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生物吸附技术是近年来环境领域里迅速发展起来的处理工业污染废水的新技术,它利用各种生物(微生物)吸附废水中的重金属离子。与传统的离子交换等技术相比,生物吸附具有以下优点:原材料来源广泛,投资小,运行费用低;不会产生第二次污染:吸附容量大,金属去除率高;能选择性吸附金属离子,不容易受到钙、镁离子影响;反应pH值和温度条件范围宽;适用于处理浓度较低(<100mg/L)的重金属废水;被吸附的金属离子容易洗脱下来,可以重复利用。为了寻找吸附性能优良的生物吸附剂,笔者研究并比较了四川省农科院土肥所提供的毛木耳等10种高等真菌菌丝体对重金属离子Cu2+,Pb2+,Cd2+和Zn2+的吸附能力。
第一章对国内外目前生物吸附技术的现状做了综述,包括生物吸附技术的起源、吸附能力、生物吸附剂的优越性、生物吸附剂的种类与来源、生物吸附的机理、生物吸附的影响因子、生物吸附剂的洗脱及固定化等内容。
第二章介绍了实验的材料与方法,包括高等真菌菌丝体的培养,预处理的方法和重金属元素的测定方法。毛木耳菌丝体的预处理是基于生物吸附的机理对细胞进行破碎化,暴露更多的吸附位点。重金属离子浓度的测定采用原子吸收法。
第三章描述生物吸附的影响因子研究结果。本文以毛木耳菌丝体为生物吸附剂,从pH、重金属离子的起始浓度、生物吸附剂浓度、生物吸附剂种类以及共存金属离子相互作用等五个方面,对重金属离子的吸附能力作了研究。结果如下。
1.pH值对吸附的影响
pH值是影响毛木耳菌丝体生物吸附金属离子的主要因素。在pH2~6值范围内,菌丝体对Cu2+,Zn2+和Pb2+的生物吸附率分别升高了47%,62%和57%。
2.初始重金属离子浓度对吸附的影响
随着初始重金属离子的浓度增加,菌丝体对Cu2+和Pb2+的生物吸附率均呈下降趋势,下降幅度分别为46%和29%;单位质量毛木耳菌丝体对Cu2+和Pb2+的吸附量上升,分别从0.14mg/g提高到2.95mg/g和0.20mg/g提高到11.80mg/g。
3.生物吸附剂浓度对吸附的影响
提高生物吸附剂的投加量,Cu2+的吸附率提高不明显(25.73%~32.55%),单位质量吸附剂的吸附量显著下降(1.86mg/g~0.58mg/g);对Pb2+的吸附率有一定影响(66.99%~84.51%),单位质量吸附剂的吸附量也显著下降(4.94mg/g~1.56mg/g)。吸附剂的有效利用率降低了。为了节约成本,生物吸附剂投加量为4g/L比较合适。
4.生物吸附剂的种类对吸附的影响
供试的10种高等真菌对Pb2+的生物吸附能力存在显著差异:对于初始Pb2+为10mg/L的溶液,多磷脂伞吸附Pb2+的能力最差,对Pb2+吸附量为0.96mg/g,吸附率仅为38.38%;毛木耳吸附Pb2+的能力明显优于其它供试品种,对Pb2+吸附量为2.19mg/g,吸附率达到86.79%。
5.共存金属离子之间的相互作用
Pb2+抑制毛木耳菌丝体对Cd2+的吸附,Cd2+的吸附率由88.97%降低到11.45%(Pb2+浓度在0~30mg/L变化);而Cd2+促进了Pb2+的吸附,Pb2+的吸附率从55.96%升高99.22%(Cd+浓度在0~30mg/L变化)。
Cu2+促进Pb2+的吸附,Pb2+吸附率从52.97%提高到94.07%(Cu2+浓度0~30mg/L变化);Pb2+抑制Cu2+的吸附,Cu2+的吸附率变化为41.50%~26.32%(Pb2+浓度在0~30mg/L变化)。并且在Cu2+和Pb2+浓度相当(10mg/L)时,对彼此吸附的抑制作用最为显著,吸附率均很低,分别为23.4g070和52.97%。
Cu2+对Cd2+的吸附起到抑制作用,Cu2+的浓度变化范围0~30mg/L,Cd2+的吸附率变化为88.97%~7.96%;相反,Cd2+对Cu2+的吸附有促进作用,Cd2+的浓度变化范围0~30mg/L,Cu2+的吸附率变化为28.42%~50.54%。当Cu2+和Cd2+浓度相等(10mg/L)时,两种离子的竞争最为激烈,吸附效率都显著降低,分别为28.42%和26.92%。
6.毛木耳菌丝体生物吸附重金属离子的热力学平衡过程
通过对平衡数据做了Langmuir方程的回归分析,得到了室温(25℃)条件下Pb2+,Cd2+和Cu2+的最大吸附容量分别为13.04mg]g,7.39mg/g和3.34mg/g。提高吸附反应温度,Cu2+的饱和吸附容量没有显著变化。
7.高等真菌生物吸附重金属离子的动力学过程
吸附反应非常迅速,在前10min内,毛木耳菌丝体对Pb2+,Zn2+和Cu2+吸附量都达到了总吸附量的90%以上。吸附30min左右达到平衡。一级反应方程不适用于描述吸附过程,二级反应方程和实验数据拟和很好,表明毛木耳菌丝体对金属离子的整个吸附不是一个单纯的一级反应,细胞壁上的多种不同官能团参与了反应。
目前,高等真菌生物吸附技术的发展正方兴未艾,本文的理论研究挖掘了其在工业上的应用潜力,并为该项技术开发的进一步研究打下了理论基础。