生物吸附劑Bio-matrix去除廢水中重金屬的研究

陳 燦， 盧歡亮*， 李智輝

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東廣州 510045；2.廣東寶邁森環(huán)?？萍加邢薰?，廣東東莞 523850)

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生物吸附劑Bio-matrix去除廢水中重金屬的研究

陳 燦1， 盧歡亮1*， 李智輝2

(1.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東廣州 510045；2.廣東寶邁森環(huán)保科技有限公司，廣東東莞 523850)

摘要[目的]研究生物吸附劑Bio-matrix對常規(guī)重金屬Cu2+、Ni2+、Cr3+的吸附性能。[方法]考察不同溫度、吸附劑投加量、吸附時間、pH對吸附量的影響，并分析了Bio-matrix對Cu2+的等溫吸附情況。[結(jié)果]Bio-matrix吸附劑對Cu2+的吸附效果優(yōu)于Ni2+和Cr3+，溫度對吸附量影響較小，3 h可達(dá)到吸附平衡，單位吸附量隨 pH 的升高先增大后減小，在pH 4左右時對重金屬的單位吸附量最大，Bio-matrix對Cu2+的吸附等溫線與 Freundlich 方程有較好的擬合性，飽和吸附量為19.3 mg/g。[結(jié)論]該研究為Bio-matrix作為生物吸附劑去除廢水中重金屬提供了可行途徑。

關(guān)鍵詞Bio-matrix吸附劑； 重金屬； 等溫吸附； 吸附容量

隨著社會進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，重金屬廢水的排放量越來越大。鑒于其對環(huán)境的持久污染以及對人體和其他生物的危害，對重金屬廢水污染進(jìn)行有效治理成為環(huán)境污染治理工作的熱點(diǎn)。吸附法因具有來源廣泛、選擇性高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為重金屬廢水的一種有效處理方法而被廣泛應(yīng)用[1]。新興的生物吸附劑越來越受到人們關(guān)注，生物吸附是利用生物體及其衍生物來吸附重金屬的過程。Yao等[2]研究了栗子殼對Cu2+的吸附效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Langmiur最大吸附量為12.53 mg/g，錢翌等[3]以花生殼為生物吸附劑進(jìn)行了去除廢水中重金屬的研究。筆者介紹了一種新型生物吸附劑Bio-matrix，并對其吸附重金屬過程的影響因素進(jìn)行研究，以期為Bio-matrix作為生物吸附劑去除廢水中重金屬提供了可行途徑。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料Bio-Matrix吸附劑由廣東寶邁森環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，宏觀上是一種黑色粉末狀固體(圖1)，它能吸附泄露于水體或陸地上的污染物，將其迅速包裹，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定化的目的。

圖1　Bio-Matrix吸附劑Fig.1　Bio-matrix biosorbent

1.2試驗(yàn)廢水試驗(yàn)廢水采用分析純硫酸銅、氯化鎳、氯化鉻和純水配制而成。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1吸附性能的影響因素。

1.3.1.1溫度對吸附性能的影響。稱取1 g吸附劑產(chǎn)品于6只同批次250 mL錐形瓶中，向瓶中加入200 mL初始濃度均為50 mg/L的混合Cu2+、Ni2+、Cr3+溶液，分別置于15、25、35、40、45、50 ℃恒溫振蕩，4 h后檢測剩余重金屬濃度，按下式計(jì)算單位吸附量。

式中,q為吸附劑產(chǎn)品單位吸附量(mg/g)；C0是重金屬起始濃度(mg/L)；Ce是吸附后剩余濃度(mg/L)；V是濃度體積(L)；M是吸附劑產(chǎn)品用量(g)。

1.3.1.2吸附劑投加量對吸附性能的影響。在室溫(23±2)℃下，分別稱取0.2、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5 g吸附劑產(chǎn)品于250 mL錐形瓶中，向瓶中加入200 mL初始濃度均為50 mg/L的混合Cu2+、Ni2+、Cr3+溶液，振蕩4 h后檢測剩重金屬濃度。

1.3.1.3吸附時間對吸附性能的影響。在室溫(23±2)℃下，稱取0.8 g吸附劑產(chǎn)品于250 mL錐形瓶中，向瓶中加入200 mL初始濃度為50 mg/L的重金屬溶液，在振蕩器上以200 r/min振蕩，分別于0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h取樣，檢測剩余重金屬濃度。

1.3.1.4pH對吸附性能的影響。稱取0.8 g吸附劑產(chǎn)品于6只同批次250 mL錐形瓶中，向瓶中加入 200 mL初始濃度均為50 mg/L的混合Cu2+、Ni2+、Cr3+溶液，分別調(diào)節(jié)pH為1.2、1.6、2.1、3.2、4.3、4.9、6.2,室溫振蕩反應(yīng)3 h后計(jì)算吸附量。

1.3.2等溫吸附試驗(yàn)。分別稱取吸附劑產(chǎn)品0.8 g于250 mL錐形瓶中，向每個錐形瓶中加入一定濃度的CuSO4溶液，使溶液中Cu2+濃度分別為20～60 mg/L ，在(23±2)℃下振蕩3 h后取樣檢測。

1.4測定方法采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)檢測重金屬濃度。

2結(jié)果與分析

2.1溫度對吸附性能的影響由圖2可知，隨著溫度的增加，重金屬吸附量略有變化，但增減幅度不大。Cu2+在15 ℃時吸附量最低為7.5 mg/g,在40 ℃時最高為8.1 mg/g。因此，在實(shí)際廢水處理中，不需要對廢水進(jìn)行加熱或冷卻，減少運(yùn)行成本，后續(xù)試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

圖2　溫度對重金屬離子吸附量的影響Fig.2　Effects of temperature on the adsorbing capacity of heavy metal ion

2.2吸附劑投加量對吸附性能的影響由圖3可知，吸附劑對Cu2+的吸附效果最佳，Ni2+和Cr3+的去除效果相差不大。對于相同濃度的溶液，在投加量為0.8 g時，單位質(zhì)量產(chǎn)品對Cu2+、Ni2+、 Cr3+的吸附量分別為8.6、3.8、3.6 mg/g，隨著吸附劑用量的增加，重金屬去除率增大，但吸附劑之間會形成競爭吸附，導(dǎo)致單位吸附量降低，表面活性位點(diǎn)不能充分利用[4]。因此，對于200 mL濃始吸度為50 mg/L重金屬溶液而言，結(jié)合去除效果和吸附容量，選擇吸附劑用量為0.8 g。

圖3　吸附劑投加量對吸附性能的影響Fig.3　Effects of dosage on adsorption property

圖4　吸附時間對吸附性能的影響Fig.4　Effects of adsorption time on the adsorption property

2.3吸附時間對吸附性能的影響由圖4可知，前1.5 h是吸附劑產(chǎn)品吸附重金屬離子的主要階段，吸附速率較快，隨著時間的推移，吸附速率逐漸減慢，振蕩吸附3.0 h后重金屬濃度基本不再降低，達(dá)到吸附平衡，吸附速率也趨于平緩。這是由于在吸附初始階段，溶液濃度梯度較高，產(chǎn)品表面的吸附空位點(diǎn)數(shù)目最多，吸附速率最快。隨著時間的推移，其表面的吸附空位點(diǎn)越來越少，導(dǎo)致吸附速率降低[5]。吸附劑對Cu2+的吸附效果相對最佳，吸附完成后Cu2+濃度降至18.2 mg/L，而Ni2+和Cr3+濃度分別為33.7和35.2 mg/L。

2.4pH對吸附性能的影響由圖5可知，溶液初始pH對Bio-matrix吸附量有較大影響，pH<2.0時，吸附劑對三者的吸附效果很差，這是因?yàn)榇藭r溶液中H+濃度較高，會與重金屬離子競爭吸附劑表面的活性位點(diǎn)，降低吸附劑與重金屬的結(jié)合能力。當(dāng)pH從1.6增大到4.3的過程中，Cu2+、Ni2+、Cr3+單位吸附量隨著pH的增大顯著增加，分別由0.9、0.2、0.3 mg/g增大至12.4、5.9、8.8 mg/g，而當(dāng)pH繼續(xù)增加時吸附量反而降低，故選擇pH 4左右為最佳條件。

圖5　pH對重金屬離子吸附量的影響Fig.5　Effects of pH on adsorbing capacity of heavy metal ion

2.5吸附劑對Cu2+的等溫吸附試驗(yàn)通過對不同濃度的Cu2+溶液進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，測試吸附平衡后相應(yīng)Cu2+濃度，所得數(shù)據(jù)換算成吸附量。初始濃度Co分別為20、30、40、50、60 mg/L時,Ce為2.8、4.7、9.7、17.1、23.8 mg/L,qe為4.3、6.3、7.6、8.2和9.0 mg/g。對試驗(yàn)結(jié)果采用經(jīng)典的Langmuir吸附等溫式和Freundlich吸附等溫式[6]進(jìn)行線性擬合，并計(jì)算相關(guān)參數(shù)，結(jié)果Langumuir:qm19.3 mg/g,KL0.049,R2=0.988,Freundlich:1/n=0.66,KF=1.14,R2=0.992。吸附等溫線見圖6、7。

圖6　吸附劑對Cu2+的 Langumuir 吸附等溫線Fig.6　Langumuir adsorption isotherm of biosorbent to copper ion

圖7　吸附劑對Cu2+的Freundlich 吸附等溫線Fig.7　Freundlich adsorption isotherm of biosorbent to copper ion

由圖6、7可知，Bio-matrix吸附劑對 Cu2+的吸附等溫線與 Freundlich 方程有較好的擬合性，相關(guān)系數(shù)R2大于 0.99，而Langumuir 方程對 Cu2+的吸附等溫線的擬合度稍差。由此可以推論吸附劑表面對 Cu2+的吸附不是單層吸附，可能是不均勻表面的多層吸附模式，飽和吸附量約為19.3 mg/g。

3結(jié)論

(1) 生物吸附劑Bio-matrix處理200 mL初始濃度均為50 mg/L的Cu2+、Ni2+、Cr3+混合重金屬廢水，吸附劑最佳用量為0.8 g，3 h可達(dá)到吸附平衡，且Bio-matrix對混合廢水中Cu2+的吸附量高于Ni2+和Cr3+。

(2) 廢水pH對Bio-matrix吸附效果影響較大，在pH4左右時對重金屬的單位吸附量最大，溫度對吸附基本無影響。

(3) 生物吸附劑Bio-matrix對Cu2+的吸附符合Freundlich等溫吸附模式，在室溫條件下，飽和吸附容量為19.3 mg/g。

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基金項(xiàng)目環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201509037);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B020215009);廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201508030028)。

作者簡介陳燦(1990- )，女，湖北仙桃人，工程師，碩士，從事環(huán)境工程材料制備與應(yīng)用研究。*通訊作者，教授級高工，博士，從事環(huán)境工程新技術(shù)研發(fā)及其推廣應(yīng)用研究。

收稿日期2016-04-25

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)14-052-03

Heavy Metal Removal by Bio-matrix Biosorbent

CHEN Can1, LU Huan-liang1*, LI Zhi-hui2

(1.Guangdong Provincial Academy of Environmental Science, Guangzhou, Guangdong 510045; 2.Guangdong Baomaisen Environmental Science and Technology Co., Ltd., Dongwan, Guangdong 523850)

Abstract[Objective] To research the adsorption performance of biosorbent Bio-matrix on conventional heavy metal Cu2+, Ni2+and Cr3+.[Method] Effects of pH, temperature, biosorbent dosage and adsorption time on adsorbing capacity were researched, isothermal adsorption of Bio-matrix to Cu2+was analyzed.[Result] Bio-matrix had better adsorption effects to Cu2+than Ni2+and Cr3+.Unit adsorption capacity firstly enhanced and then decreased with pH, and reached the maximum at pH 4.The adsorption isotherm of Cu2+had better fitting with the Freundlich equation, and the saturated adsorption capacity was 19.3 mg/g.[Conclusion] This research provides feasible way for the heavy metal removal by Bio-matrix biosorbent.

Key wordsBio-matrix biosorbent; Heavy metal; Isothermal adsorption; Adsorption capacity