固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的特性研究

武 運(yùn)，劉永建，葛 風(fēng)，田永剛，魏倩蕓，古麗娜孜

固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的特性研究

武 運(yùn)，劉永建，葛 風(fēng)，田永剛，魏倩蕓，古麗娜孜

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

用啤酒廢酵母作吸附劑，以海藻酸鈉作包埋劑將酵母固定化制作成小球，分別從吸附時(shí)間、溫度、酵母小球用量、Cr6+溶液質(zhì)量濃度、pH值等因素，研究啤酒廢酵母菌體對(duì)Cr6+的吸附特性。確定固定化啤酒廢酵母對(duì)Cr6+吸附的最佳條件為：吸附時(shí)間1.5h、溫度15℃、酵母小球用量3g/20mL、Cr6+溶液質(zhì)量濃度40mg/L、pH值為3。在該條件下，對(duì)Cr6+最大吸附率為27.6%，最大吸附量為10.8mg/g。其中pH值、Cr6+溶液質(zhì)量濃度、酵母小球用量3個(gè)因素對(duì)Cr6+吸附特性影響較大，其余因素影響較小。

啤酒廢酵母；固定化；吸附；Cr6+

隨著工業(yè)，特別是化工業(yè)的發(fā)展，廢水大量排放，土壤和水源中重金屬累積愈來(lái)愈多。對(duì)廢水處理的方法很多，近年來(lái)利用微生物吸附重金屬離子在工業(yè)廢水治理中日益受到人們的重視[1]。而采用固定化微生物處理廢水中的重金屬離子，易于控制顆粒大小，且處理效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，固液分離容易。

啤酒廢酵母對(duì)大多數(shù)有毒重金屬如Cd、Pb、Cu、Hg、Ni等有良好的吸附效果；啤酒廢酵母是啤酒生產(chǎn)的重要副產(chǎn)物，我國(guó)僅2003年一年產(chǎn)生的廢酵母量就達(dá)4.9～7.4萬(wàn)t，這些廢酵母大多作為廢棄物排入啤酒廢水，增加了啤酒廢水的處理負(fù)荷和難度[2]。因此，利用這種價(jià)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對(duì)于環(huán)境的治理具有重要的意義。

本研究以啤酒廢酵母作為吸附劑，對(duì)影響固定化酵母小球吸附Cr6+的吸附時(shí)間、溫度、小球用量、Cr6+溶液質(zhì)量濃度、pH值等主要因素進(jìn)行研究，以期為處理廢水中的Cr6+提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

啤酒廢酵母 新疆烏蘇啤酒廠。

K2Cr2O7濟(jì)南匯豐達(dá)化工有限公司；海藻酸鈉、尿素、丙酮 杭州長(zhǎng)青化工有限公司；二苯碳酰二肼天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

1.2 儀器與設(shè)備

AR2130/C型電子精密天平 奧豪斯國(guó)際貿(mào)易有限公司；PHS-4型精密pH計(jì)、TV-1810型紫外分光光度計(jì)上海精密科學(xué)儀器有限公司；CS101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱 重慶試驗(yàn)設(shè)備廠；SHZ-82型水浴恒溫振蕩器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 菌體的制備

用去離子水洗滌啤酒廢酵母2～3次，再于3500r/min離心10min后收集菌體，60℃烘干，冷卻后研磨成細(xì)小粉末，干燥保存?zhèn)溆肹3]。

1.3.2 固定化酵母小球的制備

稱取6g海藻酸鈉，加200g去離子水，80℃水浴加熱約2h至形成均一透明的溶液，冷卻至40℃后與5g酵母粉混勻，用10mL注射器吸取溶液滴入冰水浴狀態(tài)下含4g/100mL氯化鈣的飽和硼酸溶液中，制成直徑約為3mm的小球，冷藏24h，洗凈備用[4-5]。

1.3.3 Cr6+溶液的配制

取K2Cr2O7放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)80℃干燥24h，冷卻后快速稱取0.2829g溶解后定容至1000mL，制得100mg/L Cr6+溶液。

1.3.4 顯色劑的配制

稱0.5g二苯碳酰二肼，用125mL丙酮溶解后，移入250mL容量瓶中用蒸餾水定容，再與濃硫酸和濃磷酸各31mL混勻，冷藏12h，避光保存。

1.3.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

吸取Cr6+溶液5mL移入500mL容量瓶，定容得1mg/L的Cr6+溶液(A液)，分別吸取A液0、2.5、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0mL，移入50mL容量瓶中，定容后分別移入50mL三角瓶中，再向三角瓶中分別加2.5mL顯色劑，混勻后靜置10min，移入1cm石英比色皿中，于540nm波長(zhǎng)處比色[6]，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線為：Y=0.0089X+0.0023(R2＝0.9992)，式中：Y為吸光度，X為Cr6+含量/(μg/mL)。

1.4 吸附實(shí)驗(yàn)

配制10～80mg/L的Cr6+溶液，調(diào)至pH3～9，吸取20mL移入50mL碘量瓶中，加入1～3g的啤酒廢酵母小球放入5～40℃的水浴振蕩器中，轉(zhuǎn)速150r/min的條件下，吸附0.5～7h，然后再吸取清液稀釋50倍，加入顯色劑比色并計(jì)算質(zhì)量濃度[7]。

1.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定顯著影響固定化啤酒廢酵母體吸附性能的因素及各因素的最佳組合，選取A溫度、B時(shí)間、C Cr6+質(zhì)量濃度、D酵母小球用量設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)如表1所示。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)表Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

1.6 指標(biāo)測(cè)定

式中：Q為吸附量/(mg/g干質(zhì)量)；V為吸附液體積/L；m為吸附劑干質(zhì)量/g；ρ0為吸附前溶液中的Cr6+質(zhì)量濃度/(mg/L)；ρ1為吸附后溶液中的Cr6+質(zhì)量濃度/ (mg/L)；R為吸附率/%。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸附時(shí)間對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在溫度為25℃，Cr6+溶液初始質(zhì)量濃度為50mg/L，酵母小球用量為1g/20mL，pH值為7，振蕩器轉(zhuǎn)速150r/min的條件下，考察吸附時(shí)間對(duì)吸附率的影響。結(jié)果如圖1所示。

圖1 時(shí)間對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附率的影響Fig.1 Effect of length of adsorption time on Cr6+adsorption ratio

由圖1可知，在剛開始的1h內(nèi)吸附率隨時(shí)間迅速增加，且在1h時(shí)吸附率達(dá)到最大值19.8%。此后吸附率隨時(shí)間緩慢減小，到7h時(shí)減小至13.1%。結(jié)果表明用啤酒廢酵母吸附Cr6+并不是吸附時(shí)間越長(zhǎng)吸附效果越好。

2.2 溫度對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在吸附時(shí)間1h，酵母小球用量1g/20mL，pH值為7，振蕩器轉(zhuǎn)速150r/min的條件下，考察溫度對(duì)吸附率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附率的影響Fig.2 Effect of temperature on Cr6+adsorption ratio

由圖2可知，低溫有利于提高吸附率，在10℃時(shí)，吸附率達(dá)到最大值15.6%，之后隨著溫度的提高吸附率逐漸降低，低于10%。可推測(cè)生物吸附與物理吸附相似也是吸熱反應(yīng)。

2.3 Cr6+溶液質(zhì)量濃度對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在吸附時(shí)間1h，溫度為10℃，酵母小球用量1g/20mL，pH值為7，振蕩器轉(zhuǎn)速150r/min的條件下，研究Cr6+溶液質(zhì)量濃度對(duì)吸附量的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 Cr6+溶液質(zhì)量濃度對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附量的影響Fig.3 Effect of Cr6+concentration on its adsorption quantity

由于在此單因素試驗(yàn)中除Cr6+溶液質(zhì)量濃度有變化外，其余都不變，由計(jì)算吸附率的公式可知當(dāng)吸附量最大時(shí)吸附率也最大，因此可考察吸附量來(lái)描述Cr6+溶液質(zhì)量濃度對(duì)吸附的影響。由圖3可知，Cr6+溶液質(zhì)量濃度較低時(shí)，吸附量隨質(zhì)量濃度增大而快速增大，當(dāng)質(zhì)量濃度為50mg/L時(shí)吸附量達(dá)到最大值2.265mg/g，但當(dāng)質(zhì)量濃度高于50mg/L后，吸附量隨著質(zhì)量濃度的增加而緩慢減小。可見吸附效果并非底物質(zhì)量濃度越高越好。

2.4 pH值對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+的影響

在吸附時(shí)間1h，溫度10℃，酵母小球用量1g/20mL，Cr6+質(zhì)量濃度50mg/L，振蕩器轉(zhuǎn)速150r/min的條件下，考察pH值對(duì)吸附率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 pH值對(duì)固定化啤酒廢酵母吸附Cr6+吸附率的影響Fig.4 Effect of pH on Cr6+adsorption ratio

由圖4可知，隨著pH值的升高吸附率明顯降低，且pH值在3～4范圍內(nèi)吸附率下降了5%，變化幅度極大。可推斷酸性條件有利于增大吸附率。

2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從表2可以看出，吸附率最高的最優(yōu)組合為A3B3C1D3，即吸附溫度15℃、吸附時(shí)間1.5h、Cr6+起始質(zhì)量濃度40mg/L、酵母小球用量3g/20mL、pH3。其中pH值對(duì)吸附率的影響最大，其次是Cr6+起始質(zhì)量濃度，影響最小的是時(shí)間。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)，在此條件下固定化啤酒酵母廢菌體吸附水中重金屬Cr6+的最大吸附率為27.6%，最大吸附量為10.8mg/g。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 2 Orthogonal array design layout and experimental results

3 討 論

固定化啤酒廢酵母吸附水中重金屬Cr6+的最佳工藝條件是：吸附時(shí)間1.5h、吸附溫度15℃、Cr6+溶液起始質(zhì)量濃度40mg/L、酵母小球添加量3g/20mL、pH3，水浴恒溫振蕩器轉(zhuǎn)速為150r/min，在此條件下固定化啤酒廢酵母吸附水中重金屬Cr6+的最大吸附率為27.6%，最大吸附量為10.8mg/g。由正交試驗(yàn)結(jié)果得出對(duì)吸附效果影響最大的是pH值，其次是Cr6+起始質(zhì)量濃度，影響最小的是時(shí)間。

本實(shí)驗(yàn)只做了固定化酵母對(duì)Cr6+的吸附，但是在吸附過(guò)程中因?yàn)殡x子之間的相互作用力的存在，在吸附時(shí)會(huì)受到影響[8-9]，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要考慮其他離子對(duì)吸附時(shí)的干擾。關(guān)于這部分還有待于進(jìn)一步分析研究。

[1]張帥, 程昊. 啤酒廢酵母對(duì)Cr(Ⅵ)的吸附[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2009, 3 (3): 489-490.

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Biosorption of Cr6+by Immobilized Waste Beer Yeast Biomass

WU Yun，LIU Yong-jian，GE Feng，TIAN Yong-gang，WEI Qian-yun，GU Linazi
(College of Food Science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Waste beer yeast was embedded into sodium alginate based spheres for providing a bioadsorbent for industrial wastewater treatment. The effects of length of adsorption time, temperature, adsorbent amount, Cr6+concentration and pH on Cr6+adsorption ratio were examined. The optimal adsorption conditions were determined as follows: length of adsorption time 1 h; temperature 15 ℃; adsorbent amount 3 g/20 mL; Cr6+concentration 40 mg/L; and pH 3. Under these conditions, the maximum adsorption ratio was 27.6%, and the maximum adsorption quantity was 10.8 mg/g. pH, Cr6+concentration and adsorbent amount had larger effect on Cr6+adsorption than two other factors.

waste beer yeast；immobilization；biosorption；Cr6+

X703

A

1002-6630(2010)19-0194-03

2010-06-30

新疆教育廳高校科研重點(diǎn)項(xiàng)目(XJEDU2008I60)；新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)緊缺人才專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目

武運(yùn)(1965—)，女，副教授，碩士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)與食品安全。E-mail：wuyunster@sina.com