蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附作用研究*

黃財?shù)?李 揚 喬玉輝 孫振鈞

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

農(nóng)田土壤重金屬污染將直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，威脅人類健康，已成為人們十分關(guān)注的熱點環(huán)境問題。利用有機廢棄物修復(fù)大面積重金屬污染農(nóng)田具有較好的應(yīng)用前景[1]。蚯蚓糞是一種特殊的有機肥，可以通過鈍化或者活化作用改變土壤中重金屬的生物有效性，具有較大的重金屬修復(fù)潛力[2]。據(jù)測定，蚯蚓糞中有機質(zhì)占19.47%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～42.20%，腐殖酸占11.7%～25.8%[3]。已有研究表明，蚓糞腐殖酸是影響其鈍化重金屬的最主要因素[4]。

腐殖酸是一類具有羥基、羧基、羰基、胺基等多種官能團(tuán)的大分子化合物，這些基團(tuán)能夠與土壤中的重金屬發(fā)生配合反應(yīng)，從而改變重金屬活性，對重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化和生物有效性起著重要調(diào)控作用。許多學(xué)者已經(jīng)就腐殖酸對重金屬的吸附進(jìn)行研究[5-8]，但上述研究大多集中于土壤中的腐殖酸，而對于蚓糞腐殖酸的功能基團(tuán)組成及其對重金屬的吸附效果研究還較少。因此，本研究通過研究蚓糞腐殖酸的功能基團(tuán)組成，探究離土條件下蚓糞腐殖酸對土壤中Cd2+的最佳吸附條件，為蚯蚓糞修復(fù)重金屬污染土壤提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用蚯蚓糞取自北京某蚯蚓養(yǎng)殖場。收獲新鮮蚯蚓糞，風(fēng)干后過2.0 mm篩備用。蚯蚓糞基本理化性質(zhì)如下：pH 6.94；全氮8.70 g/kg；有效磷174.70 g/kg；有機質(zhì)363.97 g/kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 蚓糞腐殖酸的提取

取風(fēng)干后的蚯蚓糞，室溫條件下加入1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH為1～2，隨后加入0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)溶液體積，使最終液固比為10 mL∶1 g，振動懸浮液1 h；低速離心分離去除上清液。在氮氣保護(hù)下用1 mol/L NaOH中和下層殘留蚯蚓糞樣品使得pH=7，并調(diào)節(jié)溶液體積使得最終液固比為10 mL∶1 g，室溫攪拌24 h，5 000 r/min離心10 min。在不斷攪拌下，使用6 mol/L HCl將上層溶液pH調(diào)節(jié)為1，放置24 h后5 000 r/min離心10 min，沉淀物即為蚓糞腐殖酸，取出并冷卻干燥，研磨后過2 mm篩置于干燥器中備用[9]。

1.2.2 蚓糞腐殖酸的傅里葉變換紅外光譜測定

用溴化鉀壓片法處理樣品，稱取1 mg蚓糞腐殖酸與200 mg干燥的溴化鉀粉末均勻混合，然后置于液壓片機13 mm模具中進(jìn)行液壓得到溴化鉀壓片。采用NEXUS670X型傅里葉變換紅外光譜儀(美國Nicolet)進(jìn)行分析，分辨率為2 cm-1，掃描范圍為800～3 800 cm-1，波數(shù)精度小于0.1 cm-1，以溴化鉀做空白扣除背景值。樣品紅外輻射前后的強度變化通過朗伯-比爾定律計算蚓糞腐殖酸含量[10-11]。

1.2.3 吸附試驗

準(zhǔn)確稱取100 mg蚓糞腐殖酸于50 mL聚乙烯塑料離心管中，加入25 mL一定質(zhì)量濃度的Cd2+(由Cd(NO3)2配置)，利用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH。離心管口密封后，在25 ℃恒溫振蕩箱中180 r/min振蕩，3 000 r/min離心5 min后過濾，收集上清液，測定Cd2+濃度。

(1) pH對蚓糞腐殖酸吸附Cd2+的影響

設(shè)置蚓糞腐殖酸投加量為100 mg，Cd2+初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，溫度為25 ℃，溶液pH為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0下分別進(jìn)行吸附試驗，吸附時間為1 h，考察pH對蚓糞腐殖酸吸附Cd2+的影響。

(2) 等溫吸附試驗

設(shè)置蚓糞腐殖酸投加量為100 mg，溶液pH為5.5，調(diào)節(jié)Cd2+初始質(zhì)量濃度梯度為0、2、4、6、8、10、12、14 mg/L，在25 ℃下進(jìn)行等溫吸附，吸附時間均為1 h，考察蚓糞腐殖酸對Cd2+的等溫吸附特性。

(3) 吸附動力學(xué)試驗

設(shè)置蚓糞腐殖酸投加量為100 mg，Cd2+初始質(zhì)量濃度為10 mg/L，溶液pH為5.5，溫度為25 ℃下進(jìn)行吸附試驗，在吸附時間分別為5、10、30、40、60、120 min時取樣分析，考察蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附動力學(xué)特性。

1.3 等溫吸附模型

為分析蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附過程，采用了經(jīng)典的等溫吸附模型Langmuir模型(見式(1))對蚓糞腐殖酸的等溫吸附結(jié)果進(jìn)行擬合：

(1)

式中：Ce為Cd2+平衡質(zhì)量濃度，mg/L；Qm為蚓糞腐殖酸對Cd2+的最大飽和吸附量，mg/g；Qe為Cd2+平衡吸附量，mg/g；kL為Langmuir常數(shù)，L/mg，與吸附劑的吸附親和力大小有關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚓糞腐殖酸紅外光譜分析

蚓糞腐殖酸的傅里葉變換紅外光譜見圖1。從圖1可以看出，蚓糞腐殖酸的特征吸收峰主要出現(xiàn)在1 082.0、1 402.1、1 637.9、3 436.5 cm-1等處。為進(jìn)一步分析蚓糞腐殖酸的功能基團(tuán)組成，表1列舉了3組不同吸收帶內(nèi)蚓糞腐殖酸的吸光度。結(jié)果顯示，蚓糞腐殖酸在3 300～3 600 cm-1吸收帶的吸光度為0.477，在1 600～1 650、1 385～1 400 cm-1吸收帶的吸光度分別為0.164、0.043。

圖1 蚓糞腐殖酸的紅外光譜Fig.1 Infrared spectrum of vermi-compost humic acid

表1 蚓糞腐殖酸在不同吸收帶的吸光度

由蚓糞腐殖酸紅外光譜特征吸收帶歸屬(見表2)可知，蚓糞腐殖酸的主吸收帶位于3 300～3 600 cm-1內(nèi)，說明蚓糞腐殖酸的主要功能基團(tuán)為羧基、苯酚及醇中的羥基和胺基[12]。這些活性官能團(tuán)可以參與重金屬的配合反應(yīng)，達(dá)到降低重金屬毒性的作用[13]。

表2 蚓糞腐殖酸紅外光譜的特征吸收帶歸屬

2.2 pH對蚓糞腐殖酸吸附Cd2+的影響

圖2為不同pH條件下蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附量變化。可以看出，當(dāng)pH在2.0～4.0時，蚓糞腐殖酸對Cd2+吸附量較低，基本維持在0.05 mg/g以下；當(dāng)pH大于4.0時，隨著溶液pH的升高，蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附量迅速增加；在pH=7.0時，吸附量達(dá)到最大，為0.32 mg/g。因此可認(rèn)為蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附在近中性條件下達(dá)到最佳效果。

圖2 pH對蚓糞腐殖酸吸附Cd2+的影響Fig.2 Effect of pH on adsorption of Cd2+ by vermi-compost humic acid

2.3 蚓糞腐殖酸對Cd2+的等溫吸附

圖3為蚓糞腐殖酸對Cd2+的等溫吸附曲線。

圖3 蚓糞腐殖酸對Cd2+的等溫吸附曲線Fig.3 Adsorption isotherms of Cd2+ by vermi-compost humic acid

蚓糞腐殖酸對Cd2+吸附量與Cd2+濃度密切相關(guān)，隨著溶液中的Cd2+濃度增加，蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附量也隨之增加。Cd2+初始質(zhì)量濃度在0～14 mg/L時，蚓糞腐殖酸的吸附量一直增加并未達(dá)到吸附終點，故采用Langmuir模型對等溫吸附過程中Cd2+吸附量進(jìn)行擬合，得出蚓糞腐殖酸最大飽和吸附量為4.47 mg/g，模型R2為0.986 3，表明Langmuir模型能夠較好地擬合等溫吸附過程，得出的最大飽和吸附量比較可靠。

2.4 蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附動力學(xué)特征

圖4為不同吸附時間下蚓糞腐殖酸對Cd2+吸附量的變化。從圖4可以看出，在反應(yīng)最初的5 min內(nèi)，蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附快速增加，隨后吸附速率逐漸減慢，40 min后蚓糞腐殖酸對Cd2+吸附量基本維持在0.3 mg/g左右，此時蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附已初步達(dá)到飽和。此外，在本次試驗中，吸附120 min后溶液中Cd2+濃度與吸附40 min時的濃度基本相同，表明蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附作用比較穩(wěn)定，吸附過程中也未出現(xiàn)較大程度的解吸現(xiàn)象。

圖4 吸附時間對蚓糞腐殖酸吸附Cd2+的影響Fig.4 Effect of adsorption times on Cd2+ adsorption by vermi-compost humic acid

3 討 論

蚯蚓在土壤生活的過程中攝取大量有機質(zhì)并將其分解轉(zhuǎn)化為氨基酸等簡單的化合物，在蚓體微生物的作用下，這些物質(zhì)縮合形成腐殖質(zhì)，其主要活性成分為腐殖酸[14]。蚓糞腐殖酸的紅外光譜分析顯示蚓糞腐殖酸中含有較多的羧基以及醇羥基、芳香基，其芳構(gòu)化程度較高。未解離的羧基和醇羥基與游離的Cd2+發(fā)生配位鍵合后，可促使金屬形態(tài)向活性較低的結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，從而起到了降低重金屬毒性的作用[15]，說明蚯蚓糞具有較大的重金屬修復(fù)潛力。

pH、Cd2+初始濃度和吸附時間均是影響蚓糞腐殖酸吸附Cd2+的重要因素。腐殖酸可分為富里酸和胡敏酸兩種[16]，本研究蚓糞腐殖酸采用堿溶酸沉法進(jìn)行提取，得到的主要成分為胡敏酸，因此在酸性條件下吸附量較低。隨著pH的增加，胡敏酸起主要作用，易與重金屬離子形成不溶配合物或絮凝體吸附和沉積在土壤表面，從而降低金屬的生物有效性[17]。呂福榮等[18]采用同樣的方法提取土壤腐殖酸，研究其對Cd2+的吸附機理，得到吸附最佳的pH為6～7，這與本研究結(jié)果相近。等溫吸附過程中，隨著初始Cd2+濃度的增加，蚓糞腐殖酸的吸附量也一直保持上升，利用Langmuir模型擬合得到Cd2+的最大飽和吸附量4.47 mg/g。由于蚓糞腐殖酸中微小的孔隙結(jié)構(gòu)使得游離Cd2+首先與顆粒孔內(nèi)表面結(jié)合，當(dāng)Cd2+濃度達(dá)到一定值時，剩余的游離態(tài)Cd2+開始與游離的腐殖酸發(fā)生配位鍵合反應(yīng)并逐漸達(dá)到飽和[19]。此外，蚓糞腐殖酸的吸附動力學(xué)試驗結(jié)果證明了蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附作用是比較穩(wěn)定的。

4 結(jié) 論

(1) 蚓糞腐殖酸的主吸收帶位于3 300～3 600 cm-1，蚓糞腐殖酸主要功能基團(tuán)為羧基、羥基和胺基，這些活性官能團(tuán)可以參與重金屬的配合反應(yīng)，達(dá)到降低重金屬毒性的作用。

(2) 當(dāng)pH在2.0～4.0時，蚓糞腐殖酸對Cd2+吸附量較低，基本維持在0.05 mg/g以下，當(dāng)pH大于4.0時，隨著溶液pH的增加，蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附在近中性條件下達(dá)到最佳效果。

(3) 蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附量隨著Cd2+初始濃度的增大而增大；Langmuir模型可以較好的擬合等溫吸附曲線，模擬得到的最大飽和吸附量為4.47 mg/g。

(4) 蚓糞腐殖酸對Cd2+的吸附量隨著反應(yīng)時間的增加而增加，吸附40 min后基本達(dá)到飽和，吸附過程中未出現(xiàn)較大程度的解吸現(xiàn)象。