楊偉明,黃海偉,鄭舒冉,王文峰,曹理想,張仁鐸* (.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東省環(huán)境污染控制與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 5075；.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 5075)

Ni(Ⅱ)是工業(yè)廢水中常見的重金屬離子,對(duì)生物體具有較強(qiáng)的毒害效應(yīng)[1].與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)處理方法相比,生物吸附法成本低廉、吸附劑來源廣泛,更適合處理含低濃度(＜100mg/L)重金屬的廢水[2].目前以微生物為吸附劑去除重金屬的研究較多,而以大型真菌子實(shí)體作為吸附劑的研究則較少.大型真菌子實(shí)體是以產(chǎn)孢構(gòu)造存在的一類經(jīng)濟(jì)型高等真菌,其細(xì)胞中含有大量的多糖和蛋白質(zhì),而多糖和蛋白質(zhì)中含有胺基、羧基、羥基等各種功能團(tuán),這些功能團(tuán)可與重金屬結(jié)合而起到去除重金屬的作用,且細(xì)胞壁有更高的重金屬生物吸附能力[3-4],因此,大型真菌子實(shí)體具有成為生物吸附劑的潛力.

利用生物體去除水中Ni(Ⅱ)的研究已有一些報(bào)道, Axtell等[5]進(jìn)行了浮萍(Lemna minor)對(duì)Ni(Ⅱ)的吸附研究,結(jié)果顯示 Ni(Ⅱ)的最大去除率達(dá)到82%.Tahir等[6]利用芽孢桿菌(Bacillus sp.)對(duì)Ni(Ⅱ)的最大吸附量達(dá)到118mg/g,最大去除率達(dá)到97%.與應(yīng)用真菌菌絲體進(jìn)行生物吸附相比,利用大型真菌子實(shí)體進(jìn)行生物吸附不會(huì)因其

生長(zhǎng)狀態(tài)及物質(zhì)組成的不同而影響吸附效果[7],這表明利用大型真菌子實(shí)體作為重金屬生物吸附劑具有更廣泛的應(yīng)用前景.我國大型真菌種類眾多,如木耳目中毛木耳(Auricularia polytricha),種植廣泛,來源豐富,但其對(duì) Ni(Ⅱ)的吸附研究未見報(bào)道.

本研究探討不同吸附條件對(duì)毛木耳子實(shí)體吸附水體中Ni(Ⅱ)的影響,并利用響應(yīng)曲面法(RSM)優(yōu)化其吸附條件,以期為進(jìn)一步深入研究大型真菌吸附重金屬提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 生物吸附劑的制備

新鮮毛木耳子實(shí)體用自來水沖洗至無雜質(zhì),再用去離子水沖洗3次,置于烘箱中60℃烘干至恒重.烘干后樣品置于粉碎機(jī)中破碎過篩,取 0.47～0.90mm 粒徑的樣品,保存于聚乙烯袋中待用.

1.2 Ni(Ⅱ)溶液的配制

本實(shí)驗(yàn)中用到的試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.用 Ni(NO3)2?6H2O 制備含 Ni(Ⅱ)濃度為1000mg/L的儲(chǔ)備液.為防Ni(Ⅱ)離子形成絡(luò)合物,所用金屬鹽為硝酸鹽[8].

不同起始pH 值(詳見1.3)的Ni(Ⅱ)溶液用0.1mol/L的HNO3/NaOH調(diào)節(jié),用pH計(jì)(Mettler Toledo,FE 20, Swiss)測(cè)定,吸附前后的Ni(Ⅱ)溶液濃度用火焰原子吸收儀(FAAS,HITACHI Z-5000,Japan)測(cè)定.

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

利用中心組合設(shè)計(jì)方法(CCD)設(shè)計(jì)吸附實(shí)驗(yàn).CCD是響應(yīng)曲面分析法(RSM)的一種,可在盡可能少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)情況下對(duì)吸附過程條件進(jìn)行最優(yōu)化[9].本研究在毛木耳子實(shí)體吸附 Ni(Ⅱ)過程中,應(yīng)用CCD對(duì)起始pH值、固液比、重金屬初始濃度3個(gè)主要吸附影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,此時(shí)k=3,取中心點(diǎn)重復(fù)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)n0=6,則實(shí)驗(yàn)總數(shù)N=20,軸點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為6.對(duì)于k個(gè)因子數(shù)的中心組合設(shè)計(jì)中,軸點(diǎn)的編碼值α=2k/4,本研究中α=1.68.

首先利用式(1)對(duì)吸附影響因素變量進(jìn)行編碼[10-11]:

式中: xi為第i個(gè)吸附影響因素的無量綱編碼值;Xi為第i個(gè)吸附影響因素的實(shí)際值; X0為Xi在中心點(diǎn)的實(shí)際值; ΔX為各個(gè)因素中高水平實(shí)際值與中心水平實(shí)際值之差. X1、X2、X3分別代表 3個(gè)吸附影響因素的實(shí)際值,即起始pH值、固液比(g/L)、Ni(Ⅱ)初始濃度(mg/L).

吸附影響因素變量利用經(jīng)驗(yàn)二階多項(xiàng)式模型來進(jìn)行擬合, 以用于描述各影響因素對(duì)吸附過程的影響:

式中: Y為吸附率的響應(yīng)值; β0、βi、βii分別為偏移項(xiàng)、線性偏移和二階偏移系數(shù); βij是交互效應(yīng)系數(shù): xi與xj是各因素水平編碼值, ε為隨機(jī)誤差.

本研究中吸附影響因素取值范圍參考Amini等[12]的研究,各因素的5水平編碼值分別為-1.68, -1.00,0.00,1.00,1.68;對(duì)應(yīng)的實(shí)際值: 起始pH值為1.48,2.50,4.00,5.50,6.52;固液比為0.1,1.6,3.8,6.0,7.5g/L;Ni(Ⅱ)初始濃度為1.5,24.0,57.0,90.0,112.5mg/L.吸附影響因素水平編碼值及其實(shí)際值如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)中吸附影響因素水平編碼值及其實(shí)際值Table 1 Experimental conditions and levels of the independent variables

根據(jù)CCD法設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行批量吸附實(shí)驗(yàn),溶液起始pH值用0.1mol/L HNO3和0.1mol/L NaOH調(diào)節(jié),溶液起始pH值分別設(shè)為1.48,2.50,4.00,5.50,6.52,分別秤取質(zhì)量為0.0025,0.0950,0.0400,0.1500,0.1875g的毛木耳子實(shí)體,放入含25mL不同濃度的Ni(Ⅱ)溶液的三角錐瓶中,具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2,用恒溫振蕩器在150r/min,25 ℃的條件下振蕩,振蕩時(shí)間為120min,振蕩后溶液用定量濾紙(雙圈202,杭州新華紙業(yè)有限公司)過濾,吸附前后溶液中Ni(Ⅱ)濃度用FAAS測(cè)定.

1.4 吸附率的計(jì)算

毛木耳子實(shí)體對(duì) Ni(Ⅱ)的吸附率用式(3)計(jì)算.

式中: η是吸附劑對(duì)水溶液中重金屬離子的吸附率; ci是溶液中Ni(Ⅱ)的初始濃度, mg/L; ce是反應(yīng)后溶液中Ni(Ⅱ)濃度, mg/L.

1.5 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,數(shù)據(jù)用3次重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差表示.數(shù)據(jù)處理使用 Excel2008,制圖使用Orgrin8.0軟件, CCD法設(shè)計(jì)優(yōu)化利用Design Expert 7.0.0實(shí)現(xiàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 用CCD法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

由表2可以看出, 毛木耳子實(shí)體吸附Ni(Ⅱ)的最大吸附率實(shí)測(cè)值為100%,此時(shí)Ni(Ⅱ)起始濃度為1.5mg/L.利用Design Expert進(jìn)行曲面方差分析,結(jié)果得到以吸附率為響應(yīng)值建立的二階多項(xiàng)式模型表達(dá)式為:

YNi=+ 43.33 + 12.89x1+ 17.83x2–16.27x3–2.11 x1x2–4.39x1x3–3.52x2x3–7.37x12–4.10x22+ 6.62x32(4)式中:YNi為Ni(Ⅱ)吸附率的響應(yīng)值; x1、x2、x3分別表示起始pH值、固液比(g/L)、重金屬初始濃度(mg/L)的無量綱編碼值.利用Design-Expert軟件進(jìn)行計(jì)算,得到毛木耳子實(shí)體吸附Ni(Ⅱ)模型的R2值為0.9771,說明模型很好地?cái)M合了吸附行為.

表2 CCD方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果Table2 Experimental design and results based on central composite design (CCD)

通過模型方差分析可以得到系數(shù)估計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)誤差、F值、P值來檢驗(yàn)3種影響因素是否對(duì)吸附過程具有統(tǒng)計(jì)意義.由表3可看出,在毛木耳子實(shí)體吸附Ni(Ⅱ)過程中, 模型x1、x2、x3的P值均＜0.0001,說明模型中起始pH值、固液比、Ni(Ⅱ)初始濃度均為對(duì)吸附率有顯著影響的因素;而吸附 Ni(Ⅱ)中x1、x2、x3的F 值 分 別 為62.88,120.34,100.22,說明考察的3種吸附影響因素均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.在交互項(xiàng)中,毛木耳子實(shí)體吸附Ni(Ⅱ)的x1x2、x1x3、x2x3的P值分別為0.3486,0.0725, 0.1358,說明3個(gè)吸附因素之間的交互作用不明顯.

若不考慮交互項(xiàng), 得到的簡(jiǎn)化模型表達(dá)式為:

式中:YNi′為Ni(Ⅱ)吸附率的簡(jiǎn)化模型的響應(yīng)值,此時(shí)毛木耳子實(shí)體吸附 Ni(Ⅱ)模型的R2值分別為0.9542.

表3 模型方差分析結(jié)果Table 3 ANOVA results for model terms

2.2 吸附因素對(duì)吸附的影響

pH值在水溶液中強(qiáng)烈影響吸附劑表面特征以及重金屬離子在水溶液中的存在形式和電離度[13].Pagnanelli等[14]研究發(fā)現(xiàn)不同的pH值條件下,吸附反應(yīng)的吸附機(jī)制有所不同,對(duì)每種特定的金屬-生物吸附體系都有一個(gè)最適起始pH值,一般在pH4～8之間,在其他條件相同的情況下,在最適起始pH值條件下的吸附效率最好.在一定pH值范圍內(nèi),吸附率隨起始pH值的升高而增大,但金屬吸附率與pH值之間并不成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[15].Can等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水溶液中pH＞6.5時(shí),即出現(xiàn) Ni(Ⅱ)的沉淀,干擾并難以辨別生物吸附過程,故本研究選取pH范圍最高到6.52.圖1中響應(yīng)面圖顯示,在毛木耳子實(shí)體對(duì) Ni(Ⅱ)的吸附過程中,吸附率均隨著pH值的升高而增大; 在低起始pH 值條件下,對(duì) Ni(Ⅱ)的吸附效果較差,隨著起始pH值的升高,吸附效果逐漸提高;當(dāng)pH值超過最佳值時(shí),吸附率逐漸降低,主要與生物體細(xì)胞表面電離性質(zhì)發(fā)生變化有關(guān),如生物體表面發(fā)生重金屬微沉淀現(xiàn)象[14,16].

在低起始pH值下,水中存在的大量氫離子與重金屬離子競(jìng)爭(zhēng)大型真菌子實(shí)體上的吸附點(diǎn)位,因而重金屬離子吸附率很低.當(dāng)溶液pH值升高后,生物吸附劑表面逐漸呈現(xiàn)負(fù)電性,生物體表面活性基團(tuán)與水溶液中重金屬離子之間的靜電力作用大于其與氫離子的結(jié)合力,因此極大地促進(jìn)了生物體對(duì)水中重金屬離子吸附.生物體表面電性為零時(shí)的pH值稱為稱為等電位點(diǎn)[17],溶液pH值低于這一點(diǎn)時(shí),生物體表面帶正電,而pH值高于這一點(diǎn)時(shí),生物體表面帶負(fù)電.生物體表面帶負(fù)電荷時(shí)有利于生物體吸附水中重金屬離子,帶正電荷則不利于這一過程的進(jìn)行.Akar等[18-19]利用不同真菌吸附 Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ),發(fā)現(xiàn)盡管真菌類型不同,但吸附 Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)的最適pH值均在5～7之間.通過比較毛木耳子實(shí)體吸附Ni(Ⅱ)的起始pH值,發(fā)現(xiàn)其最佳起始pH值在 5～6的范圍中,與其他研究得到的結(jié)論相一致[1,12,20-21].可見,生物體吸附的最佳起始pH值很大程度上決定于重金屬的種類,對(duì)同一種重金屬離子,盡管吸附的生物體不同,但最適起始pH值均處于一個(gè)范圍之內(nèi).而水溶液中pH在1～6.8范圍內(nèi) Ni(Ⅱ)以Ni2+離子的形態(tài)存在,不發(fā)生形態(tài)上的變化[22].

固液比在很大程度上決定吸附過程達(dá)到平衡的效果[2].圖 1顯示固液比明顯的影響菌體吸附重金屬的吸附率(P值＜0.0001),隨著固液比的增大,毛木耳子實(shí)體對(duì) Ni(Ⅱ)的吸附率均逐漸提高.固液比的增加可以提供更多的生物吸附點(diǎn)位,此時(shí)菌體與重金屬的接觸面積也增大,所以吸附率不斷增加.當(dāng)吸附率增大到一定程度時(shí),重金屬吸附率不會(huì)隨吸附劑用量的增加而發(fā)生很大變化,這是因?yàn)樵诟吖桃罕鹊那闆r下,菌體之間發(fā)生局部聚集導(dǎo)致活性點(diǎn)位不變或降低,從而使得吸附率不再增加,Ghorbani等[23]利用釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)吸附水溶液中的Cd(Ⅱ)發(fā)現(xiàn),隨著固液比的增加,雖然可用于生物吸附的點(diǎn)位也不斷增加,但吸附劑出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,導(dǎo)致吸附點(diǎn)位之間的相互干擾,使溶液中的重金屬離子難以被吸附點(diǎn)位吸附.

圖1 在各因素影響下吸附率的響應(yīng)曲面圖Fig.1 Response surface for the mutual effect of pH, biomass dose, and heavy metal concentration on the removal efficiency of heavy metal ions

Fereidouni等[20]在利用微生物體吸附Ni(Ⅱ)的研究中發(fā)現(xiàn),過高的固液比的反而會(huì)降低生物體吸附重金屬的能力,但是在適當(dāng)?shù)墓桃罕认?生物體中有較多的不飽和表面結(jié)合位點(diǎn),吸附率隨著固液比的增加而升高;重金屬初始濃度/固液比的比率(mg/g)是指單位質(zhì)量吸附劑對(duì)應(yīng)水中的重金屬離子量,Wang等[24]發(fā)現(xiàn),重金屬初始濃度/固液比的比率很大程度上影響吸附重金屬的效率,這證實(shí)了本研究中吸附率隨 Ni(Ⅱ)初始濃度升高而降低,固液比的升高而升高的現(xiàn)象,而在相同pH 值條件下,Ni(Ⅱ)初始濃度/固液比的比率與重金屬吸附率負(fù)相關(guān)(表4).

表4 Ni(Ⅱ)初始濃度/固液比的比率與吸附率的關(guān)系Table 4 The relationship between adsorption rate and the ratio of initial concentration/biomass dose

當(dāng)重金屬初始濃度為1.5mg/L時(shí),毛木耳子實(shí)體對(duì)Ni(Ⅱ)的吸附率達(dá)到100%,為吸附率的最大值,說明在低重金屬濃度下,毛木耳子實(shí)體的吸附效果很好;隨著重金屬初始濃度的增加,吸附率也逐漸降低.

2.3 吸附過程優(yōu)化

通過Design-Expert軟件計(jì)算可以得到毛木耳子實(shí)體吸附 Ni(Ⅱ)的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)最佳條件為:pH5.41,固液比為6.00g/L,初始濃度為24.0mg/L.在最佳優(yōu)化條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),得出毛木耳子實(shí)體對(duì)Ni(Ⅱ)的吸附率實(shí)測(cè)值達(dá)到87.12%,與預(yù)測(cè)響應(yīng)值(91.27%)相差約4%較相符,證明該模型預(yù)測(cè)結(jié)果符合實(shí)際吸附過程.

利用微生物體作為吸附劑來吸附 Ni(Ⅱ)的相關(guān)研究已得到廣泛關(guān)注,如花斑曲霉(Aspergillus versicolor)[25]、黑曲霉(Aspergillus niger)[26]、芽孢桿菌(Bacillus species)[6]、釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)[20]、微囊藻(Microcystis)[27]等微生物體被用于研究吸附Ni(Ⅱ)的能力(表5).生物體對(duì) Ni(Ⅱ)的吸附能力與生物的結(jié)構(gòu)特性、功能基團(tuán)、溶液的起始pH值以及固液比有關(guān),與其他利用生物吸附劑吸附Ni(Ⅱ)的研究相比,本研究中利用毛木耳子實(shí)體對(duì) Ni(Ⅱ)的進(jìn)行吸附,效果相當(dāng)或者更好.而相對(duì)其他生物體來說,毛木耳子實(shí)體具有來源廣泛、儲(chǔ)存方便等優(yōu)點(diǎn).由此可見,利用毛木耳子實(shí)體作為生物吸附劑處理水溶液中Ni(II)具有實(shí)際應(yīng)用前景.

表5 毛木耳子實(shí)體與其他生物吸附劑對(duì)Ni(Ⅱ)吸附效果的比較Table 5 Comparison of biosorption capacity between fruiting bodies of A. polytricha and other biosorbents on Ni(Ⅱ)from aqueous solution

3 結(jié)論

3.1 利用 CCD中心組合法進(jìn)行批量實(shí)驗(yàn)得出,毛木耳子實(shí)體吸附Ni(Ⅱ)的過程中,起始pH值、固液比和Ni(Ⅱ)初始濃度對(duì)吸附過程均有顯著影響(P＜0.0001);3個(gè)因素在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)時(shí),吸附率與起始pH值、固液比正相關(guān),與Ni(Ⅱ)初始濃度負(fù)相關(guān);起始pH值、固液比和Ni(Ⅱ)初始濃度的交互作用并不明顯.

3.2 通過響應(yīng)面優(yōu)化,得到在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)毛木耳子實(shí)體吸附Ni(Ⅱ)的最佳條件為: pH5.41,固液比為6.00g/L,初始濃度為24.0mg/L;在最佳優(yōu)化條件下進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),得出毛木耳子實(shí)體對(duì)Ni(Ⅱ)的吸附率達(dá)到87.12%.

3.3 通過與其他生物吸附劑吸附 Ni(Ⅱ)的比較發(fā)現(xiàn),利用毛木耳子實(shí)體作為生物吸附劑處理水溶液中Ni(II)效果相當(dāng)或者更好.

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