水葫蘆生物質(zhì)對(duì)重金屬競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制分析

龍俊霞

（鄭州師范學(xué)院，河南 鄭州 450000）

在化工、采礦、冶煉等行業(yè)的迅速發(fā)展下，加之各類化肥農(nóng)藥的大量使用以及不合理堆放、填埋問(wèn)題的影響，導(dǎo)致大量重金屬進(jìn)入到水體中，給環(huán)境與人體健康造成了極為負(fù)面的影響。水葫蘆（Water Hyacinth）俗稱水鳳仙、水荷花，為多年生漂浮性草本植物，原產(chǎn)自南美，從上世紀(jì)30 年代引入我國(guó)，在華東、華中和華南地區(qū)有廣泛分布，水葫蘆在多種生態(tài)環(huán)境中存在，包括湖泊、水庫(kù)、溝渠、池湯、河道、沼澤等，水葫蘆的抗病性強(qiáng)、耐肥力高，是公認(rèn)的生物入侵物種。水葫蘆最早作為豬飼料被引入我國(guó)，后來(lái)迅速繁殖，是引起水質(zhì)惡化、水路運(yùn)輸受阻、水生生物減少的重要誘因之一。生物炭是一種生物有機(jī)材料，可作為土壤改良劑、還原劑、二氧化碳封存劑，也是一種高品質(zhì)能源，當(dāng)前，生物炭在重金屬吸附、水體凈化、固碳減排、土壤改良中，得到了廣泛應(yīng)用，生物炭來(lái)源多樣，材料廣泛。如今，生物炭已經(jīng)引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注，水葫蘆繁殖迅速、數(shù)量大，還缺乏行之有效的處理方式，對(duì)此，研究人員嘗試將水葫蘆生物質(zhì)制作為生物炭，這對(duì)重金屬競(jìng)爭(zhēng)吸附具有一定的作用。

1 生物炭重金屬競(jìng)爭(zhēng)吸附的影響因素

生物炭是采用廢棄生物質(zhì)，在缺氧、無(wú)氧環(huán)境下制造而成的固態(tài)產(chǎn)物，有著表面含氧官能團(tuán)豐富、比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)好的特征，能夠減小重金屬生物有效性。其理化特性會(huì)受到生物質(zhì)類型、制備條件等因素的影響。

1.1 生物質(zhì)種類影響

生物質(zhì)種類對(duì)于制作而成的生物炭理化作用、元素組成，均有直接影響。Xu[1]等，針對(duì)農(nóng)作物秸稈炭制作的生物炭吸附作用進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，花生秸稈炭在Cu(II)的吸附效果上，優(yōu)于油菜秸稈炭。研究顯示，采用硬木制備而成的生物炭，對(duì)于土壤中的Pb、Cd 均有一定的吸附作用，但是，對(duì)于As、Cu的吸附效果并不好。因此，生物炭種類不同，對(duì)于各類重金屬的吸附效果也存在差異。

1.2 熱解溫度的影響

熱解溫度對(duì)于生物炭的理化特征也有重要影響，既會(huì)對(duì)其成分含量、產(chǎn)率產(chǎn)生影響，也直接影響生物炭PH 值、孔隙結(jié)構(gòu)。Chen[2]的研究顯示，隨著熱解溫度的提升，松針炭的比表面積也不斷增加。

1.3 添加量的影響

添加量也是影響吸附效果的一個(gè)因素之一。Jiang[3]等針對(duì)稻草秸稈炭的添加進(jìn)行了一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，在添加量的增加下，吸附效果逐步增強(qiáng)。還有研究人員針對(duì)芒草秸稈炭對(duì)土壤中Cd、Pb 的吸附進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，在添加量為10% 的比例下，吸附效果更優(yōu)。綜合來(lái)看，增加施加量，可優(yōu)化吸附能力，但是，施加量不宜過(guò)大，過(guò)量施加會(huì)增加成本，也會(huì)影響生態(tài)循環(huán)。

2 不同水葫蘆生物質(zhì)對(duì)重金屬競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制分析

水葫蘆的繁殖能力、生命力強(qiáng)，在多年前，就應(yīng)用在污染修復(fù)中，水葫蘆對(duì)于水土中的重金屬具有良好的凈化效果，且耐性高，因此，將水葫蘆制作成不同形式的生物質(zhì)來(lái)吸附水土污染物也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

水葫蘆干粉的吸附機(jī)制：目前，水葫蘆干粉制作技術(shù)已經(jīng)成熟，被廣泛用于水體治理。有研究人員在對(duì)水葫蘆干燥處理后，將其打成細(xì)粉，針對(duì)水體中的Cu、Cd 來(lái)進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在溫度30℃、pH 值為5 的條件下，水葫蘆干粉的吸附效果更佳，對(duì)于Cd 的吸附效果優(yōu)于Cu。還有研究人員采用水葫蘆干粉來(lái)處理水體中的Cu、Cr，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在pH值介于5、6 時(shí)，吸附反應(yīng)最佳，對(duì)于Cu、Cr 吸附容量分別為32.5mg/g、33.9mg/d。根據(jù)FTIR 光譜儀分析顯示，在水葫蘆干粉中，-COOH、-OH 官能團(tuán)在其中起著主要作用。在干粉進(jìn)入污染水體后，會(huì)釋放出大量的K+、Mg2+、Ca2+，與重金屬離子進(jìn)行離子交換，從而達(dá)到吸附效果，對(duì)于不同類型的重金屬離子，吸附大小不同。

隨著技術(shù)的成熟，水葫蘆干粉改性研究也取得了顯著成果，有研究人員采用二氧化硫?qū)λJ干粉來(lái)做出改性處理，結(jié)果顯示，改性完畢后，其吸附能力得到顯著增強(qiáng)，最大吸附量得以提升。其主要原因是由于水葫蘆中有豐富的纖維素，經(jīng)過(guò)改性處理，可以改變干粉表面形態(tài)，使其表面變得疏松、粗糙，繼而提升其吸附能力。

水葫蘆纖維素提取物的吸附機(jī)制：在水葫蘆中，纖維素含量豐富，其中有多個(gè)羧基基團(tuán)，這是一種多毛細(xì)管、纖維狀，聚合物，比表面積大、孔隙多，利用水葫蘆的這一特征，利用化學(xué)改性法可以制作出水葫蘆纖維素提取物。相較于油菜、玉米秸稈，采用同樣工藝制造而成的纖維素，水葫蘆纖維素的吸附效果更好。究其原因，是由于水葫蘆機(jī)械強(qiáng)度等物理性能更好，其中的纖維素多為非晶態(tài)纖維素，化學(xué)活性非常好，通過(guò)改性后，纖維素有效成分含量較高，對(duì)重金屬的吸附能力、吸附速率也更好。

水葫蘆生物炭對(duì)重金屬的競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制：水葫蘆中有豐富的-OH、-COO- 官能團(tuán)與纖維素，但其生物量大、繁殖速度快、不易保存，將其制作為生物炭，不僅可以提升資源利用率，也可以減少水葫蘆對(duì)水體造成的污染。有研究人員分別針對(duì)200℃、300℃、400℃、500℃環(huán)境下水葫蘆生物炭對(duì)重金屬離子的吸附作用進(jìn)行了研究，實(shí)踐顯示，在500℃環(huán)境下，水葫蘆生物炭的吸附效果更好，其吸附量為Cu ＞Zn ＞Cd ＞Pb，水葫蘆生物炭能夠?qū)h(huán)境污染轉(zhuǎn)化為清潔技術(shù)，與廢棄物資源利用的要求相一致。從競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制來(lái)看，Mahamadi[4]等針對(duì)水葫蘆生物炭對(duì)于Cd、Pb、Zn 在三元復(fù)合體系、二元復(fù)合體系中的競(jìng)爭(zhēng)吸附進(jìn)行了研究，研究顯示，Cd、Pb、Zn有拮抗作用。有研究人員針對(duì)水葫蘆生物炭對(duì)于Cd、Cu 單一組分、二元復(fù)合體系的吸附競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制進(jìn)行了分析，并采用PSO 來(lái)預(yù)測(cè)擬合參數(shù)，結(jié)果顯示，水葫蘆生物炭對(duì)于Cd、Cu都有良好的親和力，對(duì)于某種重金屬離子的親和性，會(huì)受到其他重金屬離子影響，表現(xiàn)出拮抗效果。在二元復(fù)合體系中，Cu會(huì)對(duì)Cd 產(chǎn)生抑制作用，現(xiàn)有的研究顯示，水葫蘆生物炭對(duì)于Cu 具有更強(qiáng)的親和性，是由于Cu 在競(jìng)爭(zhēng)體系中，占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

將水葫蘆通過(guò)加工處理制作成吸附性強(qiáng)的生物質(zhì)，不僅解決了水葫蘆造成的水體污染，對(duì)于重金屬離子，也具有良好的吸附作用。而水葫蘆生物體的部位不同、處理措施不同，對(duì)于重金屬的吸附效果也存在差異。目前，關(guān)于水葫蘆生物質(zhì)對(duì)重金屬競(jìng)爭(zhēng)吸附機(jī)制，還沒(méi)有完全探究清楚，在下一階段，需要針對(duì)不同復(fù)合體系中的競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系進(jìn)行深入研究，以充分發(fā)揮出水葫蘆生物質(zhì)的吸附作用。