乱度随温度上升有所增加。在染料初始质量浓度为100 mg/L条件下焓变ΔH为正，说明吸附过程是吸热的。FTIR分析表明，A5P1acid有更多的—OH和N—H，可以与染料形成更多氢键。黄曲霉A5P1acid对AB25的吸附机理主要包括氢键作用和静电作用。经过7次循环吸附解吸仍保留最初吸附量的50.6%。综上，酸改性黄曲霉A5P1acid是一种较好的生物吸附剂，可用于水体中阴离子染料的吸附，为染料废水的处理提供了一个经济环保的方法。