酵母生物多孔碳的制備及其對亞甲基藍的吸附研究

李雨錚, 侯樂璇, 陳曼玉, 王珊珊, 張 杰

(東北林業大學 生命科學學院, 哈爾濱 150040)

0 引 言

在工業生產釋放到環境中的各種污染物中，染料被認為是最危險的污染物之一[1-2]。如陽離子染料亞甲基藍[3]作為著色劑和染色劑，通常具有毒性和致癌作用[4]。目前，已報道多種方法來去除廢水中的亞甲基藍染料[5]。對亞甲基藍的處理方法可分為物理法、化學法和生物法。物理法不能徹底清除污染物，僅適用于預處理和深度處理階段；化學法運行管理簡單，但對色度深的廢水處理效果不佳；生物法成本低，可去除部分有機物，但反應速度慢，水質不穩定，難以達到理想的處理效果。其中最常用的方法是操作方便、設計簡單的物理吸附法，但是由于活性炭吸附劑表面積小，難以重復使用而無法廣泛應用。而生物質多孔碳材料較活性炭具有高比表面積和可重復使用的特點。因此，本文以亞甲基藍為例，研究生物多孔碳吸附劑去除染料的效果。

酵母菌是一種細胞壁堅固的橢圓形單細胞真菌，主要由β-1,3-葡聚糖鏈構成的多糖層組成，經過處理可以轉化為具有高強度和穩定性的高碳材料[6]。因酵母菌具有成本低和易繁殖等優勢[7],故采用其作為生物材料制備多孔碳材料。對碳材料的物理化學性質進行表征測試，通過對染料初始濃度和反應體系溫度等影響因素進行分析探究酵母多孔碳的吸附性能，通過掃描電鏡、紅外光譜分析和X-射線衍射等手段對材料進行表征分析。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

季也蒙畢赤酵母菌(實驗室保藏菌種)；葡萄糖、蛋白胨、氯化鈉、無水乙醇、戊二醛、丙酮、氫氧化鉀均為分析純；亞甲基藍；酵母浸出粉胨葡萄糖培養基。

1.2 方法

刮取保存在4 ℃冰箱內的季也蒙畢赤酵母菌，接種到YPD固體培養基上，置于30 ℃搖床中靜置培養24 h，得到活化的菌株。將活化的酵母菌接種到YPD液體培養基中，30 ℃搖床培養48 h，轉速為130 r·min-1。培養完成后，將菌液倒入50 mL離心管中，6 000 r·min-1離心，收集菌株。

將收集的菌體用蒸餾水洗滌2次后，加入40 mL丙酮預洗，放于超聲波清洗儀中使菌體分散均勻。將丙酮離心掉，分散在2%～3%(V/V)戊二醛中，室溫放置24 h。然后將其置于50 mL聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中，在180 ℃下保持8 h。將固體產物離心分離，然后在去離子水和乙醇中離心、洗滌、再分散，循環3次，80 ℃下干燥4 h，備用。

稱取一定量烘干后的菌體，與固體KOH以1∶1比例均勻混合，加入少量蒸餾水，攪拌均勻后靜置8 h，80 ℃真空干燥4 h。將干燥后研磨過的材料置入管式反應爐，分別在700、800和900 ℃下通過氮氣(15 mL·min-1)保護進一步煅燒1 h。煅燒完成后，用蒸餾水和無水乙醇洗滌、離心兩次，于80 ℃烘箱烘干，得到以季也蒙畢赤酵母菌作為生物碳源的酵母多孔碳吸附劑。

1.3 表征測試

采用掃描電鏡對多孔碳材料的表面微觀結構進行研究[8]；利用X-射線衍射儀精確測定材料的晶體結構，進行定性分析[9]；利用紅外光譜儀測定酵母多孔碳材料大部分分子的結構和類型[10]；利用美國Micromeritics 公司的Tristar II 3020全自動分析儀測定比表面積。

1.4 吸附性能分析

1.4.1 酵母多孔碳的吸附影響因素研究

1.4.1.1 JM-800投加量對吸附效果的影響

配制50 mg·L-1的亞甲基藍染料100 mL于250 mL錐形瓶中，分別加入5、10、15、20 和25 mg不同劑量的吸附劑。放入恒溫振蕩搖床，搖床溫度設置為25 ℃，轉速為150 r·min-1，待吸附3 h后，關閉搖床。將混合物通過0.45 μm硝酸纖維膜注射器過濾，測定染料的殘留濃度。

1.4.1.2 染料初始濃度對吸附效果的影響

配制初始濃度為10、20、30、40、50、75、100、125 mg·L-1的亞甲基藍溶液，分別取不同濃度的溶液100 mL置于250 mL錐形瓶中，加入10 mg的吸附劑，放入恒溫振蕩培養箱，溫度為25 ℃，轉速為150 r·min-1，吸附3 h后關閉培養箱，測定染料的殘留濃度。

1.4.1.3 反應溫度對吸附效果的影響

配制50 mg·L-1的亞甲基藍染料100 mL于250 mL錐形瓶中，加入制備好的吸附劑10 mg，放入恒溫振蕩培養箱，培養箱的溫度分別設置為25、30、35、40、45 ℃，轉速、處理時間和測定方法同上。

1.4.1.4 溶液pH對吸附效果的影響

配制50 mg·L-1的亞甲基藍染料100 mL于250 mL錐形瓶中，分別加入10 mg吸附劑，用0.1 mol·L-1HCl和NaOH溶液分別調節染料溶液的pH，使其初始pH分別為3.0、5.0、7.0、9.0、11.0，放入恒溫振蕩培養箱，培養箱的溫度設置為25 ℃,轉速、處理時間和測定方法同上，測定染料的殘留濃度。

1.4.2 酵母多孔碳對亞甲基藍的吸附熱力學

為了得到多孔碳材料在吸附亞甲基藍過程中的熱力學參數，計算了不同溫度下的吸附等溫線[11-12]。培養箱的溫度分別設置為25、35、45 ℃，亞甲基藍溶液的初始濃度分別為10、20、30、40、50、75、100、125 mg·L-1，取100 mL不同初始濃度的亞甲基藍溶液于25 mL錐形瓶中，加入10 mg的吸附劑，放入恒溫振蕩培養箱，轉速為150 r·min-1，反應3 h后取樣分析，計算吸附后溶液中亞甲基藍的濃度，方法同上。

2 結 果

2.1 酵母多孔碳的結構表征

2.1.1 表面形貌分析

圖1是JM-180、JM-700、JM-800和JM-900(均為酵母多孔碳類型)樣品的掃描電鏡照片。從圖1(a)和圖1(b)可以看出，180 ℃水熱碳化的材料仍然保持著原酵母的形態，表面相對光滑，無孔狀結構，形狀仍為橢圓；隨著溫度的升高以及KOH的活化，酵母菌細胞破裂，碳材料表面粗糙，且出現大小不一的小孔；當溫度升高至800 ℃、碳堿比為1 時，碳材料活化產率為41%左右，所得材料表面的孔洞結構更加豐富，孔洞壁更加明顯；當溫度升至900 ℃時，材料碎末化明顯，孔壁出現破裂，說明此時溫度已過高。溫度升高加速了有機物的碳化過程，使得材料表面孔洞豐富，更多的有機物在氣化或者液化以后進入氣相或液相中[13-14]。

圖1 180 ℃水熱碳化后未經KOH活化的樣品(a、b)和KOH活化后經700 ℃(c,d)、800 ℃(e,f)、 900 ℃(g,h)高溫煅燒的樣品

2.1.2 X-射線衍射分析

使用X-射線衍射可以容易地揭示碳材料的晶體結構，所研究的不同材料的廣角XRD譜圖如圖2示。從圖中可以看出，當180 ℃水熱碳化時，樣品起初呈無定形結構，在大約2θ=20°附近出現了寬衍射峰，此峰為不定型碳的(002)晶面衍射峰[15]，該峰的位置和廣度表明，酵母多孔碳呈現焦碳狀特征，具有無序的碳質夾層。

2.1.3 紅外光譜分析

圖2 不同溫度條件下制備的酵母多孔碳的XRD圖譜

2.1.4 BET分析

采用氮氣吸附-脫附等溫曲線研究材料的孔結構[17-18]，圖4給出了不同溫度制備的酵母多孔碳的N2吸附-脫附曲線和孔徑分布曲線。由圖可知，樣品的孔徑分布不均勻，具有中孔和大孔。比表面積最大的為JM-800樣品，其比表面積為148.52 m2·g-1，最小的為JM-180樣品，比表面積為13.84 m2·g-1，比表面積差距如此大的原因在于JM-180樣品并沒有經過KOH活化擴孔。從BJH分析可以看出，沒經過擴孔的JM-180樣品，孔徑分布主要是集中在微孔和介孔。而經過擴孔的三個樣品均主要分布在中孔和大孔，這與掃描電鏡圖片觀察的結果一致。由此可以推測，擴大的比表面積可以為染料分子的傳輸和吸附提供大量的孔道和較大的接觸面積，從而可以有效提升吸附性能。

圖4 不同溫度下制備的酵母多孔碳的N2吸附-脫附曲線和孔徑分布曲線圖譜

2.2 酵母多孔碳對亞甲基藍的吸附動力學

接觸時間是影響亞甲基藍吸附的重要因素，接觸時間對不同熱解溫度下樣品去除亞甲基藍的影響如圖5所示?？梢钥闯?，亞甲基藍的吸附表現為兩個階段：前60 min為非常快速的初始吸附，然后是較長時間的緩慢吸附[19]。酵母多孔碳材料對亞甲基藍的最佳接觸時間為3 h，時間有效吸附順序為JM-800> JM-700> JM-900，因此，JM-800對亞甲基藍的吸附具有顯著優勢。

動力學模型對于評價吸附動力學和考察吸附效率非常重要。不同煅燒溫度得到的JM-700、JM-800和 JM-900三種樣品的動力學模型如圖6所示，準一級和準二級模型擬合參數和相關系數如表6所示。這些模型描述了不同熱解溫度下所得的酵母多孔碳材料吸附亞甲基藍的吸附反應速率。表中相關參數表明，不同熱解溫度下的各種材料的準二級動力學相關系數R2值均超過0.99，而準一級模型相關系數R2均小于0.95。與準一級模型相比，在更接近理論計算值條件下，準二級動力學模型更加適用于亞甲基藍的動態吸附過程。由于準二級動力學模型證實了其限速步驟為化學吸附[20]，因此，該模型比準一級模型更全面、準確地反映了亞甲基藍在酵母多孔碳上的吸附機理。

表3 酵母多孔碳吸附亞甲基藍動力學擬合模型參數

圖7 酵母多孔碳吸附亞甲基藍的顆粒內擴散模型擬合Fig.7 Model fitting of yeast porous carbon adsorption methylene blue particle diffusion

一般來說，染料的吸附受液相傳質速率或粒內傳質速率的控制。吸附質組分可能是通過粒內擴散過程從溶液中進入固相的，這是許多吸附過程中的限速步驟[21]。因此，利用粒內擴散模型對這種可能性進行探討。粒內擴散模型如圖7所示，模型參數如表4所示。

從圖7可知，整個吸附過程由兩個階段組成，這意味著亞甲基藍的吸附過程涉及不止一種吸附模式。第一階段染料分子主要通過酵母多孔碳的外表面或邊界層擴散；第二階段是一個漸進的吸附過程，其中速率由粒子內擴散速率控制。吸附過程在一段時間內存在線性關系，但是沒有穿過原點。這表明，顆粒內擴散是存在的，但不是唯一的速率控制步驟，還可能涉及其他一些機制。截距C的值表示邊界層的厚度，它對染料的吸收起著重要作用。一般來說，C值越大表示邊界層效應越大[14]。由表4可知，C值相對較大，說明邊界層效應對吸附過程也有一定影響?？傊瑏喖谆{在酵母多孔碳上的吸附是一個受表面吸附和粒內擴散控制的綜合過程，這與準二級動力學模型的結果是一致的。

表4 酵母多孔碳吸附亞甲基藍的顆粒內擴散模型參數

2.3 吸附因素對吸附效果的影響

2.3.1 溶液pH對吸附效果的影響

pH對于吸附劑的吸附性能具有重要影響。圖8給出了pH在3.0～11.0內酵母多孔碳對亞甲基藍的吸附能力和去除率。當pH從3增加到11時，JM-800對亞甲基藍的去除率從83%增加到98%，此時吸附能力趨于穩定，表明堿性條件有利于亞甲基藍在酵母多孔碳上的吸附，較高pH增強了亞甲基藍與吸附劑之間的靜電作用。其原因為：亞甲基藍是一種陽離子染料，在染料水溶液中帶有正電荷[22]，當pH較低時，溶液中有大量H+存在，過量的H+與亞甲基藍陽離子競爭酵母多孔碳表面有限的結合位點，從而阻礙了對亞甲基藍的吸附。當pH升高時，溶液中的H+濃度降低，OH-濃度增大，亞甲基藍和H+之間的排斥作用降低，因此增強了對亞甲基藍的吸附能力。當pH為中性時，去除率已達到95.5%，與pH=11時僅相差2%。因此，后續實驗無需對溶液pH進行調整。

圖8 溶液pH不同對染料吸附的影響

2.3.2 JM-800酵母多孔碳的投加量對吸附效果的影響

酵母多孔碳的投加量是影響亞甲基藍吸附的重要因素，其通過影響吸附劑的吸附能力而強烈影響吸附過程。圖9顯示了材料投加量對亞甲基藍去除率和吸附容量的影響。從圖中可知，隨著JM-800投加量的增加，亞甲基藍去除率也在增加。投加量為10 mg時，亞甲基藍的去除率為95%。去除率隨吸附劑質量的增加而增加，是因為吸附劑中有更多的結合位點。然而，隨著吸附劑質量的進一步增加，去除率變化不再明顯，這可能與亞甲基藍分子飽和的吸附劑位點不可用有關[14]。因此，酵母多孔碳的最佳用量為10 mg。

2.3.3 亞甲基藍初始濃度對吸附效果的影響

濃度梯度是克服水相和固相之間的亞甲基藍傳質阻力的驅動力。在實驗條件下，較高的初始濃度可以實現較高的染料分子傳質驅動力，從而導致吸附容量增加直至飽和。從圖10可以看出，亞甲基藍的去除率隨染料濃度的增加而減少，當亞甲基藍初始濃度增加至100 mg·L-1時，材料的吸附量為672 mg·g-1，達到最大吸附容量。當染料濃度為125 mg·L-1時，亞甲基藍去除率為51.32%，吸附容量開始減少，說明100 mg·L-1為亞甲基藍吸附的飽和濃度。當亞甲基藍濃度小于50 mg·L-1時，亞甲基藍去除效率及吸附量維持在較高水平，而當亞甲基藍濃度大于50 mg·L-1條件下，亞甲基藍去除率則開始下降，吸附量增加緩慢。因此，亞甲基藍溶液的最佳初始濃度為 50 mg·L-1。

圖10 亞甲基藍初始濃度對吸附效果的影響

2.3.4 反應體系溫度對吸附效果的影響

在本實驗中，溫度的影響范圍為25～45 ℃，JM-800對亞甲基藍的去除率和吸附容量結果如圖11所示。由圖可知，隨著溫度的升高，吸附容量(qe)也在增加，說明較高的溫度有利于亞甲基藍的吸附。因此，亞甲基藍的吸附本質上是一個吸熱過程。這可能是因為溶液的黏度隨著溫度的升高而降低，導致染料分子粒內和粒間擴散的速率增加，染料分子遷移率的增加有助于染料分子向吸附劑表面移動[23]，因而去除率隨著溶液溫度的升高而提高。由于亞甲基藍的去除率隨溫度升高的增幅并不明顯，因此，后續實驗均在25 ℃的條件下進行。

2.4 酵母多孔碳對亞甲基藍的吸附等溫線

Langmuir吸附等溫線擬合模型如圖12(a)所示，Freundlich吸附等溫線擬合如圖12(b)所示，方程的相應參數列于表5。從表中可知，不同溫度下Langmuir模型的R2均大于0.99，而Freundlich模型的R2均低于0.92，因此，Langmuir模型更加適用于酵母多孔碳材料對亞甲基藍的吸附，表明亞甲基藍在酵母多孔碳上的吸附是單層吸附。此外，Freundlich等溫線模型中的1/n因子可以反映吸附強度。在本實驗的三個溫度下，酵母多孔碳對亞甲基藍吸附的1/n值均小于0.5，進一步證明了吸附的單層覆蓋度[24]。隨著溫度的升高，最大吸附量也隨之增大，表明溫度升高會增強吸附。合成的酵母多孔碳材料在25、35和45 ℃溫度下，對亞甲基藍的最大吸附容量分別為666.67、714.29和769.23 mg·g-1。

表5 不同等溫線模型下亞甲基藍在JM-800上的吸附等溫線參數

2.5 酵母多孔碳對亞甲基藍的吸附熱力學

吸附熱力學研究的主要是將宏觀熱現象轉化為其他形式的能量。為了研究亞甲基藍在酵母多孔碳上的吸附熱力學，本實驗使用Van’t Hoff方程計算固液界面熱力學吸附參數，如圖13所示。表6中的各項熱力學參數是從各種溫度(298、308和318 K)的實驗中獲得的。結果表明，不同溫度下亞甲基藍在吸附過程中的ΔG0均小于零，說明吸附過程具有熱力學可行性和自發性。ΔG0隨溫度的升高而降低，說明溫度越高，吸附反應越有利。同時，ΔH0為正值進一步表明碳材料對亞甲基藍的吸附過程是吸熱的，ΔS0(26.749 J·mol-1·K-1)為正值表明固溶體系無序度的增加和酵母多孔碳對亞甲基藍的親和性。總之，亞甲基藍在酵母多孔碳材料上的吸附是一個自發的吸熱過程[14]。

表6 亞甲基藍在JM-800上的吸附熱力學參數

圖14 循環使用次數對去除率的影響Fig.14 Effects of reused times on removal rate

2.6 酵母多孔碳的循環再生

吸附劑的再生非常重要，為了研究酵母多孔碳的可重復使用性，利用乙醇/乙酸洗脫液對生物碳材料進行了三次吸附/解吸循環。 圖 14 反映了循環使用次數對亞甲基藍去除率的影響。從圖中可以看出，雖然隨著循環次數的增加，去除率有所下降，但三次循環后去除率仍高于80%。解吸過程使部分碳材料溶解，改變了碳材料的表面結構，導致吸附位點的丟失或堵塞，從而降低了解吸后碳材料的去除率。解吸實驗表明，酵母多孔碳有可能成為一種可重復使用的亞甲基藍去除吸附劑[24]。

3 結 論

(1) 采用水熱處理和KOH活化兩者相結合的方法，成功制備了以酵母菌為生物碳源的一種新型吸附材料。吸附劑制備的最佳碳化溫度為800 ℃，JM-800比其他制備條件下的材料具有更高的比表面積和獨特的孔狀結構。

(2) 在318 K時所制備的吸附劑對亞甲基藍的最大吸附容量可達到769.23 mg·g-1，且吸附容量隨溫度的升高和pH的增加而上升，說明酵母多孔碳材料可作為低成本、高效的染料去除劑。

(3) 溶液的pH值、吸附劑投加量、初始染料濃度和溫度等因素對吸附過程起著重要作用。pH的增加和溫度的升高均有利于酵母多孔碳對亞甲基藍的吸附，當染料初始濃度為50 mg·L-1，JM-800用量為10 mg，反應時間為90 min時，去除率為95.8%，吸附容量為479 mg·g-1。

(4) 酵母多孔碳對亞甲基藍的吸附動力學遵循準二級動力學模型和粒內擴散模型，吸附過程主要為化學吸附。吸附等溫線表明，Langmuir等溫模型更符合對吸附平衡的預測，當溫度為318 K時，最大單層吸附量為769.23 mg·g-1。熱力學研究表明，吸附過程是一個自發的吸熱過程。