固定化改性馬尾藻基生物吸附劑的制備及其吸附解吸性能研究

舒杰+董析+齊丹

摘要：將馬尾藻粉經無水乙醇-氫氧化鈉混合溶液改性后，采用海藻酸鈉-聚乙烯醇混合溶液包埋固定，制備了固定化改性馬尾藻生物吸附劑，通過比較測定不同馬尾藻質量配比的固定化改性馬尾藻凝膠小的形狀、粘連、傳質性、溶脹和機械強度，確定了其最佳制備配比；通過多次吸附解吸實驗，研究了固定化改性馬尾藻凝膠小球吸附性能和破損率。實驗結果表明：最佳制備配比為海藻酸鈉2%、聚乙烯醇1%、改性馬尾藻粉20%；在相同條件下，多次吸附解吸后，固定化改性馬尾藻凝膠小球的吸附性能逐漸減弱，吸附率由96.08%下降至41.27%；破損率由4.0%增高至67.9%。

關鍵詞：馬尾藻；改性；固定化；吸附解吸

中圖分類號：X172

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）22001703

1 引言

生物吸附是將重金屬被動地結合到一些無生命的生物質上，從而將其從水中去除的過程[1]，是環境領域近年來迅速發展起來的處理工業污染廢水的新技術。生物吸附法因占地面積小、工藝簡單、操作方便、無二次污染、對低濃度重金屬離子廢水具有優良的處理效果而得到廣泛的研究關注[2～5]。作為吸附劑的天然生物體，具有密度小、強度低、顆粒直徑小的特點，因在應用過程中消耗量大、不宜回收，難以直接用于實際生產[6]。因此，使用前需對其進行固定化，增加其化學穩定性和機械強度、減少吸附-解吸循環中的損耗、延長使用周期、易于回收、降低成本[7]。

固定化生物體細胞的方式多種多樣，任何一種限制生物體細胞自由流動的技術都可用于生物吸附劑的固定化[8]。本實驗采用包埋法，通過對比較研究不同質量配比的固定化改性馬尾藻凝膠小性能，確定其最佳制備配比。然后，通過多次吸附解吸實驗，研究其吸附性能和破損率變化。為馬尾藻生物吸附劑固定化、在重金屬水體污染中應用和馬尾藻資源化開發提供科學研究依據。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

采集海南省三亞市潮間帶新鮮馬尾藻，洗凈泥沙和表面鹽離子，60 ℃干燥粉碎，過100目標準篩，制備馬尾藻粉。

2.2 主要儀器和設備

AA-7000火焰原子分光光度計：島津（中國）有限公司；TMS-Pro質構儀：美國FTC公司；DH-9245A 電熱恒溫鼓風干燥箱：金壇市盛藍儀器制造有限公司；FW200型高速萬能粉碎機：北京中興偉業儀器有限公司；X85-2S恒溫磁力攪拌器：金壇盛藍儀器制造有限公司；TGL-18C高速臺式離心機：金壇盛藍儀器制造有限公司。

2.3 改性

馬尾藻粉加入體積比1∶1的0.1 mol/L氫氧化鈉和無水乙醇，攪拌4 h，浸泡靜置，用水洗至中性，烘干備用。

2.4 固定化

將2%的海藻酸鈉和1%的聚乙烯醇與水混合，加熱至完全溶解，冷卻后分別加入10%、20%、30%、40%、50%、60%的改性海藻粉，慢速攪拌至完全與凝膠混合，逐滴滴入交聯劑中，常溫交聯24 h，分別形成固定化凝膠小球。

2.5 凝膠小球性能測定

（1）拖尾：觀察固定化馬尾藻凝膠小球形狀完整度，是否出現拖尾現象。

（2）粘連：用玻璃棒輕輕攪拌滴在燒杯中的固定化馬尾藻凝膠小球，觀察小球間是否粘連。

（3）傳質性：取固定化馬尾藻凝膠小球，滴加墨水，5 min后切開，觀察墨水滲入情況。

（4）溶脹：取固定化馬尾藻凝膠小球放入蒸餾水中浸泡15 d，觀察小球是否溶脹破損。

（5）機械強度：取固定化馬尾藻凝膠小球放入水中，連續攪拌24 h，計算破碎率，破碎率越小機械強度越好。

（6）硬度、彈性、膠粘性：利用質構儀對固定化馬尾藻凝膠小球進行質構測試實驗，采取壓縮模式[9]，測定凝膠小球的硬度、彈性、膠粘性。觸發點負載1 N，測試速度和返回速度均為60 mm/min，循環2次，停留時間1 s。

2.6 吸附解析性能研究

2.6.1 鎘標準曲線繪制

配制濃度為分別0.05 mg/L、0.10 mg/L、0.20 mg/L、0.50 mg/L的鎘標準溶液，使用火焰原子吸收分光光度計測定吸光度，繪制標準曲線。

2.6.2 吸附率破損率變化測定

取100粒完整均勻的固定化馬尾藻凝膠小球，加入濃度為0.3 mg/L的鎘溶液，攪拌吸附2 h，取上清液，測定鎘濃度，計算吸附率。使用1%的硝酸溶液對進行解吸，解析后計算破損率，補足數量，重復吸附解析實驗。

3 結果與分析

3.1 不同馬尾藻質量配比對凝膠小球性能的影響

按2.3和2.4中方法制備固定化改性馬尾藻凝膠小球，按2.5中實驗方法測定凝膠小球性能。結果見表1。

通過各項測試系數表明，馬尾藻粉投加量10%和20%凝膠小球性能最好。因此，馬尾藻投加量20%為最佳配比。

3.2 鎘標準曲線

按2.3和2.4中方法制備固定化改性馬尾藻凝膠小球，按2.6.1中實驗方法繪制鎘標準曲線，見圖1。

3.3 固定化改性馬尾藻吸附劑吸附率變化

按2.3和2.4中方法制備固定化改性馬尾藻凝膠小球，按2.6.2中實驗方法測定吸附率變化，結果見圖2。

由圖2可知：隨著吸附解吸次數的增加，固定化改性馬尾藻凝膠小球對廢水中鎘吸附率迅速下降，由96.08%下降至41.27%。

3.4 固定化改性馬尾藻吸附劑破損率變化

按2.6.2中實驗方法測定每次吸附解吸后破損率，結果見圖3。

由圖3可知：隨著吸附解吸次數的增加，固定化改性馬尾藻凝膠小球的破損率迅速增高，由4.0%下降至67.9%。endprint

4 試驗結論

通過本試驗得出固定化改性馬尾藻生物吸附凝膠小球的最佳制備配比為海藻酸鈉2%、聚乙烯醇1%、改性馬尾藻粉20%。

固定化改性馬尾藻凝膠小球吸附解吸實驗結果表明：在相同條件下，以1%的硝酸溶液為解吸劑，經過5次吸附與解吸實驗，固定化改性馬尾藻生物吸附劑的吸附性能和機械強度都不斷減弱，吸附率由96.08%下降至41.27%；破損率由4.0%增高至67.9%。

5 結語

通過實驗研究可知，馬尾藻可以作為安全、廉價的生物吸附劑對重金屬水體進行吸附降解，對重金屬離子進行富集回收。同時，以2%海藻酸鈉、1%聚乙烯醇和20%改性馬尾藻粉制備的固定化改性馬尾藻凝膠小球在5次吸附解吸后吸附性能下降、破損率增高，應將攪拌式吸附過程改為靜止吸附，以減少凝膠小球間摩擦碰撞，降低破損率；對馬尾藻粉固定化方法進行深入研究，能提高其機械強度和解吸后吸附率。

參考文獻：

[1]VOLESKY B. Biosorption and me[J].Water Research，2007，41（8）：4017～4029.

[2]高嘉敏，毛媛媛，施莉莉.植物在廢水重金屬離子吸附中的應用[J].化學工程師，2013，216（9）：41～43.

[3]王一兵，柯 珂，張榮燦，等.海藻生物吸附重金屬研究現狀及展望[J].海洋科學進展，2013，31（4）：574～582.

[4]焦 芳，李明利，梁 磊.典型天然吸附劑對重金屬的吸附性能研究[J].四川環境，2011，30（2）：88～92.

[5]呂 華.生物吸附劑及其在重金屬廢水處理中的應用進展[J].資源節約與環保，2015（1）：50～51.

[6]陳 燦，張青梅，龔 艷.固定化藻類去除廢水中重金屬研究進展[J].湖南林業科技，2008，35（6）：42～46.

[7]張 璐，王彥華，郭 俊，等.去除鎘離子固定化生物吸附劑的研制[J].南通大學學報（自然科學版），2015，14（1）：50～54.

[8]王 憲，錢愛紅，邱海源，等.固定化海藻對金屬離子吸附效果的研究[J].海洋學報，2005，27（5）：126～130.

[9]李冉冉. 不同食品的質構測定方法[C]∥廣東省食品學會.“食品工業新技術與新進展”學術研討會暨2014年廣東省食品學會年會論文集.廣州：廣東省食品學會，2014：5.endprint