微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附性能研究

盛 姣，馮 賢，曾桂華，郭海彥

（1．長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004；2．廣西玉林出入境檢驗(yàn)檢疫局，廣西 玉林537000）

1 引言

我國(guó)每年都要超標(biāo)排放大量含Cr6＋廢水，其中含鉻的電鍍廢水富含大量Cr6＋，是重要的污染源之一，造成了嚴(yán)重的水源及環(huán)境污染［1，2］。Cr6＋的毒性大，具有強(qiáng)氧化性，對(duì)有機(jī)體有很強(qiáng)的腐蝕與破壞作用，并能致畸、致突變和致癌［3］。本研究利用微生物對(duì)米糠進(jìn)行發(fā)酵處理，制備微生物發(fā)酵米糠吸附劑，并對(duì)其吸附Cr6＋的吸附性能和吸附機(jī)理進(jìn)行了研究和探討。

2 材料與方法

2．1 儀器

721型分光光度計(jì)，pHS－3C型數(shù)字pH計(jì)，232型飽和甘汞電極，HJ－26型多頭磁力攪拌器，分析天平上，電熱恒溫水浴鍋，電熱干燥箱，YXT－1型離心沉淀機(jī)，恒溫培養(yǎng)箱，250mL磨口三角瓶等。

2．2 標(biāo)準(zhǔn)試液

配制質(zhì)量濃度為100mg／L的Cr6＋溶液作為儲(chǔ)備液。HCl溶液的濃度為1mol／L，NaOH溶液的濃度為1mol／L，用于調(diào)節(jié)溶液pH值。

2．3 Cr6＋吸附量、殘余質(zhì)量濃度和去除率的測(cè)定

用721型分光光度計(jì)測(cè)定Cr6＋含量，并據(jù)此計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果［4］。

3 結(jié)果與討論

3．1 吸附劑的用量對(duì)吸附性能的影響

用不同質(zhì)量濃度的微生物發(fā)酵米糠吸附質(zhì)量濃度為100mg／L的含Cr6＋溶液2h，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖1可知隨著微生物發(fā)酵米糠用量的增加，微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附率也隨之增大，這是因?yàn)槲⑸锇l(fā)酵米糠用量的增加，微生物發(fā)酵米糠的總表面積增大，吸附位點(diǎn)也在增多，所以吸附率隨之增大。當(dāng)微生物發(fā)酵米糠用量達(dá)到10g／L后，微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附趨于穩(wěn)定且吸附率達(dá)到87．4%。這是由于對(duì)于一定濃度的溶液在達(dá)到吸附平衡后，當(dāng)吸附劑的用量達(dá)到一定程度時(shí)，Cr6＋的殘余濃度下降，所以微生物發(fā)酵米糠吸附量下降，而Cr6＋去除率卻是升高的，所以盡管增加吸附劑的用量，其吸附率也沒(méi)有多大的變化。

圖1 吸附劑的用量對(duì)吸附性能的影響

3．2 溶液溫度對(duì)吸附性能的影響

用質(zhì)量濃度為10g／L的微生物發(fā)酵米糠，對(duì)不同溫度條件下的Cr6＋進(jìn)行吸附試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附是隨著溶液溫度的升高而增大的。這是由于溫度升高，吸附劑表面性質(zhì)改變，吸附能力增強(qiáng)；再者，由于溫度的升高Cr6＋的運(yùn)動(dòng)的加劇，提高了外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散的速度，同時(shí)提高了克服化學(xué)吸附活化能的障礙。當(dāng)溶液的溫度達(dá)到60℃后，微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附趨于穩(wěn)定且吸附率達(dá)到86．8%。

3．3 pH值對(duì)對(duì)吸附性能的影響

用質(zhì)量濃度為的100mg／L，溫度為60℃的含Cr6＋溶液，經(jīng)不同pH值條件下的10g／L微生物發(fā)酵米糠吸附2h后，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可知pH值對(duì)微生物發(fā)酵米糠吸附Cr6＋有較大的影響，吸附率隨pH值的升高而逐步減小。這是因?yàn)槿芤褐械腃r6＋通常有HCrO4－，CrO24－，Cr2O27－3種存在形式，pH值較低時(shí)主要以HCrO4－存在，pH值較高時(shí)主要以CrO24－存在。在pH值較低時(shí)微生物發(fā)酵米糠表面被很多的 H＋包圍，增強(qiáng)了吸附位點(diǎn)對(duì)HCrO4－吸引力，有利于Cr6＋的吸附，隨著pH值的增大，微生物發(fā)酵米糠表面正電吸附位點(diǎn)數(shù)目減少，Cr6＋的存在形態(tài)也發(fā)生了變化導(dǎo)致對(duì)Cr6＋吸附率下降。pH值為2時(shí)吸附劑的吸附率達(dá)到93．1%。

圖2 溶液溫度對(duì)吸附性能的影響

圖3 pH值對(duì)吸附性能的影響

3．4 溶液濃度對(duì)吸附性能的影響

用10g／L的微生物發(fā)酵米糠對(duì)不同質(zhì)量濃度，pH值為2，溫度為60℃的含Cr6＋溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)2h，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4可以看出微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的去除率隨著Cr6＋質(zhì)量濃度的增加而增大，但吸附率卻在減小。這是因?yàn)槲⑸锇l(fā)酵米糠用量一定時(shí)，提供的吸附位點(diǎn)數(shù)一定，隨著Cr6＋濃度的增大會(huì)相應(yīng)增大水溶液中未被吸附的濃度，導(dǎo)致吸附率減小，這說(shuō)明微生物發(fā)酵米糠對(duì)低濃度Cr6＋的處理更適合。從圖可知Cr6＋的最佳吸附濃度應(yīng)低于40mg／L。

3．5 吸附時(shí)間對(duì)吸附平衡的影響

用10g／L的微生物發(fā)酵米糠對(duì)質(zhì)量濃度為40mg／L，pH值為2，溫度為60℃的含Cr6＋溶液進(jìn)行吸附試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5可以看出微生物發(fā)酵米糠對(duì)含Cr6＋的吸附率隨吸附時(shí)間的增加而增大，且在開始的40min內(nèi)微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附率快速升高，吸附率達(dá)到達(dá)95．7%，之后吸附上升趨勢(shì)變緩，與40min時(shí)沒(méi)有顯著差異。這說(shuō)明隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，Cr6＋的濃度減小，Cr6＋在微生物發(fā)酵米糠里的擴(kuò)散速度減慢，吸附率隨著時(shí)間的增加直至達(dá)到吸附平衡，40min是吸附劑的最佳吸附平衡時(shí)間。

圖4 溶液濃度對(duì)吸附性能的影響

圖5 吸附時(shí)間對(duì)吸附平衡的影響

2．6 Cr6＋吸附等溫線

以吸附量對(duì)平衡濃度作圖，得到吸附等溫線見圖6。由圖6可知等溫線的起始段斜率較大，且為凸吸附量軸的曲線，當(dāng)濃度大到一定程度后，吸附量增幅變緩，這說(shuō)明微生物發(fā)酵米糠有利于低濃度的Cr6＋的吸附。隨著平衡濃度的增加，吸附量也增加，這說(shuō)明微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋有很強(qiáng)的吸附能力。用Langmuir和Freundlich吸附等溫方程對(duì)圖6的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得吸附等溫線擬合結(jié)果如表1。

圖6 吸附劑的用量對(duì)吸附性能的影響

表1 吸附等溫線擬合結(jié)果

從表1可知，Langmuir和Freundlich方程擬合的相關(guān)系數(shù)相關(guān)性很高，說(shuō)明微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附均符合等溫方程描述的規(guī)律，但以Freundlich方程擬合為佳，對(duì)Cr6＋的飽和吸附量qm為4．52mg／g。

3．7 Cr6＋吸附動(dòng)力學(xué)

以吸附量對(duì)吸附時(shí)間作圖，得到吸附動(dòng)力學(xué)曲線見圖7?？芍玫轿絼?dòng)力微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附量在開始的40min增加很快，隨著吸附的進(jìn)行，吸附量增加逐漸變緩，在40min以后基本達(dá)到平衡。在較短的時(shí)間內(nèi)，微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋產(chǎn)生較大的吸附，吸附量達(dá)2．93mg／g以上，說(shuō)明微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋有較強(qiáng)的結(jié)合力。用擬一級(jí)速率方程、擬二級(jí)速率方程和內(nèi)擴(kuò)散速率方程對(duì)圖7的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，吸附動(dòng)力學(xué)類型。

圖7 吸附等溫線

表2 吸附動(dòng)力學(xué)曲線擬合結(jié)果

由表2可知，在3種動(dòng)力學(xué)方程擬合結(jié)果中，擬二級(jí)速率方程擬合的相關(guān)系數(shù)為0．999 9，高于擬一級(jí)速率方程和內(nèi)擴(kuò)散速率方程的相關(guān)系數(shù)，微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的吸附規(guī)律遵循擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。這說(shuō)明吸附速率受Cr6＋濃度的影響大，在吸附的初期，Cr6＋的濃度大，吸附速率快，吸附量也就增加的快，這和吸附動(dòng)力學(xué)曲線的起始段凸向吸附量軸一致，在吸附的后期，Cr6＋的濃度減小，吸附速率變慢，吸附時(shí)間延長(zhǎng)，吸附時(shí)間主要消耗在吸附的后期，為保證較快的吸附速率，以吸附40min為宜。實(shí)際中應(yīng)根據(jù)擬二級(jí)速率方程的特點(diǎn)，選擇吸附設(shè)備、操作方式及操作條件。

4 結(jié)語(yǔ)

微生物發(fā)酵米糠比表面積大，加之其富含的生理活性物質(zhì)可以和Cr6＋形成敖合物，又由于其原材料豐富且對(duì)人、畜和水生生物無(wú)毒副，環(huán)境相容性好，使用方便及成本低廉等顯著特點(diǎn)，因此微生物發(fā)酵米糠是一種很好的Cr6＋吸附性劑，其必將在含Cr6＋廢水處理領(lǐng)域擁有廣闊的前景。微生物發(fā)酵米糠對(duì)Cr6＋的最佳吸附條件為：微生物發(fā)酵米糠濃度10g／L，溫度60℃，pH＝2、Cr6＋質(zhì)量濃度不超過(guò)40mg／L，吸附平衡時(shí)間40min，吸附率達(dá)95．7%。目前微生物發(fā)酵米糠吸附劑的研究限于實(shí)驗(yàn)室范圍，廉價(jià)、高效微生物發(fā)酵米糠吸附劑產(chǎn)品的開發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)以及吸附劑在廢水處理中的工業(yè)化應(yīng)用研究應(yīng)引起重視。

［1］表面處理技術(shù)委員會(huì)．表面處理技術(shù)手冊(cè)［M］．上海：上?？萍汲霭嫔纾?991．

［2］楊莉麗，康海彥，李 娜，等．離子交換樹脂吸附Cr6＋的動(dòng)力學(xué)研究［J］．離子交換與吸附，2004，20（2）：138～143．

［3］Ozdemir G，Ceyhau N，Ozturk T，et al．Biosorption of chromium（VI）cadmium（II）and copper（II）by Pantoea sp TEM［J］．Chemical Engineering Journal，2004，102（3）：249～253

［4］污染源統(tǒng)一監(jiān)測(cè)分析方法組編．污染源統(tǒng)一監(jiān)測(cè)分析方法（廢水部分）［M］．北京：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)出版社，1981．