鄧加聰,蔡清曉,林新穎,鄭虹
(福建技術(shù)師范學(xué)院a.食品與生物工程學(xué)院;b.近海流域環(huán)境測(cè)控治理福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建福清 350300)
隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,染料、冶煉、醫(yī)藥等工業(yè)排放大量的工業(yè)廢水,水中鉻污染日益嚴(yán)峻,使含鉻廢水的處理倍受關(guān)注.六價(jià)鉻是對(duì)人類污染較高的污染物之一,六價(jià)鉻對(duì)人體具有很大的危害,主要表現(xiàn)為致癌、刺激、造成遺傳基因缺陷等[1-3].
吸附法、化學(xué)共沉淀法、離子交換法等[4-6]是含鉻廢水的主要治理方法.其中新興的生物吸附法[7]受到人們愈來愈多的關(guān)注,而農(nóng)林廢棄物和一些微生物均可作為生物吸附法的材料.楊爽等[8]以花生殼為原料制備花生殼活性炭,改性后的活性炭對(duì)鉻離子吸附可達(dá)97%.對(duì)鉻離子吸附的微生物主要有細(xì)菌、藻類和真菌等[9-10].魏長(zhǎng)浩等[11]研究發(fā)現(xiàn)某些藻類對(duì)鉻離子的吸附率可達(dá)95%左右.梁敏敏等[12]研究發(fā)現(xiàn),酵母菌對(duì)鉻離子的等溫吸附符合Freundlich模型,且具有良好的吸附性能.
文章從活性污泥中分離的一株鞘細(xì)菌為實(shí)驗(yàn)材料,該菌株對(duì)多種重金屬具有較強(qiáng)的吸附能力[13-14].該課題研究了鞘細(xì)菌對(duì)模擬廢水中鉻離子的吸附;研究了菌株吸附鉻離子的熱動(dòng)力學(xué),探討鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的吸附模型.以期得到鞘細(xì)菌對(duì)鉻離子吸附的最佳條件和機(jī)理,為今后鞘細(xì)菌治理含鉻污水提供一定的理論指導(dǎo).
材料:鞘細(xì)菌(Sheath bacteria).
試劑:1000 μg/mL鉻離子標(biāo)準(zhǔn)液、氯化銅、氯化鋅、重鉻酸鉀、氫氧化鈉、甘油等分析純?cè)噭?,購自上海阿拉丁生化科技股份有限公?
培養(yǎng)基:試管斜面(g/L):胰蛋白胨 5 g、丙三醇 10 g、酵母粉 1 g、瓊脂粉 20 g、 pH 7.0;種子培養(yǎng)基(g/L):尿素 0.5 g、硫酸鎂0.05 g、葡萄糖1 g、磷酸氫二鉀 0.1 g、自然pH值.
儀器:NICOLET380傅里葉變換紅外光譜儀
美國(guó)尼高力公司;Q250掃描電鏡 美國(guó)FEI公司;WFX-130B火焰原子吸收分光光度計(jì) 北京北分瑞利分析儀器(集團(tuán))有限責(zé)任公司;TG16臺(tái)式高速離心機(jī) 上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司;GL-20.5M高速冷凍離心機(jī) 上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司;LDZX-50L立式壓力滅菌器 上海申安醫(yī)療器械廠;NRY2012C恒溫培養(yǎng)振蕩箱 福州精科儀器儀表有限公司.
1.2.1 菌株的活化及吸附材料的制備
將菌株接種于試管斜面,30 ℃下培養(yǎng)36 h;挑2環(huán)菌體接種到新鮮的種子培養(yǎng)基,180 r/min 30 ℃培養(yǎng)48 h;培養(yǎng)液5 000 r/min離心10 min,收集菌體,無菌鹽水制備成2 g/L的菌懸液,即為吸附材料.
1.2.2 共存金屬離子對(duì)菌株吸附鉻離子的影響
50 mL三角瓶中裝有20 mL含有30 mg/L鉻離子濃度、30 mg/L鉻離子濃度+30 mg/L鋅離子濃度、30 mg/L鉻離子濃度+30 mg/L銅離子濃度的模擬廢水,加入制備好的吸附材料1 mL,30 ℃下振蕩吸附一定時(shí)間,測(cè)定溶液中鉻離子的濃度,計(jì)算吸附量.
1.2.3 菌株吸附六價(jià)鉻離子的單因素實(shí)驗(yàn)
50 mL三角瓶中裝有20 mL含有不同鉻離子濃度的含鉻模擬廢水,用0.1 mol/L鹽酸或氫氧化鈉將溶液pH值調(diào)至不同梯度,加入制備好的吸附材料1 mL,不同吸附時(shí)間,不同吸附溫度下振蕩吸附,測(cè)定溶液中鉻離子的濃度,計(jì)算吸附量及去除率.
1.2.4 菌株對(duì)六價(jià)鉻離子吸附的正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
采用L9(34)正交設(shè)計(jì)對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化.其因素和水平見表1.
表1 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的因素與水平
1.2.5 鞘細(xì)菌對(duì)六價(jià)鉻離子吸附的熱力學(xué)研究
菌株吸附鉻離子的熱力學(xué)研究采用Langmuir等溫吸附方程和Freundlich等溫吸附方程來進(jìn)行擬合[15].
含有不同鉻離子濃度(鉻離子的濃度為:0、3、5、10、15、20、30、50、70 mg/L) 的 20 mL溶液中,加入吸附材料1 mL,分別在4種不同實(shí)驗(yàn)溫度下,180 r/min振蕩吸附30 min,測(cè)定溶液中鉻離子的濃度.
1.2.6 鞘細(xì)菌對(duì)六價(jià)鉻離子吸附的動(dòng)力學(xué)研究
鞘細(xì)菌吸附鉻離子的動(dòng)力學(xué)采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合[16].
含有30 mg/L鉻離子初始濃度的20 mL溶液中,加入吸附材料1 mL,分別在4種不同實(shí)驗(yàn)溫度下,180 r/min振蕩吸附不同時(shí)間,測(cè)定溶液中鉻離子的濃度.
鉻離子的質(zhì)量濃度采用火焰原子吸收分光光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定[17-18].
式中:p0、p分別為吸附前、后鉻質(zhì)量濃度,mg/L;m為吸附材料的質(zhì)量,g;V為吸附溶液的體積,mL.
菌株對(duì)六價(jià)鉻離子吸附前后的菌體表面形貌變化采用SEM進(jìn)行觀測(cè);吸附前后菌體官能團(tuán)的變化采用FTIR進(jìn)行分析;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用origin 8.0和excel2003軟件進(jìn)行處理分析.
為研究廢水中存在其他金屬離子時(shí),菌株對(duì)鉻離子的吸附效果,進(jìn)行了共存離子對(duì)菌株吸附鉻離子的影響.結(jié)果見圖1.
圖1 共存離子對(duì)菌株吸附鉻離子的影響
由圖1可見,當(dāng)溶液中只有鉻離子,吸附時(shí)間為150 min時(shí),菌株對(duì)鉻離子的吸附達(dá)到最佳 ,此時(shí)吸附量可達(dá)1.94 mg/L;當(dāng)溶液中有鋅離子或者銅離子存在時(shí),菌株對(duì)鉻離子的最佳吸附時(shí)間為 180 min,此時(shí)菌株對(duì)鉻離子的吸附量分別為1.89 mg/L和1.50 mg/L,表明溶液中有銅離子或鋅離子存在時(shí),不僅減緩了菌株對(duì)鉻離子的吸附速率,同時(shí)抑制了菌株對(duì)鉻離子的吸附.
2.2.1 鉻離子初始質(zhì)量濃度對(duì)菌株吸附鉻離子的影響
為了研究重金屬濃度對(duì)吸附效果的影響,鉻離子的濃度梯度為 5、10、15、20、25、30、35、40、45、50 mg/L.結(jié)果見圖2.
圖2 鉻離子初始質(zhì)量濃度對(duì)鉻離子吸附的影響
由圖2可知,菌株對(duì)鉻離子的吸附量和去除率隨著鉻離子初始濃度的增加呈先升后降的趨勢(shì);當(dāng)吸附體系中鉻離子濃度為30 mg/L時(shí),菌體的吸附量和去除率均達(dá)到最大值,分別為1.88 mg/g和62.06%.因此,鉻離子初始質(zhì)量濃度為30 mg/L最佳.
2.2.2 吸附時(shí)間對(duì)菌株吸附鉻離子的影響
為了研究吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響,吸附時(shí)間梯度為30、60、90、120、150、180、210、240 min.結(jié)果見圖3.
圖3 吸附時(shí)間對(duì)鉻離子吸附的影響
由圖3可知,吸附時(shí)間在30~150 min時(shí),菌株的吸附效果逐漸增強(qiáng),當(dāng)吸附時(shí)間為150 min時(shí),吸附效果達(dá)到最好,其去除率和吸附量分別為63.68%和1.94 mg/g,之后隨著吸附時(shí)間的拉長(zhǎng),吸附效果反而逐漸變?nèi)?因此,最佳的吸附時(shí)間為150 min.
2.2.3 吸附pH值對(duì)菌株吸附鉻離子的影響
為了研究溶液pH值對(duì)吸附效果的影響,水中pH值的梯度為3、4、5、6、7、8、9、10.結(jié)果見圖4.
圖4 吸附pH值對(duì)鉻離子吸附的影響
由圖4可知,吸附pH值在3~8以內(nèi),菌株的吸附性能隨著pH值的升高逐漸增強(qiáng),當(dāng)吸附pH=8時(shí),吸附效果達(dá)到最佳狀態(tài),此時(shí),其吸附量和去除率分別為1.94 mg/g和64.13%.因此,最佳的吸附pH值為8.這與Benmalek等[19]報(bào)道的結(jié)果類似.菌株在合適的生長(zhǎng)pH值環(huán)境下,對(duì)鉻離子的吸附效果更好.
2.2.4 吸附溫度對(duì)菌株吸附鉻離子的影響
為了研究吸附溫度對(duì)吸附效果的影響,吸附溫度的梯度為20、25、30、35、40 ℃.結(jié)果見圖5.
由圖5可知,菌株的吸附量和去除率先是隨著溫度的升高而增大,當(dāng)吸附溫度為35 ℃,二者均達(dá)到最大,分別為1.94 mg/g和64.13%;之后,隨著溫度的增加,鞘細(xì)菌對(duì)鉻離子的吸附效果反而減弱.因此,最佳的吸附溫度為35 ℃.
圖5 吸附溫度對(duì)鉻離子吸附的影響
由于各因素之間會(huì)相互影響,對(duì)鞘細(xì)菌吸附鉻離子進(jìn)行了4因素3水平的正交試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.
表2 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的直觀分析
由表2可見,鞘細(xì)菌的最佳吸附組合為A2B3C1D2,即鉻離子濃度為30 mg/L、吸附pH為7的廢水體系中,35 ℃下吸附180 min,菌株的吸附量為2.51 mg/g;由表中極差可見,各因素對(duì)菌株吸附鉻離子的的影響順序?yàn)椋篈>B>C>D,即鉻離子初始濃度>吸附時(shí)間>吸附pH值>吸附溫度.
不同吸附材料對(duì)鉻離子的吸附效果各不相同.Louati 等[20]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)吸附系統(tǒng)的pH值為6時(shí),吸附時(shí)間為12 h時(shí),銅綠假單胞菌對(duì)六價(jià)鉻離子的最大去除率可達(dá)59%.宋微娜等[21]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)pH值為酸性,鉻離子初始濃度為30 mg/L,吸附時(shí)間為20 min時(shí),石墨烯海綿對(duì)鉻離子的吸附量可達(dá)16 mg/g.
2.4.1 鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的熱力學(xué)研究
對(duì)鞘細(xì)菌吸附不同濃度的六價(jià)鉻離子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理,由于所擬合的Langmuir吸附等溫曲線中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各點(diǎn)分布并無相關(guān)的線性關(guān)系,擬合度不高,因此不予考慮.Freundlich吸附等溫曲線和擬合參數(shù)見圖6、表3.
圖6 鞘細(xì)菌吸附鉻離子的Freundlich等溫曲線
表3 鞘細(xì)菌吸附鉻離子的Freundlich等溫?cái)M合參數(shù)
由圖6可知,4種溫度下,鞘細(xì)菌的吸附性能隨著鉻離子濃度的增加逐漸增強(qiáng),F(xiàn)reundlich等溫吸附曲線的擬合呈一定的線性關(guān)系,表明具有較高的擬合度.
由表3可知,4種溫度所得到擬合方程的R2值均接近于1,表明其擬合方程的線性關(guān)系較好,再次說明了Freundlich等溫吸附模型適用于對(duì)鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的描述.n值越大越容易發(fā)生吸附;n>1表明較容易發(fā)生吸附;相反,n<1表明較不容易吸附.其中,在溫度為35 ℃時(shí)n值最大,說明35 ℃最容易發(fā)生吸附反應(yīng).
2.4.2 鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的動(dòng)力學(xué)研究
為了探討不同吸附時(shí)間對(duì)鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的影響,對(duì)鞘細(xì)菌吸附不同濃度的六價(jià)鉻離子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理,由于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型沒有線性關(guān)系,表明一級(jí)動(dòng)力學(xué)不適用于鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的擬合,因此不予考慮.其二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和擬合參數(shù)見圖7、表4.
圖7 鞘細(xì)菌吸附鉻離子的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)
表4 鞘細(xì)菌吸附鉻離子的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)
由圖7可知,在4種不同溫度下的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的R2值均接近1,表明其線性關(guān)系較好,說明二級(jí)動(dòng)力學(xué)適用于鞘細(xì)菌對(duì)六價(jià)鉻離子的吸附過程.由表4可知用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合方程計(jì)算出鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的吸附速率常數(shù)K1分別為0.094 6、0.151 3、1.581 6、0.568 1,實(shí)驗(yàn)吸附量qe為2.25、3.35、2.48、2.4 mg/g,與理論吸附量qe為2.053 5、3.079 6、2.096 1、2.081 5 mg/g十分相近.表明鞘細(xì)菌對(duì)六價(jià)鉻離子的吸附主要受化學(xué)吸附作用的控制.
2.5.1 掃描電鏡的結(jié)果及分析
菌株吸附鉻離子前(a)和后(b)的SEM圖片見圖8.從圖8(a)可見,菌體細(xì)胞表面平整,無凹凸,個(gè)體獨(dú)立分布;圖8(b)可見,菌體發(fā)生變化,表面粗糙,附著有沉淀物.
圖8 鞘細(xì)菌吸附前(a)后(b)的SEM照片
2.5.2 紅外光譜的結(jié)果與分析
菌株吸附鉻離子前(a)和后(b)FTIR譜圖見圖9.菌株吸附前后官能團(tuán)吸收峰位置的變化見表5.
圖9 吸附前(a)后(b)的紅外光譜圖
表5 吸附前(a)后(b)紅外光譜的變化及相應(yīng)的官能團(tuán)
菌體表面的蛋白質(zhì)和多糖的酰胺基、羥基和羰基是菌體對(duì)重金屬吸附的主要吸附位點(diǎn)[22].由圖9、表5可知,菌株吸附后,菌體表面官能團(tuán)的某些譜帶發(fā)生了偏移,有新的特征峰出現(xiàn),也有舊的特征峰消失.這些結(jié)果表明,吸附后,六價(jià)鉻離子對(duì)鞘細(xì)菌的細(xì)胞壁上的官能團(tuán)具有一定的影響.吸附鉻離子后的紅外光譜中,譜帶2 987.86、1 756.20、1 684.59 cm-1處,分別偏移到2 976.46、1 724.94、1 656.20 cm-1;在2 416.23、1 573.63 cm-1處的吸收峰消失了,2 416.23、1 573.63 cm-1分別是C≡C和-NH、C-N的伸縮振動(dòng)峰.綜上所述,參與鉻離子吸附主要基團(tuán)有酰胺基、羧基、氨基等活性基團(tuán).
1)吸附溶液中有銅離子或鋅離子存在時(shí),不僅減緩了菌株對(duì)鉻離子的吸附速率,同時(shí)抑制了菌株對(duì)鉻離子的吸附.鞘細(xì)菌的最佳吸附組合是A2B3C1D2,即鉻離子濃度為30 mg/L、吸附pH為7的廢水體系中,35 ℃下吸附180 min,菌株的吸附量為2.51 mg/g;
2)鞘細(xì)菌對(duì)六價(jià)鉻離子的吸附量隨著溶液中六價(jià)鉻離子的濃度增加而逐漸增大;根據(jù)其吸附的指數(shù)可以判斷,鞘細(xì)菌吸附六價(jià)鉻離子的難易程度為35℃>55℃>25℃>45℃.鞘細(xì)菌對(duì)六價(jià)鉻離子的吸附動(dòng)力學(xué)適用于準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合,得到其相關(guān)系數(shù)R2為0.949 0~0.996 6.用擬合的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出理論吸附量與實(shí)驗(yàn)吸附量相接近;
3)鞘細(xì)菌對(duì)鉻離子吸附前后的SEM、FTIR等數(shù)據(jù)表明,吸附前后,菌體發(fā)生變化,菌體表面粗糙,有絮狀物沉淀.參與鉻離子吸附的主要基團(tuán)有酰胺基、羧基及氨基等活性基團(tuán).為日后用鞘細(xì)菌處理含六價(jià)鉻離子的工業(yè)污水提供了一定的理論依據(jù)基礎(chǔ).