黑曲霉對模擬廢水中汞的吸附

李盼盼， 臧淑艷， 袁 博， 王 娟， 姜 雷

(沈陽化工大學應用化學學院，遼寧沈陽110142)

含汞廢水是一種對環境污染最嚴重的工業廢水之一，其主要來源于化工、冶金、機械等工業所排出的廢水，其中氯堿工業、塑料工業、電子工業、混汞煉金生產排放的廢水是水體中汞的主要污染來源.排入水體中的汞及其化合物，經物理、化學及生物作用形成各種形態的汞，甚至會轉化成毒性很大的甲基類化合物［1－2］.1953年發生在日本的水俁病就是由化工廠排放的氯化甲基汞污染水域造成的.

目前，處理含汞廢水的方法主要有沉淀法、離子樹脂交換法、電解法、活性炭吸附法、反滲透法、電滲析法等，這些方法在某種程度上取得了一定的效果，但也普遍存在著二次污染、成本高、處理效果不夠理想，特別是對低汞濃度廢水存在難以處理等問題［3］.與傳統技術相比，微生物吸附法具有以下優點:(1)投資少，運行費用低，無二次污染;(2)處理效率高，且在低濃度下，金屬可以被選擇性地去除;(3)酸度和溫度條件范圍寬［4］.當前所研究的微生物吸附劑主要是指細菌、真菌和藻類.尹平河等［5］利用海藻去除溶液中重金屬離子的效率達90%，馮易君［6］利用FT菌對鈾的富集率可達99%，鄧旭等［7］利用工程菌有效去除了電解廢水中的汞離子.黑曲霉是常見的微生物資源，來源豐富，易于培養，如果能利用該類微生物來處理廢水將會大大節約成本.文獻［8－10］曾報道了黑曲霉對重金屬尤其是對汞具有較高的耐受和去除能力.因此，本實驗選用黑曲霉作為真菌吸附劑，對廢水中Hg(Ⅱ)的吸附進行探討.

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

氯化汞，分析純，姜堰市環球試劑廠;氯化亞錫，分析純，沈陽力誠試劑廠;氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學試劑廠;質量分數為36%鹽酸，分析純，北京化工廠.

1.2 實驗儀器

SG-921型雙光數顯測汞儀，江蘇江分電分析儀器有限公司;FT-IR470型紅外光譜儀，美國Nicolet公司;HZQ-C雙層氣浴振蕩器，金壇市杰瑞爾電器有限公司;HPX-9052 MBE數顯電熱培養箱，上海博訊實業有限公司醫療設備廠;SWCJ-1D(1G)型單人凈化工作臺，蘇州凈化設備有限公司.

為了消除玻璃儀器壁對吸附實驗的干擾，所用玻璃儀器經洗滌后，均用稀鹽酸浸泡1 h，洗凈，烘干備用.

1.3 菌種來源

研究選用的黑曲霉來自中國科學院生態研究所.

1.4 吸附劑的制備

黑曲霉真菌采用土豆培養基，pH值為自然的pH值.接菌后的斜面在培養箱中28～30℃培養5～7 d，備用;接菌后的培養基液體在搖床中28～30℃、150 r/min培養24～48 h，過濾，備用.

1.5 吸附實驗

準確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL于250 mL的錐形瓶中，調至一定的pH值，每瓶分別加入一定量的黑曲霉濕菌，置于氣浴震蕩器中，投入吸附劑即開始震蕩計時，一定時間后離心(以5 000 r/min的速度離心10 min)取樣.

每組實驗平行5次，取其平均值.

1.6 FTIR實驗

將吸附了Hg(Ⅱ)前后的黑曲霉干燥后，壓成圓片，用FTIR進行分析，波數范圍為400～4 000 cm－1，分辨率為4 cm－1.

1.7 分析方法

Hg(Ⅱ)濃度采用冷原子熒光光譜法分析.

1.8 計算公式

式中，ρ0為重金屬溶液初始質量濃度;ρe為溶液中重金屬的最終質量濃度;ρt為某一時刻重金屬質量濃度;V為溶液體積;m為吸附劑干質量;Y為吸附率;Qe為吸附量;Qt為某一時刻吸附量.

2 結果與討論

2.1 pH值對吸附的影響

準確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL于250 mL的錐形瓶中，調至不同的pH值(pH= 5、6、6.5、7、7.5)，每瓶分別加入體積分數為10 %的黑曲霉濕菌，置于氣浴震蕩器中，投入吸附劑即開始震蕩計時，1 h后離心(以5 000 r/min的速度離心10 min)取樣.

采用不同pH值的Hg(Ⅱ)溶液來檢驗pH值對黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)的影響，研究范圍為pH =5.0～7.5，其研究結果見圖1.由圖1可知:pH值達到6.5之前，隨著溶液pH值的增大，吸附量也增大;當溶液pH值大于6.5時，則隨著pH值增大，吸附量減小.pH值較小時溶液呈酸性，細胞壁的活性減小，細胞壁的連接基團會被水合氫離子所占據，Hg(Ⅱ)離子靠近吸附劑的阻力增加;pH值較高并且超過Hg(Ⅱ)離子微沉淀的上限時，Hg(Ⅱ)離子以氫氧化物微粒的形式存在，而且黑曲霉細胞上的表面電荷將變成負電荷，從而使得吸附量減小，類似這樣的解釋在文獻［11］中也有報道.

2.2 吸附劑用量對吸附的影響

圖1 pH值對黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)的影響Fig.1 Effects of pH on Hg(Ⅱ)removal by Aspergillus niger

準確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL，調節pH值至6.5，分別加入不同體積分數的黑曲霉濕菌(1%、5%、10%、15%、20%)，置于振蕩器中開始計時，1 h后離心取樣.其結果如圖2所示.由圖2可以看出:在一定范圍內，隨著投加量的增加去除率呈上升趨勢，而后隨著吸附劑用量的增加，去除率變化不大，從經濟學角度考慮，選用體積分數為10%的吸附劑較為合適.

圖2 黑曲霉用量對吸附率的影響Fig.2 Effect of quantity of Aspergillus niger on the adsorption rate

2.3 吸附動力學實驗

2.3.1 時間對吸附的影響

準確量取0.1 mg/L的Hg(Ⅱ)溶液50 mL，調節pH值至6.5，加入體積分數為10%的黑曲霉濕菌，置于振蕩器中開始計時，一定時間(10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、4 h、12 h、24 h)離心取樣.

從圖3可以看出:隨著時間的增加，吸附率增加，前20 min吸附速率較快，1 h之后趨于平緩，此時可認為吸附基本達到平衡;吸附量(圖4)變化趨勢同吸附率.這可以用黑曲霉吸附重金屬的兩階段理論來解釋:當黑曲霉暴露于Hg(Ⅱ)的溶液中時，首先與它接觸的是它的細胞壁，其細胞壁上的各種活性基團與Hg(Ⅱ)的配位絡合吸附在短時間內完成，此為第一階段的表面快速吸附;隨著吸附量的增加，細胞壁對Hg(Ⅱ)的吸附逐漸達到飽和，細胞壁上吸附的Hg(Ⅱ)離子產生的斥力增強，游離的離子進一步進入到細胞內的阻力增大，因此，要達到吸附飽和需要的時間比較長，此是第二階段的慢速重金屬積累.

圖3 時間對吸附率的影響Fig.3 Effect of time on the adsorption rate of Hg(Ⅱ)

2.3.2 吸附動力學方程模擬

將動力學數據用準一級動力學方程、準二級動力學方程和Elovich方程進行擬合，結果見表1.

表1 黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)的動力學方程擬合Table 1 The fitting of dynamic equation of Hg(Ⅱ)adsorption on Aspergillus niger

動力學方程擬合(表1)結果表明:準一級動力學方程和Elovich方程不能很好地描述汞在黑曲霉上的整體動力學(相關度R2＜0.5)，而準二級動力學方程可以較好地擬合動力學吸附過程，相關度R2＞0.999.

2.4 初始汞質量濃度對吸附的影響及等溫吸附模型模擬

配制不同質量濃度的含Hg(Ⅱ)廢水，在pH為6.5的條件下，將5 g濕菌加入到50 mL不同質量濃度的廢水中，進行震蕩吸附，1 h后取樣，其吸附率Y和平衡質量濃度ρe的關系如圖5所示.隨著Hg(Ⅱ)質量濃度的增大，菌吸附的效果呈先增大后降低的趨勢，在汞質量濃度達到0.1 mg/L時去除率達到最大.研究表明，細胞壁與膜的表面富集是微生物抵抗重金屬離子毒性的手段之一.在較高濃度的Hg(Ⅱ)環境中，黑曲霉可先攝入一定量的Hg(Ⅱ)，刺激體內抗性機制運行，促進體內能與 Hg(Ⅱ)作用的酶生成，同時，通過壁膜成分的改變促進Hg(Ⅱ)富集.高濃度的Hg(Ⅱ)對菌株黑曲霉產生毒性作用，導致菌體新陳代謝活性和富集能力降低.

圖5 不同初始汞質量濃度對吸附率的影響Fig.5 Effect of different initial concentrations of Hg(Ⅱ)on the adsorption rate

采用Langmuir、Freundlich和Temkin方程對吸附數據進行擬合(如表2).從表2可以看出Temkin方程對吸附數據吻合性最好(R2＞0.977)，Temkin方程對等溫吸附過程模擬性最好.

表2 黑曲霉對Hg(Ⅱ)的吸附模型擬合Table 2 Adsorption model fits to Hg(Ⅱ)adsorption on Aspergillus niger

2.5 吸附機理探討

取空白實驗的黑曲霉菌體和50 mg/L的Hg (Ⅱ)吸附實驗后的菌體，28℃烘干后，用紅外光譜儀進行紅外光譜分析.由圖6可以看出: 3 392 cm－1、3 419 cm－1的強峰為典型的締合羥基(O—H)吸收帶，是O—H，N—H鍵伸展振動吸收，說明黑曲霉真菌也有著由聚多糖、脂肪酸和蛋白組分組成的細胞壁;2 925 cm－1和2 926 cm－1為脂肪族碳鍵上的C—H鍵伸縮振動的吸收帶，是黑曲霉區別其它菌種的主要特征峰; 1 654 cm－1處的吸收峰為酰胺Ⅰ帶，是C—O的伸縮振動;1 425cm－1為酰胺Ⅱ帶，是N—H彎曲振動和C—N伸縮振動.由圖6可以看出:黑曲霉吸附Hg(Ⅱ)后，紅外光譜峰形沒有明顯的變化，只是吸光度略有下降，在某些波數上發生了位移，并出現了一些新的特征譜峰，如吸附完汞的黑曲霉真菌的紅外在1 260 cm－1有明顯峰值，為酰胺Ⅲ帶，是C—N伸縮振動和N—H彎曲振動，可能有P—O伸縮振動的貢獻，說明羥基、酰胺基、磷酸基以及羰基與Hg(Ⅱ)之間發生了相互作用，使特征峰向高波數移動，羰基的吸收峰增強.由此可見，黑曲霉對Hg(Ⅱ)的吸附主要是通過細胞成分中的活性基團與Hg(Ⅱ)發生絡合作用［12］，但吸附前后其主要成分和結構保持完整.

圖6 黑曲霉吸附汞前后紅外譜圖Fig.6 The IR of Aspergillus niger before and after adsorption on Hg

3 結果與展望

(1)從4個方面探索黑曲霉對汞的吸附，得出最佳吸附條件:在pH=6.5，Hg(Ⅱ)質量濃度為0.1 mg/L，吸附時間為1 h，菌添加量為10% (體積分數)時吸附效果最好，去除率能達到95%以上，剩余廢水中含汞微量，符合國家的排放標準.

(2)用準二級動力學方程、準一級動力學方程和Elovich方程對Hg(Ⅱ)的動力學吸附過程進行擬合時，發現準二級動力學方程為最佳模型(其R2＞0.999)，其次是準一級動力學方程和Elovich方程.

(3)吸附等溫方程可用Langmuir、Freundlich和Temkin方程進行擬合，其中Temkin方程與等溫吸附數據吻合最好，其中R2＞0.97.

(4)考察吸附機理時，比較了吸附前后的紅外光譜圖，可知紅外光譜峰沒有明顯的變化，只是某些波數上發生了一些位移，但其主要成分和結構保持完整;由此推斷可能是羥基、酰胺基、磷酸基以及羰基與Hg(Ⅱ)之間發生了相互作用.更多吸附機理還有待進一步研究.

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