活性炭聯(lián)合植物修復(fù)對(duì)水中鉻的去除效果研究①

張之浩，李 威

（1．長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410004；2．中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410004）

目前去除溶液中鉻的技術(shù)主要有膜分離法、化學(xué)沉淀法、離子交換法等［1－2］。植物修復(fù)技術(shù)具有綠色、經(jīng)濟(jì)且適用于大面積鉻污染區(qū)修復(fù)等特點(diǎn)［3－4］，是目前土壤、水體修復(fù)技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向［5－6］。相較于傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)，在植物生態(tài)修復(fù)過程中同步引入吸附法可很好地彌補(bǔ)單一植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)之不足。吸附法主要利用發(fā)達(dá)孔隙或高比表面積的固體多孔吸附材料，通過靜電作用、離子交換和絡(luò)合作用去除溶液中重金屬［7－8］，適用于各種重金屬溶液，尤其對(duì)含鉻溶液進(jìn)行深度處理具有良好效果［9－11］。

本文針對(duì)重金屬鉻污染溶液，挑選了李氏禾作為植物修復(fù)技術(shù)的模式生物，基于李氏禾中鉻含量，通過富集、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和提取量以及溶液中鉻含量評(píng)價(jià)其修復(fù)效果；同時(shí)選取活性炭（AC）作為吸附劑，研究其對(duì)鉻的去除效果；從而探討吸附技術(shù)與植物修復(fù)技術(shù)共同作用下的含鉻溶液修復(fù)效果。

1 實(shí)驗(yàn)原料、儀器和方法

1．1 實(shí)驗(yàn)原料

乙醇、HNO3、NaOH、硫代巴比妥酸、重鉻酸鉀，均為分析純，購買于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為高純水。

吸附劑為活性炭粉（比表面積1 020 m2／g）。

所選植物為李氏禾，采自長沙市某鎮(zhèn)周邊的田埂或者魚塘邊上，周邊土地未曾受到重金屬污染。將采回的李氏禾根部雜質(zhì)摘除，然后用自來水反復(fù)沖洗，最后用超純水潤洗。將洗凈的李氏禾放入含100%霍格蘭營養(yǎng)液的容器中，并加入青鏈霉素對(duì)根部滅菌，并避光防止藻類生長，然后放入人工氣候培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)。固定李氏禾的泡沫板為EPE材質(zhì)，購于淘寶histimo旗艦店。

1．2 實(shí)驗(yàn)儀器

主要儀器包括電子分析天平（BSA124S－CW，德國Sartorius）、磁力攪拌器（KMS－521D，上海精鑿科技公司）、鼓風(fēng)干燥箱（DHG－9013A，上海一恒科學(xué)儀器公司）、pH計(jì)（PHS－3C，上海雷磁有限公司）、消解儀（09A24S，博通實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）、紫外可見分光光度計(jì)（UV－2600，日本島津公司）和電感耦合等離子MS儀（ICPMS－Agilent 7700，安捷倫科技有限公司）等。

1．3 活性炭吸附實(shí)驗(yàn)

采用去離子水配制不同濃度的含鉻模擬溶液，以5%HNO3或5%NaOH溶液為pH調(diào)節(jié)劑，以活性炭為吸附劑，通過改變?nèi)芤簆H值、吸附時(shí)間和活性炭添加量，研究不同條件下鉻的去除率。

1．4 植物修復(fù)及活性炭聯(lián)合植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)

選取生長一致的李氏禾植物，用去離子水沖洗干凈，待水分蒸發(fā)完全，每份植物稱取100 g，栽植在10 L含鉻模擬溶液或含有活性炭的含鉻模擬溶液中，用泡沫板使其浮在水面上，進(jìn)行植物修復(fù)及活性炭聯(lián)合植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)。

1．5 Cr含量測定方法

采用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解，取上清液通過0．22μm微孔濾膜過濾，利用ICP-MS檢測溶液和植物中Cr濃度。

1．6 根長及生物量測定

根長測定：測量各處理組的李氏禾莖部以下的根長，取平均值作為該組的李氏禾根長。

生物量測定：將李氏禾洗干凈，用0．1 mol／L的Ca（NO3）2溶液浸泡30 min，自來水沖洗后再用去離子水沖洗，處理好后分開根、莖、葉，放入105℃烘箱殺青30 min，再調(diào)至70℃烘至恒重，生物量以植物的最終干重表示。

1．7 丙二醛（MDA）、過氧化氫酶（CAT）測定

采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛；采用紫外分光光度計(jì)測定過氧化氫酶。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 溶液Cr初始濃度對(duì)鉻去除率的影響

李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L、反應(yīng)時(shí)間120 h條件下，考察活性炭吸附、植物修復(fù)及活性炭聯(lián)合植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，Cr初始濃度對(duì)鉻去除率的影響，如圖1所示。由圖1可知，首先隨著Cr初始濃度提高，3組實(shí)驗(yàn)的鉻去除率均明顯提升；但當(dāng)Cr初始濃度超過5 mg／L時(shí)，鉻去除效率降低。單純使用植物修復(fù)時(shí)，高濃度鉻可以使植物中毒，導(dǎo)致其吸收能力下降?；钚蕴柯?lián)合植物修復(fù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于單純使用活性炭吸附或植物修復(fù)，始終保持較高的去除效率。綜合考慮，選取溶液Cr初始濃度5 mg／L。

圖1 溶液Cr初始濃度對(duì)鉻去除率的影響

2．2 活性炭添加量對(duì)鉻去除率的影響

Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、反應(yīng)時(shí)間120 h條件下，活性炭添加量對(duì)鉻去除率的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著活性炭添加量的增加，鉻去除率先增加后保持不變。當(dāng)活性炭添加量達(dá)到150 mg／L時(shí)，吸附過程基本達(dá)到了平衡。因此，選取活性炭添加量150 mg／L。

圖2 活性炭添加量對(duì)鉻去除率的影響

2．3 吸附時(shí)間對(duì)鉻去除率的影響

Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L條件下，吸附時(shí)間對(duì)鉻去除率的影響如圖3所示。由圖3可知，活性炭吸附及活性炭聯(lián)合植物修復(fù)均在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸附平衡。而單獨(dú)使用植物修復(fù)時(shí)，吸附平衡需要較長時(shí)間。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)鉻去除率的影響

活性炭可快速吸附溶液中鉻，而較低濃度的鉻也可以很好地吸附在李氏禾中，達(dá)到復(fù)合吸附效果；同時(shí)李氏禾對(duì)鉻的吸收可使鉻高濃度聚集，為活性炭高效吸附鉻奠定了基礎(chǔ)，有利于加速鉻的吸附過程。綜合考慮，吸附時(shí)間選擇120 h，此時(shí)活性炭聯(lián)合植物修復(fù)的鉻去除率達(dá)到95%。

2．4 活性炭對(duì)李氏禾根長和生物量的影響

除了考察李氏禾對(duì)鉻的吸附能力，還應(yīng)了解李氏禾在鉻污染溶液中的生長和解毒情況。李氏禾根長和生物量可以表征植物的吸收能力、適應(yīng)性，反應(yīng)其對(duì)重金屬鉻的耐性。圖4和圖5分別為Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L時(shí)，活性炭對(duì)李氏禾根長和生物量的影響。隨著培養(yǎng)時(shí)間增長，單獨(dú)使用植物修復(fù)及活性炭聯(lián)合植物修復(fù)兩組實(shí)驗(yàn)中，李氏禾的根長和生物量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；第15 d時(shí)，兩組實(shí)驗(yàn)李氏禾根長分別為9．6 cm和15．5 cm，生物量分別為7．7 g／（10株）和13 g／（10株）。

圖4 活性炭對(duì)李氏禾根長的影響

圖5 活性炭對(duì)李氏禾生物量的影響

活性炭聯(lián)合植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)中李氏禾根長和生物量（10株）均高于單獨(dú)使用植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)。表明當(dāng)Cr濃度5 mg／L時(shí)，鉻離子一定程度抑制了李氏禾生長，但是沒有達(dá)到毒害的程度，李氏禾在一定范圍內(nèi)對(duì)鉻具有較強(qiáng)的耐性。而添加活性炭可以有效降低鉻對(duì)李氏禾生長發(fā)育的抑制作用。

2．5 活性炭對(duì)李氏禾葉片中丙二醛含量的影響

脂質(zhì)氧化終產(chǎn)物丙二醛能夠加劇細(xì)胞膜的損傷，其含量越高，表明脂質(zhì)過氧化越激烈，細(xì)胞受到的損傷就越大。圖6為Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L條件下，活性炭對(duì)李氏禾葉片中丙二醛含量的影響。由圖6可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，無論是否添加活性炭，李氏禾葉片丙二醛含量均呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，并且在第15 d基本降到最低，說明鉻對(duì)李氏禾造成的抑制作用在變小。

圖6 活性炭對(duì)李氏禾葉片中丙二醛含量的影響

2．6 活性炭對(duì)李氏禾葉片中過氧化氫酶活性的影響

植物受到重金屬脅迫時(shí)，生理代謝系統(tǒng)容易紊亂致使細(xì)胞活性氧失衡，造成活性氧積累，對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生破壞?？寡趸瘹涿甘侵参锴宄钚匝醯闹匾镔|(zhì)，在緩解植物毒害方面有著重要作用。圖7為Cr初始濃度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L條件下，活性炭對(duì)李氏禾葉片過氧化氫酶活性的影響。隨著培養(yǎng)時(shí)間增長，單獨(dú)植物修復(fù)和活性炭聯(lián)合植物修復(fù)實(shí)驗(yàn)中，李氏禾葉片中過氧化氫酶活性表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。說明在初始濃度5 mg／L的鉻脅迫下，李氏禾受到毒害，過氧化氫酶會(huì)升高清除產(chǎn)生的活性氧自由基。添加活性炭可以增加李氏禾葉片中過氧化氫酶的活性。

圖7 活性炭對(duì)李氏禾過氧化氫酶活性的影響

3 結(jié) 論

1）建立了一種活性炭聯(lián)合植物修復(fù)技術(shù)，可高效去除溶液中鉻，除鉻效果明顯優(yōu)于單獨(dú)活性炭吸附或植物修復(fù)。

2）活性炭聯(lián)合植物修復(fù)去除鉻具有協(xié)同作用，活性炭可以吸收高濃度的鉻，使鉻不危害李氏禾的生長，而李氏禾對(duì)鉻的吸附使鉻局部濃度提高，為活性炭吸附鉻提供基礎(chǔ)。

3）添加活性炭后，李氏禾的生長狀況良好且解毒情況得到了提升，李氏禾葉片中產(chǎn)生的丙二醛減少，過氧化氫酶活性增加，從而有利于李氏禾抵抗鉻污染。