真菌生物吸附劑對酸性大紅的吸附研究

張麗芳，王銀玲

(沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

合成染料具有性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、品種多等優(yōu)點，被廣泛用于紡織、造紙、橡膠、塑料、化妝品、制藥和食品工業(yè)中。合成染料主要是芳香族化合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難降解、具有潛在毒性［1］。水體中的染料即使?jié)舛群艿?，也能降低水體透明度，不利于水生植物的光合作用，減少水生動物的食餌［2－3］。染料廢水在降解過程中會消耗水中的溶解氧，對水生動物的生長不利，特別是許多染料含有致癌因子，如聯(lián)苯胺和其他芳香族化合物［4–6］，因此染料廢水的處理備受關(guān)注。目前常用的染料廢水處理方法有活性炭吸附法、混凝法、化學(xué)氧化法、離子交換法、超濾和生物降解等，這些方法主要問題是處理費用高、污泥量大［7］;而生物降解法的處理效率較低，且中間產(chǎn)物可能有毒性［8］。生物吸附法與生物降解法相比，主要優(yōu)點是吸附過程中不需供應(yīng)營養(yǎng)源，因而不會受到水中毒物和沖擊負荷的影響。

目前，生物吸附多集中在對重金屬吸附研究，而對生物吸附染料的報道較少。本文利用酸處理后真菌菌體作為吸附劑，研究pH值、溫度等對吸附效果的影響，探討酸預(yù)處理菌體對酸性大紅的吸附熱力學(xué)機理。

1 實驗

1.1 染料廢水

試驗所用染料廢水為酸性大紅(C.I.6255，偶氮類陰離子染料，分子量為 604.48，λmax=505nm)模擬染料廢水。

1.2 生物吸附劑制備

試驗用生物吸附劑為青霉菌(Penicillium sp.)。無菌狀態(tài)下，用接種環(huán)輕輕刮取固體培養(yǎng)基表面上青霉菌孢子，將其移入一定量的無菌水中，充分振蕩，制成一定濃度的孢子懸液;用無菌移液管吸取一定體積的孢子懸液，移入液體培養(yǎng)基中，30℃，150r/min，恒溫空氣浴振蕩器中振蕩培養(yǎng);培養(yǎng)一定時間后取出菌體，滅活、過濾，用蒸餾水洗滌多次。取定量濕菌體，置于0.1mol/L HNO3溶液中，室溫振蕩2h，過濾、洗滌多次，備用。稱量若干份定量的預(yù)處理菌體在60℃下烘干，測定干濕比。

1.3 吸附試驗

取0.2g濕菌體投加到50mL含一定濃度的模擬染料廢水中，調(diào)節(jié)pH值，在150 r/min，25℃下(特別說明除外)振蕩吸附。吸附平衡后，取上清液，在最大吸收波長處測定其吸光度，計算菌體對染料的吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 真菌生物吸附劑的形態(tài)特征

將青霉菌孢子按接種量為1%(v/v，孢子懸液濃度為3.58×107個/mL)，移入液體營養(yǎng)培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為:150r/min、30℃、3d。恒溫振蕩培養(yǎng)3d后的菌體形貌數(shù)碼照片如圖1所示。

圖1 菌絲球的形態(tài)

從圖1可以看出，生長3d的菌絲球呈白色，菌絲相互纏繞呈球狀結(jié)構(gòu)，菌絲球大小均勻，具有良好的沉淀性能。

取菌絲球于室溫下自然晾干，用掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果見圖2所示。

圖2 菌絲球掃描電鏡照片

從圖2可以看出，菌絲球內(nèi)的菌絲交織在一起，菌絲之間存在大量的空隙，表面積較大，有利于對染料的吸附。

2.2 培養(yǎng)時間的影響

在孢子接種量為1%(v/v，孢子懸液濃度為3.58 ×107個/mL)、振蕩轉(zhuǎn)速為 150r/min、培養(yǎng)溫度為30℃，改變培養(yǎng)時間，考察其對菌體的生長量和菌體吸附染料能力的影響。測得的菌體生長曲線如圖3所示，菌體培養(yǎng)時間對吸附量的影響情況見圖4所示。

圖3 青霉菌的生長曲線

由圖3可知，青霉菌在培養(yǎng)初期(0～1d)生長緩慢，生長量很小，肉眼可見細小的菌絲球，結(jié)構(gòu)松散。鏡檢觀察發(fā)現(xiàn)，球內(nèi)菌絲纏繞，有的孢子剛剛萌發(fā)長出菌絲。1d以后，菌體生長進入對數(shù)期，生長量增加迅速;進入第2d時，肉眼便可看到大小均勻的菌絲球;培養(yǎng)3d時，生長量繼續(xù)增加，菌絲球明顯增大，菌絲球直徑可達2.4mm左右;超過3d后菌體生長速度下降，菌體生長進入穩(wěn)定期。這主要是由于菌體在對數(shù)期內(nèi)生長迅速，消耗了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，致使培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度下降，影響了菌體的正常生長，造成菌體生長速度的下降;另一方面，培養(yǎng)過程中代謝產(chǎn)物的積累也對菌體的生長產(chǎn)生不利影響。在培養(yǎng)5d時，菌體的生長量達到最大，為4.56g/L(干重);當培養(yǎng)時間為6d時，菌體的生長量開始下降，表明菌體生長進入衰亡期。

圖4 培養(yǎng)時間對菌體吸附染料能力的影響

由圖4可以看出，菌體的培養(yǎng)時間對菌體吸附染料的能力有一定影響。在培養(yǎng)時間為2d時，菌體對酸性大紅的吸附量較小;隨著培養(yǎng)時間的延長，菌體對染料的吸附量也隨著增大，當培養(yǎng)時間為3d時，吸附量達到最大，為48.03mg/g;此后，隨著培養(yǎng)時間的繼續(xù)增加，吸附量逐漸下降;當菌體生長時間為7d時，菌絲球吸附量明顯下降，這表明處于衰亡期的菌體吸附染料的能力較差。這是由于處于衰亡期的菌體由于培養(yǎng)基內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)匱乏，細胞進行內(nèi)源呼吸，自身發(fā)生溶解，致使菌體上的染料吸附位點減少所致。

2.3 pH對吸附的影響

染料濃度為50mg/L，改變?nèi)芤撼跏紁H值，考查pH值對菌體吸附染料能力的影響，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 pH值對吸附酸性大紅的影響

由圖5可以看出，pH值對菌體吸附酸性大紅能力的影響比較大，在pH值為2～3時，酸處理菌體的吸附能力較強，此時染料的去除率可達到90%以上;當pH值為3時，吸附量達到最大，為46.45 mg/g，對染料的去除率高達96%;當pH值為4時，菌體的吸附能力急劇下降，僅為9.84 mg/g，吸附能力下降了近80%;此后，隨著pH值進一步升高，其吸附量略有下降。這與菌體表面的物理和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。真菌的細胞壁上主要含有葡聚糖、幾丁質(zhì)、蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)等，菌體細胞壁的表面由各種活性官能團組成，如羥基、氨基、磷酸基和羧基等。當溶液pH值較低時，溶液中存在大量的H+，菌體中的氨基等可以吸收H+而帶正電，從而易與帶負電的染料陰離子發(fā)生靜電吸附，所以溶液中的H+對菌體吸附酸性大紅有促進作用;隨著溶液pH值升高，OH－濃度增大，OH－與菌體表面的磷酸基、羧基等官能團中的H+結(jié)合，使菌體表面帶負電，進而阻止其與染料陰離子的結(jié)合，吸附量降低［9－10］。

2.4 吸附前后染料溶液的光譜變化

在染料濃度為50mg/L條件下，對菌體吸附前、吸附后的酸性大紅溶液，分別用UV-1800紫外可見分光光度計，在200～800nm波長處進行掃描，測定結(jié)果如圖6所示。

圖6 吸附前、吸附后染料溶液的紫外可見光光譜圖

由圖6可知，吸附后，染料溶液的吸光度明顯下降，表明預(yù)處理菌體對染料有良好的吸附效果，這與前面的試驗結(jié)果相一致，且吸附后溶液的波峰位置和波形均沒有發(fā)生明顯變化，也沒有新的波峰出現(xiàn)。據(jù)此可以推斷，在預(yù)處理菌體吸附染料的過程中沒有降解發(fā)生。

2.5 吸附平衡

改變?nèi)玖铣跏紳舛?，調(diào)節(jié)溶液初始pH值均為3，分別在25℃、30℃、35℃和40℃下進行等溫吸附試驗，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同溫度下菌體對染料的吸附等溫線

由圖7可知，隨著溶液中染料平衡濃度的增加，真菌生物吸附劑對染料的吸附量也隨之增加。在試驗溫度范圍內(nèi)，相同平衡濃度下，菌體對染料的吸附量隨溫度升高而增大，表明升高溫度有利于吸附反應(yīng)的進行。這是由于溫度升高，活化了菌體上的吸附位點，增加了吸附位點數(shù)目。

等溫吸附平衡過程用數(shù)學(xué)描述可得到吸附等溫方程式，最常用的等溫吸附模型有Langmuir模型和Freundlich模型。

Langmuir方程的線性化形式為

Freundlich方程的線性化形式為

式中:KF、n、b、q0均為常數(shù)，q0為吸附劑對染料單層的飽和吸附量;Ce為吸附平衡時的染料濃度;qe為菌體平衡吸附量。對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，擬合參數(shù)見表1。

表1 Langmuir和Freundlich方程擬合吸附等溫線參數(shù)

由表1可知，吸附試驗數(shù)據(jù)用Langmuir方程擬合時，線性相關(guān)性較好，不同溫度下的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，表明菌體對酸性大紅的吸附可以用Langmuir等溫吸附模型表達。在溫度為25℃、30℃、35℃、40℃時，模型計算出的預(yù)處理菌體對酸性大紅的飽和吸附量分別為 250 mg/g、312.5 mg/g、333.3 mg/g、357.1 mg/g，并隨著溫度升高而升高，與試驗結(jié)果一致。Freundlich常數(shù)1/n均小于1，表明以上吸附過程均為優(yōu)惠吸附。

2.6 吸附過程的熱力學(xué)分析

針對不同溫度下的吸附平衡試驗，由Van’t Hoff方程求出吸附反應(yīng)的熵變、焓變以及不同溫度下的吉布斯自由能變化。

式中:R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K);T為絕對溫度，K;K為熱力學(xué)平衡常數(shù);ΔG為吸附自由能變化量，J/mol;ΔH為吸附焓變，J/mol;ΔS為吸附熵變，J/(mol·K)。根據(jù)式(3)和式(4)對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合計算，結(jié)果見表2。

表2 不同溫度菌體吸附染料的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

吸附自由能的變化量ΔG是吸附驅(qū)動力的體現(xiàn)，ΔG的絕對值越大，表明吸附推動力越大。由表2 可知，當吸附溫度為 25、30、35、40℃ 時，菌體對染料吸附反應(yīng)的ΔG都小于0，且溫度越高，ΔG越小，表明菌體對染料的吸附是自發(fā)過程，且溫度越高，自發(fā)反應(yīng)進行的程度越大;菌體對酸性大紅吸附過程的ΔS為109.45，ΔS大于0，表明固-液界面上分子運動比吸附前更加混亂，主要原因是更多水分子自固體表面向溶液中更雜亂運動;菌體對染料吸附過程的ΔH大于0，表明該吸附反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度升高，有利于吸附反應(yīng)進行。

3 結(jié)論

1)真菌生物吸附劑青霉菌為絲狀真菌，在液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)呈菌絲球狀，培養(yǎng)3d時菌絲球?qū)λ嵝源蠹t有較好吸附效果。

2)溶液pH值和吸附溫度對菌體的吸附能力有較大影響，當溶液pH為2～3時，菌體對酸性大紅有較強的吸附能力;在25～40℃時，升高溫度，菌體的吸附能力也隨之增大。

3)菌體對酸性大紅的等溫吸附曲線可用Langmuir模型來表達。根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)關(guān)系，對吸附過程的ΔH、ΔS和ΔG的計算結(jié)果表明，菌體對酸性大紅的吸附是一個自發(fā)和吸熱的過程，溫度升高有利于吸附過程的進行。

［1］Mohan V S，Rao C N，Karthikeyan J.Adsorptive Removal of Direct Azo Dye from Aqueous Phase onto Coal Based Sorbents:a Kinetic and Mechanistic Study［J］.Journal of Hazardous Materials，2002，90(2):189－204.

［2］Mcmullan G，Meehan C，Conneely A，et al.Microbial decolorization and degradation of textile dyes［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2001，56(1，2):81 －87.

［3］Aksu Z，Tezer S.Equilibrium and kinetic modeling of biosorption of Remazol Black B by Rhizopus arrhizus in a batch system:effect of temperature［J］.Process Biochemistry，2000，36(5):431 －439.

［4］陸朝陽，沈莉莉，張全興.吸附法處理染料廢水的工藝及其機理研究進展［J］.工業(yè)水處理，2004，24(3):12－16.

［5］Fu Y，Viravaghavan T.Fungal decolorization of dye wastewater:a review［J］.Bioresoure Technology，2001，79(3):251 －262.

［6］Ponnusami V，Krithika V，Madhuram R，et al.Biosorption of reactive dye using acid-treated rice husk:factorial design analysis［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，142(1，2):397 －403.

［7］Aksu Z.Application of biosorption for the removal of organic pollutants:a review［J］.Process Biochemistry，2005，40(3，4):997 －1026.

［8］Yesilada O，Asmad，Cing S.Decolorization of textile dyes by fungal pellets［J］.Process Biochemistry，2003，38(6):933 －938.

［9］Vijayaraghavan K，Yun Y S.Biosorption of C.I.Reactive Black 5 from aqueous solution using acid-treated biomass of brown seaweed Laminaria sp.［J］.Dyes and Pigments，2008，76(3)，726 －732.

［10］張麗芳，魏德洲.預(yù)處理青霉菌(Penicilium sp.)吸附活性艷紅的研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2008，8(5):40－44.