黑曲霉對模擬廢水中汞的吸附

李盼盼， 臧淑艷， 袁 博， 王 娟， 姜 雷

(沈陽化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽110142)

含汞廢水是一種對環(huán)境污染最嚴(yán)重的工業(yè)廢水之一，其主要來源于化工、冶金、機械等工業(yè)所排出的廢水，其中氯堿工業(yè)、塑料工業(yè)、電子工業(yè)、混汞煉金生產(chǎn)排放的廢水是水體中汞的主要污染來源.排入水體中的汞及其化合物，經(jīng)物理、化學(xué)及生物作用形成各種形態(tài)的汞，甚至?xí)D(zhuǎn)化成毒性很大的甲基類化合物［1－2］.1953年發(fā)生在日本的水俁病就是由化工廠排放的氯化甲基汞污染水域造成的.

目前，處理含汞廢水的方法主要有沉淀法、離子樹脂交換法、電解法、活性炭吸附法、反滲透法、電滲析法等，這些方法在某種程度上取得了一定的效果，但也普遍存在著二次污染、成本高、處理效果不夠理想，特別是對低汞濃度廢水存在難以處理等問題［3］.與傳統(tǒng)技術(shù)相比，微生物吸附法具有以下優(yōu)點:(1)投資少，運行費用低，無二次污染;(2)處理效率高，且在低濃度下，金屬可以被選擇性地去除;(3)酸度和溫度條件范圍寬［4］.當(dāng)前所研究的微生物吸附劑主要是指細菌、真菌和藻類.尹平河等［5］利用海藻去除溶液中重金屬離子的效率達90%，馮易君［6］利用FT菌對鈾的富集率可達99%，鄧旭等［7］利用工程菌有效去除了電解廢水中的汞離子.黑曲霉是常見的微生物資源，來源豐富，易于培養(yǎng)，如果能利用該類微生物來處理廢水將會大大節(jié)約成本.文獻［8－10］曾報道了黑曲霉對重金屬尤其是對汞具有較高的耐受和去除能力.因此，本實驗選用黑曲霉作為真菌吸附劑，對廢水中Hg(Ⅱ)的吸附進行探討.

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

氯化汞，分析純，姜堰市環(huán)球試劑廠;氯化亞錫，分析純，沈陽力誠試劑廠;氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠;質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%鹽酸，分析純，北京化工廠.

1.2 實驗儀器

SG-921型雙光數(shù)顯測汞儀，江蘇江分電分析儀器有限公司;FT-IR470型紅外光譜儀，美國Nicolet公司;HZQ-C雙層氣浴振蕩器，金壇市杰瑞爾電器有限公司;HPX-9052 MBE數(shù)顯電熱培養(yǎng)箱，上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;SWCJ-1D(1G)型單人凈化工作臺，蘇州凈化設(shè)備有限公司.

為了消除玻璃儀器壁對吸附實驗的干擾，所用玻璃儀器經(jīng)洗滌后，均用稀鹽酸浸泡1 h，洗凈，烘干備用.

1.3 菌種來源

研究選用的黑曲霉來自中國科學(xué)院生態(tài)研究所.

1.4 吸附劑的制備

黑曲霉真菌采用土豆培養(yǎng)基，pH值為自然的pH值.接菌后的斜面在培養(yǎng)箱中28～30℃培養(yǎng)5～7 d，備用;接菌后的培養(yǎng)基液體在搖床中28～30℃、150 r/min培養(yǎng)24～48 h，過濾，備用.

1.5 吸附實驗

準(zhǔn)確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL于250 mL的錐形瓶中，調(diào)至一定的pH值，每瓶分別加入一定量的黑曲霉?jié)窬?，置于氣浴震蕩器中，投入吸附劑即開始震蕩計時，一定時間后離心(以5 000 r/min的速度離心10 min)取樣.

每組實驗平行5次，取其平均值.

1.6 FTIR實驗

將吸附了Hg(Ⅱ)前后的黑曲霉干燥后，壓成圓片，用FTIR進行分析，波數(shù)范圍為400～4 000 cm－1，分辨率為4 cm－1.

1.7 分析方法

Hg(Ⅱ)濃度采用冷原子熒光光譜法分析.

1.8 計算公式

式中，ρ0為重金屬溶液初始質(zhì)量濃度;ρe為溶液中重金屬的最終質(zhì)量濃度;ρt為某一時刻重金屬質(zhì)量濃度;V為溶液體積;m為吸附劑干質(zhì)量;Y為吸附率;Qe為吸附量;Qt為某一時刻吸附量.

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對吸附的影響

準(zhǔn)確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL于250 mL的錐形瓶中，調(diào)至不同的pH值(pH= 5、6、6.5、7、7.5)，每瓶分別加入體積分?jǐn)?shù)為10 %的黑曲霉?jié)窬?，置于氣浴震蕩器中，投入吸附劑即開始震蕩計時，1 h后離心(以5 000 r/min的速度離心10 min)取樣.

采用不同pH值的Hg(Ⅱ)溶液來檢驗pH值對黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)的影響，研究范圍為pH =5.0～7.5，其研究結(jié)果見圖1.由圖1可知:pH值達到6.5之前，隨著溶液pH值的增大，吸附量也增大;當(dāng)溶液pH值大于6.5時，則隨著pH值增大，吸附量減小.pH值較小時溶液呈酸性，細胞壁的活性減小，細胞壁的連接基團會被水合氫離子所占據(jù)，Hg(Ⅱ)離子靠近吸附劑的阻力增加;pH值較高并且超過Hg(Ⅱ)離子微沉淀的上限時，Hg(Ⅱ)離子以氫氧化物微粒的形式存在，而且黑曲霉細胞上的表面電荷將變成負(fù)電荷，從而使得吸附量減小，類似這樣的解釋在文獻［11］中也有報道.

2.2 吸附劑用量對吸附的影響

圖1 pH值對黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)的影響Fig.1 Effects of pH on Hg(Ⅱ)removal by Aspergillus niger

準(zhǔn)確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL，調(diào)節(jié)pH值至6.5，分別加入不同體積分?jǐn)?shù)的黑曲霉?jié)窬?1%、5%、10%、15%、20%)，置于振蕩器中開始計時，1 h后離心取樣.其結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出:在一定范圍內(nèi)，隨著投加量的增加去除率呈上升趨勢，而后隨著吸附劑用量的增加，去除率變化不大，從經(jīng)濟學(xué)角度考慮，選用體積分?jǐn)?shù)為10%的吸附劑較為合適.

圖2 黑曲霉用量對吸附率的影響Fig.2 Effect of quantity of Aspergillus niger on the adsorption rate

2.3 吸附動力學(xué)實驗

2.3.1 時間對吸附的影響

準(zhǔn)確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL，調(diào)節(jié)pH值至6.5，加入體積分?jǐn)?shù)為10%的黑曲霉?jié)窬?，置于振蕩器中開始計時，一定時間(10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、4 h、12 h、24 h)離心取樣.

從圖3可以看出:隨著時間的增加，吸附率增加，前20 min吸附速率較快，1 h之后趨于平緩，此時可認(rèn)為吸附基本達到平衡;吸附量(圖4)變化趨勢同吸附率.這可以用黑曲霉吸附重金屬的兩階段理論來解釋:當(dāng)黑曲霉暴露于Hg(Ⅱ)的溶液中時，首先與它接觸的是它的細胞壁，其細胞壁上的各種活性基團與Hg(Ⅱ)的配位絡(luò)合吸附在短時間內(nèi)完成，此為第一階段的表面快速吸附;隨著吸附量的增加，細胞壁對Hg(Ⅱ)的吸附逐漸達到飽和，細胞壁上吸附的Hg(Ⅱ)離子產(chǎn)生的斥力增強，游離的離子進一步進入到細胞內(nèi)的阻力增大，因此，要達到吸附飽和需要的時間比較長，此是第二階段的慢速重金屬積累.

圖3 時間對吸附率的影響Fig.3 Effect of time on the adsorption rate of Hg(Ⅱ)

2.3.2 吸附動力學(xué)方程模擬

將動力學(xué)數(shù)據(jù)用準(zhǔn)一級動力學(xué)方程、準(zhǔn)二級動力學(xué)方程和Elovich方程進行擬合，結(jié)果見表1.

表1 黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)的動力學(xué)方程擬合Table 1 The fitting of dynamic equation of Hg(Ⅱ)adsorption on Aspergillus niger

動力學(xué)方程擬合(表1)結(jié)果表明:準(zhǔn)一級動力學(xué)方程和Elovich方程不能很好地描述汞在黑曲霉上的整體動力學(xué)(相關(guān)度R2＜0.5)，而準(zhǔn)二級動力學(xué)方程可以較好地擬合動力學(xué)吸附過程，相關(guān)度R2＞0.999.

2.4 初始汞質(zhì)量濃度對吸附的影響及等溫吸附模型模擬

配制不同質(zhì)量濃度的含Hg(Ⅱ)廢水，在pH為6.5的條件下，將5 g濕菌加入到50 mL不同質(zhì)量濃度的廢水中，進行震蕩吸附，1 h后取樣，其吸附率Y和平衡質(zhì)量濃度ρe的關(guān)系如圖5所示.隨著Hg(Ⅱ)質(zhì)量濃度的增大，菌吸附的效果呈先增大后降低的趨勢，在汞質(zhì)量濃度達到0.1 mg/L時去除率達到最大.研究表明，細胞壁與膜的表面富集是微生物抵抗重金屬離子毒性的手段之一.在較高濃度的Hg(Ⅱ)環(huán)境中，黑曲霉可先攝入一定量的Hg(Ⅱ)，刺激體內(nèi)抗性機制運行，促進體內(nèi)能與 Hg(Ⅱ)作用的酶生成，同時，通過壁膜成分的改變促進Hg(Ⅱ)富集.高濃度的Hg(Ⅱ)對菌株黑曲霉產(chǎn)生毒性作用，導(dǎo)致菌體新陳代謝活性和富集能力降低.

圖5 不同初始汞質(zhì)量濃度對吸附率的影響Fig.5 Effect of different initial concentrations of Hg(Ⅱ)on the adsorption rate

采用Langmuir、Freundlich和Temkin方程對吸附數(shù)據(jù)進行擬合(如表2).從表2可以看出Temkin方程對吸附數(shù)據(jù)吻合性最好(R2＞0.977)，Temkin方程對等溫吸附過程模擬性最好.

表2 黑曲霉對Hg(Ⅱ)的吸附模型擬合Table 2 Adsorption model fits to Hg(Ⅱ)adsorption on Aspergillus niger

2.5 吸附機理探討

取空白實驗的黑曲霉菌體和50 mg/L的Hg (Ⅱ)吸附實驗后的菌體，28℃烘干后，用紅外光譜儀進行紅外光譜分析.由圖6可以看出: 3 392 cm－1、3 419 cm－1的強峰為典型的締合羥基(O—H)吸收帶，是O—H，N—H鍵伸展振動吸收，說明黑曲霉真菌也有著由聚多糖、脂肪酸和蛋白組分組成的細胞壁;2 925 cm－1和2 926 cm－1為脂肪族碳鍵上的C—H鍵伸縮振動的吸收帶，是黑曲霉區(qū)別其它菌種的主要特征峰; 1 654 cm－1處的吸收峰為酰胺Ⅰ帶，是C—O的伸縮振動;1 425cm－1為酰胺Ⅱ帶，是N—H彎曲振動和C—N伸縮振動.由圖6可以看出:黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)后，紅外光譜峰形沒有明顯的變化，只是吸光度略有下降，在某些波數(shù)上發(fā)生了位移，并出現(xiàn)了一些新的特征譜峰，如吸附完汞的黑曲霉真菌的紅外在1 260 cm－1有明顯峰值，為酰胺Ⅲ帶，是C—N伸縮振動和N—H彎曲振動，可能有P—O伸縮振動的貢獻，說明羥基、酰胺基、磷酸基以及羰基與Hg(Ⅱ)之間發(fā)生了相互作用，使特征峰向高波數(shù)移動，羰基的吸收峰增強.由此可見，黑曲霉對Hg(Ⅱ)的吸附主要是通過細胞成分中的活性基團與Hg(Ⅱ)發(fā)生絡(luò)合作用［12］，但吸附前后其主要成分和結(jié)構(gòu)保持完整.

圖6 黑曲霉吸附汞前后紅外譜圖Fig.6 The IR of Aspergillus niger before and after adsorption on Hg

3 結(jié)果與展望

(1)從4個方面探索黑曲霉對汞的吸附，得出最佳吸附條件:在pH=6.5，Hg(Ⅱ)質(zhì)量濃度為0.1 mg/L，吸附時間為1 h，菌添加量為10% (體積分?jǐn)?shù))時吸附效果最好，去除率能達到95%以上，剩余廢水中含汞微量，符合國家的排放標(biāo)準(zhǔn).

(2)用準(zhǔn)二級動力學(xué)方程、準(zhǔn)一級動力學(xué)方程和Elovich方程對Hg(Ⅱ)的動力學(xué)吸附過程進行擬合時，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)二級動力學(xué)方程為最佳模型(其R2＞0.999)，其次是準(zhǔn)一級動力學(xué)方程和Elovich方程.

(3)吸附等溫方程可用Langmuir、Freundlich和Temkin方程進行擬合，其中Temkin方程與等溫吸附數(shù)據(jù)吻合最好，其中R2＞0.97.

(4)考察吸附機理時，比較了吸附前后的紅外光譜圖，可知紅外光譜峰沒有明顯的變化，只是某些波數(shù)上發(fā)生了一些位移，但其主要成分和結(jié)構(gòu)保持完整;由此推斷可能是羥基、酰胺基、磷酸基以及羰基與Hg(Ⅱ)之間發(fā)生了相互作用.更多吸附機理還有待進一步研究.

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