啤酒酵母吸附重金屬離子的影響因素研究

重金屬離子廢水主要來自金屬礦山、精煉、水電、水電等行業。由于重金屬離子不僅不能降解,而且通過生物鏈富集,危害人體健康,所以含重金屬廢水必須通過嚴格處理方可排放,傳統的重金屬離子廢水處理技術包括化學沉淀、滲析、離子交換和吸附法等。吸附法是處理含重金屬離子廢水的一種很有前途的方法,具有操作簡單、費用低廉、適于處理低濃度重金屬廢水等優點,而且不易造成二次污染。啤酒廢酵母是啤酒生產的重要副產物,這些廢酵母大多作為廢棄物排入啤酒工業廢水,增加了啤酒廢水的處理負荷和難度。因此,利用這種價廉易得的廢棄啤酒酵母作為吸附材料去除廢水中的重金屬,在廢物利用的同時也解決了重金屬污染的凈化問題,很有應用前景。1重金屬的吸附過程生物吸附重金屬離子是一個很復雜的過程,至今對該機理的全過程仍然沒有完全搞清楚,啤酒酵母菌吸附重金屬也不例外。許多研究表明,啤酒酵母菌吸附重金屬主要分為2個階段,第1個階段是重金屬在細胞表面的吸附,即細胞外多聚糖、細胞壁上的官能團與金屬離子的結合,特點是快速、可逆、不依賴于能量代謝,因此又稱為被動吸附。第2個階段是細胞表面吸附的重金屬離子與細胞表面的某些酶(如透膜酶、水解酶等)相結合而轉移至細胞內,特點是速度慢、不可逆、與細胞的代謝有關,因此又稱為主動吸附。其吸附作用主要取決于生物吸附劑本身的特性和金屬自身對生物體的親和性。1.1金屬離子原位絡合成分配的原理當啤酒酵母菌暴露在含重金屬廢水中時,首先與重金屬離子接觸的是細胞壁,細胞壁的化學組成和結構決定著重金屬離子與它的相互作用特性。通常,啤酒酵母菌的細胞表面主要由多聚糖、蛋白質和脂類組成,這些組成中可與重金屬離子相結合的主要官能團有羧基、磷酰基、羥基、硫酸酯基和酰胺基等,其中氮、氧、磷、硫作為配位原子可與金屬離子配位絡合。代淑娟等用啤酒酵母吸附Cd2+時發現,其他共存金屬離子對吸附有影響,原因是菌體表面含有氨基、羧基、羥基、磷基等,這些活性基團中可提供孤對電子的原子C、N、O等與有空軌道的重金屬離子鎘、銅、鉛、鋅等化學配合,從而與鎘產生競爭吸附而顯著影響鎘的吸附效果。1.2離子交換吸附重金屬離子除了能與細胞壁上的負電性官能團絡合而被吸附外,還有離子交換過程,即細胞壁與重金屬離子的交換機理。通常在細胞吸附重金屬離子的同時,伴隨有其他陽離子的釋放證實了這一機理。然而這些交換下來的離子總量與金屬離子的總吸附量相比只是很小的一部分,說明離子交換并非主要吸附機理。許多研究者試圖找出釋放的這些離子與吸附的金屬離子之間的定量的交換關系。陳燦等人在研究釀酒酵母吸附Zn2+、Pb2+、Ag+、Cu2+的動力學特性時,發現實驗過程伴隨著大量陽離子K+、Mg2+、Na+、Ca2+的釋放,陽離子釋放規律和數量級類似,從而認為有離子交換機理參與。除了上面2種吸附機理外,許多學者也提出了氧化還原、酶促反應等吸附機理,但這些機理都有待進一步探索。2影響葡萄糖母吸收重金屬離子的因素2.1氫化金屬對子的吸附pH是影響吸附作用的最主要因素之一,它一方面影響著被吸附物質的存在形式,另一方面也影響到吸附劑的表面特性。一般認為,pH低時,啤酒酵母細胞壁上的各種基團被氫離子所占據,從而阻礙金屬離子的吸附,且pH越低,阻力越大。當pH增大時,會暴露出更多帶負電荷的吸附基團,有利于金屬離子吸附在細胞表面。pH過高對金屬吸附亦存在不利影響,當溶液pH超過金屬離子沉淀的上限時,溶液中的金屬離子以氫氧化物的形式存在,啤酒酵母可吸附的游離金屬離子減少,所以金屬離子的吸附量急劇減少。眾多研究文獻表明,啤酒酵母對重金屬吸附量隨pH升高而增大,但金屬吸附量與pH之間并不呈簡單的線性關系,通常有一最佳pH范圍。2.2離子交換反應吸附溫度對吸附效果有一定的影響。一般認為,溫度的升高可以使溶液中的離子運動速度加快,使溶液中活化離子增多,從而促進離子的交換反應。許多研究者用啤酒酵母吸附重金屬陽離子,發現在一定溫度范圍內,溫度的升高有利于提高對重金屬離子的吸附效率。但由于升溫會增加運行成本,而且溫度過高生物材料會失活,因此在微生物吸附過程中不宜采用高溫操作。但是蔡佳亮等認為生物吸附是一個放熱反應的過程,因此,啤酒酵母對重金屬的吸附能力隨溫度的下降而增大。2.3菌體內部滲透型多數研究者認為啤酒酵母對重金屬離子的吸附過程分成兩個階段:第一階段吸附很快,在很短時間內,生物吸附量約為吸附完全時吸附量的90%左右,此為吸附率較高階段,這一過程的特點是吸附速度快、可逆、不依賴于細菌表面官能團的種類、不依賴細菌的能量代謝,是菌體被動吸附的過程。對相同的重金屬離子,聚集量與菌體的帶電量(Q)有關,Q數值越大,聚集量越大,是菌體表面所帶的負電荷與溶液中金屬陽離子之間靜電作用結果。第二階段,吸附速度很慢,為內部滲透階段。停留在菌體表面的金屬離子與菌體表面的有機官能團進行絡合和離子交換的過程。2.4重金屬離子濃度對啤酒酵母吸附重金屬的影響在其它條件不變的情況下,溶液中重金屬離子濃度增加,有利于啤酒酵母對重金屬離子的吸附。研究表明,隨著溶液重金屬離子初始濃度的增加,啤酒酵母的吸附總量明顯增加,但單位質量啤酒酵母的吸附量卻減小,說明啤酒酵母對重金屬離子的吸附增加量明顯小于溶液中重金屬離子的增加量。研究者用啤酒酵母除去重金屬離子時,發現隨著重金屬離子濃度的增大,啤酒酵母的吸附量增大,這可能是當重金屬離子濃度增大時,它們與啤酒酵母表面碰撞的機會也在增多,因而有較大的吸附機會,造成啤酒酵母對重金屬的吸附量增大。但吸附率隨初始溶液濃度的增加而減小。2.5堿土金屬陽離子吸附鎘的機理有機物質影響膨潤土吸附重金屬離子的效果及機理尚有爭論。代淑娟等用廢啤酒酵母吸附Cd2+時,發現Cu2+、Pb2+和Zn2+重金屬離子存在對鎘的吸附效果產生較大影響,原因是菌體表面含有氨基、羧基、羥基、磷基等,這些活性基團中可提供孤對電子的原子C、N、O等與有空軌道的重金屬離子鎘、銅、鉛、鋅等化學配合。堿土金屬陽離子K+、Na+、NH4+、Ca2+、Mg2+的存在對鎘的吸附效果影響相對較小。共存陰離子NO3-、SO42-、F-、Cl-中,NO3-離子對吸附過程有促進作用,SO42-、F-、Cl-離子對吸附過程產生遏制作用。2.6naoh預處理大部分研究者發現,經NaOH處理的酵母吸附能力大大增強,這可能是NaOH去除了細胞壁表面的多糖成分,暴露了更多的活性位點。另外,NaOH還可以使細胞壁上的H+解析下來導致負電性官能團增多,從而提高吸附量。但是劉恒等發現在實驗條件下,經過NaOH預處理的啤酒酵母的吸附量有所下降;經過HCl預處理的啤酒酵母的吸附量有所增高。2.7對各種金屬離子的吸附不同的重金屬離子由于自身性質存在差異,跟吸附劑結合的快慢程度以及吸附作用強度也不一樣。周東琴等用啤酒酵母菌吸附重金屬時,發現對Pb2+的吸附效果比對Zn2+的吸附效果好,Pb2+的吸附率為93%,Zn2+的吸附率為86%。陳燦等用啤酒酵母菌吸附Zn2+、Pb2+、Ag+、Cu2+時,發現反應6h后,吸附基本達到平衡。酵母對各種金屬離子的吸附量和去除率順序為:Pb>Ag>Zn≈Cu。郜瑞瑩等用啤酒酵母菌吸附Zn2+和Cd2+,比較了它們的最大吸附量,可以看出,當吸附量以mg/g為單位時,Cd2+吸附量大于Zn2+,而吸附量以mol/g為單位時,兩者吸附量很接近。此實驗結果與很多文獻所得結果一致。出現上述現象,除了重金屬離子本身的半徑及電價有關外,還與外界條件對它們的影響有差異有關。3rendlch方程啤酒酵母對重金屬離子的吸附等溫式一般符合Langmuir或Freundlich方程。文獻用啤酒酵母除去重金屬離子時,通過對Langmuir和Freundlich方程進行擬合,發現Langmuir方程比Freundlich方程擬合的相關系數高。4級動力學方程大部分研究者用啤酒酵母吸附重金屬離子時,發現實驗數據多數吻合二級動力學方程式。有研究者用啤酒酵母吸附Pb2+和Zn2+時,發現吸附行為符合動力學一級方程式。5酵母的復合吸附游離的酵母吸附金屬離子后,必須經過膜過濾才能與溶液分開,給連續操作帶來一定困難。如果將酵母固定在某種合適的材料上,具有一定的顆粒尺寸、足夠的強度、多孔性、親水性和化學惰性,就可以用于重金屬離子的連續吸附過程。大部分研究者用的是海藻酸鹽作為固定劑,但是需要注意的是固定劑本身可能也吸附重金屬離子,給實驗造成一定誤差。6啤酒酵母重金屬廢水的處理意義使用啤酒酵母吸附法處理重金屬廢水具有以下優點:(1)價格低廉;(2)制備方法簡單;(3)吸附效果好;(4)具有良好的穩定性;(5)天然、無毒、不造成生態系統的二次污染。因此,啤酒酵母將在重金屬廢水處理中具有良好的應用前景。用啤酒酵母處理重金屬廢水,雖然已經有較多文獻,但是人們對它的深入了解