包埋固定化小球藻對水中銅離子吸附研究

劉躍福，顏威鵬，林文杰，陳煥檳，許博宇，陳雯洵，林婷婷，方銀玲

（韓山師范學院化學與環境工程學院，廣東 潮州 521041）

銅作為人類最早使用的金屬之一，在制造業、建筑行業和國防軍事等領域得到廣泛使用.目前，中國已成為全球最大的銅消費國，銅的年消費量由1949 年的1.5 萬噸增長到2021 年的1 388.5 萬噸，增長46.4 倍，累計消費量為1.9 億噸[1].采礦、金屬冶煉等工業生產活動導致有毒、有害重金屬向環境的排放量與日俱增，環境污染日益加劇，嚴重影響到生態環境安全和人類健康[2].例如，2020 年江西銅業永平銅礦事件中含酸性物質的污水大量泄露，污水中銅含量超出國家標準23 倍，造成嚴重的國民經濟損失.為解決水體中重金屬的污染問題，前人開展過很多探索性的研究工作.目前，去除廢水銅離子方法有離子交換法、膜分離法和蒸發法等，但這些方法存在操作復雜，運行費用高，在銅離子濃度低時去除效果差，極易造成二次污染等問題[3].吸附法作為一種治理成本低，適用范圍廣泛的物理處理方法，能夠應用于銅污染廢水治理，處理效率在很大程度上與吸附劑材料的吸附能力和用于制備的原材料有關[4].市面上高效的吸附劑因銷售價格昂貴，制約了這類吸附劑的使用，因此開發高效經濟型的吸附劑成為一種迫切需求[4].藻類吸附具有以下優點：一是吸附速度快、可逆性強以及無需能量供應；二是藻類在吸附過程中存在動態的吸附-解吸平衡，將藻類進行固定化后可以通過解吸清洗來對固定化小球藻回收并再次使用；三是藻類在自然界中廣泛存在，原材料容易獲得；四是與其他吸附劑相比，藻類去除重金屬已被證明是更經濟實惠且高效的方法，能夠高效處理銅離子濃度低于100 mg/L 時的污水[5]，藻類對常見重金屬離子的親和性有以下排列順序：Pb＞Fe＞Cu＞Zn＞Mn＞Ni＞V＞Se＞As＞Co[6]，因此利用藻類吸附重金屬銅離子是可行高效的.小球藻（Chlorella vulgaris）在自然界中分布廣泛，容易獲得；小球藻對重金屬具有很強的吸附和富集能力，處理效果好，且吸附后不易發生二次污染，因而許多國內外研究人員嘗試使用小球藻，作為綠色吸附劑對污染水體進行修復治理.

藻類通常具有個體較小，獲取困難且處理之后不易固液分離，同時在吸附過程中易發生流失等特點，一定程度上限制了其在重金屬污水處理行業的直接應用.藻類固定化技術是一種細胞固定化方法，它通過將藻類細胞包埋于多孔性聚合物中，提高藻類在水體中的穩定性和耐受性，從而防止藻類流失；提高藻類的環境負荷能力，使其適應多種反應環境，增強其在水質處理中的作用，使得實驗操作和固液分離更加容易，還能進行回收重復使用[7].當前已被廣泛應用的藻類固定化方法有：包埋法（Entrapment）、吸附法（Adsorption）、交聯法（Crosslinking）、共價鍵法（Covalent bonding）. 其中，包埋法的制備過程更為簡單易行.包埋法是把藻類封閉在凝膠聚合物所形成的特定空間里，使得藻類細胞與載體之間無約束，機械強度良好，固定化顆粒活性高.對藻類固定化時應達到以下標準：（1）固定化不會對藻類產生毒害作用；（2）成球效果好，包埋后顆粒不易發生破裂，藻類不易流失；（3）細胞和載體間沒有束縛；（4）較高的物理強度，穩定的化學性質；（5）固定化流程簡單，成本低廉.目前藻類固定化載體的類型主要有無機載體和有機載體.從適用性和經濟性上考慮，藻類固定化多采用有機載體.據調查，海藻酸鈉（SA）綜合性能更為優越，具有較好的利用價值和應用前景.海藻酸鈉作為包埋劑除了經濟實惠、原料易得及無毒無害之外，還具有傳質阻力小、制作簡單的特點，同時在工業上的應用較為普遍[8].然而，目前各學者的研究中大多是對于有活性的小球藻活體進行研究探討，較少涉及到對失活小球藻進行固定化的研究，因此，本研究將失活小球藻粉進行包埋固定化，探究其對重金屬銅的吸附能力.

1 實驗方法

1.1 實驗準備

（1）藻類的預處理

將小球藻粉放入研缽中進行研磨，研磨過后的小球藻粉過200 目篩，干燥后保存備用.

（2）固定化顆粒的制備

將過完篩的小球藻粉置于燒杯中與海藻酸鈉混合，加入適量去離子水后，放在磁力加熱攪拌器上，插入加熱棒將實驗溫度升至50 ℃后開始攪拌，攪拌均勻后待混合液冷卻至室溫，將其裝入6 號針管注射器，距離液面15 cm 處勻速滴入提前預冷的CaCl2溶液，滴入時保持震蕩，即形成3 mm 左右的固定化小球藻顆粒.滴完后在室溫條件下固定交聯24 h.取出顆粒用去離子水沖洗2-3 次，干燥之后備用.

（3）雙環己酮草酰二腙溶液（BCO）的配制

稱取0.5 g 的BCO，在燒杯中加20 mL 無水乙醇和20 mL 蒸餾水與BCO 混合，置于60 ℃水浴鍋中溫熱攪拌溶解，溶解完后轉移至1 000 mL 的容量瓶中用蒸餾水稀釋至刻度線，充分混合后置于陰暗處避光保存.

（4）銅離子模擬廢水的配制

稱量78.125 mg 的CuSO4·5H2O 晶體溶解在1 000 mL 的容量瓶中，待完全溶解后用去離子水定容至1 000 mL 刻度線，即可獲得質量濃度為10 mg/L 銅離子模擬廢水，配置完后供實驗使用.

1.2 實驗具體流程

（1）固定化材料對固定化顆粒制備的影響

本研究通過下列兩項因素來判定固定化顆粒的物理性能，從而優化固定化材料配比：

①成球難度：將小球藻與海藻酸鈉溶液混合均勻后，裝入6 號針管并勻速滴入至CaCl2溶液，根據擠壓針筒的難易程度以及固定化小球藻在CaCl2溶液中的成球速度來判定固定化小球藻的成球難度；

②機械性能：小球藻- 海藻酸鈉混合液在CaCl2交聯24 h 后，通過觀察、按壓顆粒的方式來判定其粒徑大小、粒徑形狀、軟硬程度、易破損程度和CaCl2溶液澄清度，考察出最佳固定化小球藻的機械性能.

（2）固定化小球藻顆粒投放量對吸附Cu2+的影響

對固定化顆粒的投加量實驗設置5 個梯度組（1、2、5、10、15 g），將顆粒放入有50 mL 銅離子溶液的250 mL 錐形瓶中，分裝五組并貼上標簽，放于恒溫培養振蕩器中，調整儀器轉速為120 r/min 并進行1 h 的振蕩吸附處理，待吸附結束后過濾掉固定化小球藻顆粒，接著利用紫外分光光度計測定溶液的吸光度，并根據標準曲線計算出銅離子的質量濃度.

（3）反應溫度對吸附Cu2+的影響

稱取10 g 固定化顆粒放入含有50 ml 重金屬銅離子溶液的250 mL 錐形瓶中，分裝5 組進行吸附反應，同時將恒溫振蕩器的環境溫度設置為5 個梯度實驗，依次為30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃，將轉速調整為120 r/min 開始振蕩吸附1 h，隨后將吸附后的溶液過濾，然后使用紫外分光光度計測定吸光度，并在標準曲線上得出銅離子質量濃度.

（4）反應震蕩時間對吸附Cu2+的影響

在5 個250 mL 的錐形瓶中分別加入10 g 固定化小球藻，然后分別加入50 mL 質量濃度為10 mg/L 的銅離子模擬廢水，設置恒溫振蕩器溫度為35 ℃，轉速為120 r/min，在0.5、1、1.5、2、2.5 h 時進行取樣，隨后將吸附后的溶液過濾，然后使用紫外分光光度計測定吸光度，并在標準曲線上得出銅離子質量濃度.

（5）溶液pH 對吸附Cu2+的影響

設置5 個具有不同的pH 初始值（6、6.5、7、7.5、8）的實驗條件，然后在5 個含有50 ml 質量濃度為10 mg/L 的重金屬銅離子溶液的錐形瓶（規格250 mL）中各加入10 g 固定化顆粒，放置于轉速為120 r/min，溫度為35 ℃的恒溫振蕩器內振蕩吸附1.5 h，隨后將吸附后的溶液過濾，濾液使用紫外分光光度計測定吸光度，并在標準曲線上得出銅離子質量濃度.

（6）銅離子初始質量濃度對吸附Cu2+的影響

配制5 個不同質量濃度（100、200、300、400、500 mg/L）的銅離子溶液，分別取50 mL 轉至250 mL 的錐形瓶中，各自稱取10 g 固定化小球藻顆粒放入各錐形瓶中，將溶液pH 值調節為6.5 后放于恒溫培養振蕩器中，調整儀器轉速至120 r/min，完成1.5 h 的振蕩吸附處理，待吸附結束后用濾紙過濾掉固定化小球藻顆粒，接著利用紫外分光光度計測定溶液的吸光度，并根據標準曲線計算出銅離子的質量濃度.

1.3 實驗指標測定

本研究測定銅離子濃度采用BCO 新銅試劑法. 在pH 為7～9 的Na2B4O7溶液中，BCO 會以烯醇式I 形態與二價銅發生反應，生成藍色的絡合物Cu（BCO）2，形成銅（Ⅱ）-BCO 顯色體系.因此在水溶液中可直接用分光光度法測定微量銅（Ⅱ）[9]. 具體操作步驟如下：

（1）繪制標準曲線：取7 支具塞比色管用銅離子溶液潤洗后，依次加入0、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.0 mL 銅離子標準（10 mg/L）溶液，之后向各份樣品中加入5 mL pH 為8.5 的Na2B4O7溶液和10 mL 質量濃度為0.5 g/L 的BCO 溶液，并用去離子水定容至50 mL，搖勻顯色55 min 后以蒸餾水作為參比液測得吸光度，并將得到的數據繪制成標準曲線，最終制得銅標準曲線為Y＝0.098 6X＋0.001（Y 為吸光度，X 為濃度），R2＝0.999 9.

（2）樣品發色：將吸附完成后的固定化小球取出，用移液管量取5 mL 濾液于50 mL的比色管中并做好標簽，向比色管中加入pH 為8.5 的Na2B4O7緩沖溶液5 mL 和濃度為0.5 g/L 的雙環己酮草酰二腙溶液10 mL，同時用水稀釋到刻度線，搖勻后顯色55 min，顯色后溶液呈藍色并與銅離子質量濃度成正比.

（3）分光光度測量：以蒸餾水作為參比液，得到稀釋后的溶液銅離子吸光度，根據標準曲線換算得出稀釋后的Cu2+濃度，再乘以稀釋倍數，從而得到吸附完成后的銅離子質量濃度.

（4）計算固定化小球藻對重金屬銅離子的吸附率：

式中：C0------ Cu2+的初始質量濃度（mg/L）；

Ct------ 反應t 時刻溶液中Cu2+質量濃度（mg/L）；

η ------ Cu2+的去除率（%）；

2 實驗結果與分析

2.1 固定化材料配比研究

2.1.1 藻粉用量對固定化小球制備的影響

實驗過程中，向3 個盛有150 mL 含2% CaCl2和4%海藻酸鈉（SA）的溶液中分別加入1 g、0.3 g 和0.1 g 藻粉，觀察藻粉用量對固定化小球物理化學性質的影響.圖1（A）顯示，藻粉用量在1 g 時，固定化的小球呈現膨脹的狀態，因內部藻粉填充過多[8]，小球表面鼓包且容易破裂，在CaCl2中浸泡交聯時藻粉嚴重泄露.當藻粉用量0.1 g 時，由于球體內部藻粉較少，難以填充固定化小球的一些細洞，小球成球狀況與機械性能較差.而當藻粉用量0.3 g 時，小球藻顆粒圓潤飽滿且藻粉較少泄露.因此選用0.3 g 的配比方案.

圖1 藻粉用量對制備固定化小球藻的影響

2.1.2 SA 對制備固定化小球藻的影響

設置4 個質量分數分別為1%、2%、3%和4%的SA 溶液對照實驗組，溶液中CaCl2的質量分數為2%，藻粉加入量為0.3 g，觀察不同質量分數的SA 對制備固定化小球藻的影響.當SA 質量分數為1%時，固定化小球呈現絮絲狀，難以成球型.SA 用量過少時會影響對小球藻的包裹性，造成藻粉泄露，影響對重金屬的吸附效果[8]；當SA質量分數為2%時，小球開始成型，但是成型效果不佳，形狀的粒徑不均勻，同時小球質地較軟易破裂；當固定化小球SA 質量分數為3%和4%時，固定化小球藻成球完整，具有良好的機械性能.綜合考慮到小球的制備難度、成球難度以及機械強度，選擇4%作為制備固定化小球藻的SA 質量分數.

圖2 不同質量分數的SA 對制備固定化小球藻的影響

2.1.3 CaCl2用量對固定化小球制備的影響

設置4 個質量分數分別為1%、2%、3%和4%的CaCl2溶液對照實驗組，溶液中SA 的質量分數為4%，藻粉加入量為0.3 g，觀察不同質量分數的CaCl2對制備固定化小球藻的影響.當CaCl2質量分數為1%時，海藻酸鈉-小球藻溶液滴入后慢慢變為不透明的綠色球狀，少有融合與黏連現象，同時固定化小球的表面有些許小氣泡出現，結構疏松，強度相對較差；當CaCl2質量分數為2%時，小球多為圓球狀，粒徑與顆粒較為飽滿均衡，滴入后由透明的綠色球狀轉為不透明的綠色球狀，有較為良好的強度；當CaCl2質量分數為3%時，小球多為球狀，粒徑與顆粒較為飽滿均衡，滴入后快速變為不透明的綠色球狀，但開始出現少量橢球形體，此時機械強度良好；當CaCl2質量分數為4%時，小球形狀各異，球形不明顯，滴入后快速形成不透明的綠色小球.隨著CaCl2質量分數的增大，小球粒徑發生變化，強度也有所增大.結合小球經濟成本考慮，選擇質量分數為2%的CaCl2溶液作為制備最佳固定化小球的濃度.

根據上述實驗結果，采用SA 質量分數為4%、150 mL SA 中藻粉投放量為0.3 g、CaCl2質量分數為2%的條件配比用以制備固定化小球.所制備的小球機械性能良好，藻粉泄露情況不明顯.

圖3 不同濃度的CaCl2 對制備固定化小球藻的影響

2.2 不同條件下對固定化小球藻吸附銅離子效果的影響

在固定化材料配比研究中發現當海藻酸鈉質量分數為4%，藻粉投放量0.3 g/150 mL SA，CaCl2質量分數為2%時的固定化配比來制備固定化小球，所制備的小球機械性能良好，藻粉不易泄露，因此將該配比的固定化小球進行單因素影響實驗研究，實驗結果如表1 所示.

表1 固定化小球藻藻珠投入量、pH、Cu2+初始質量濃度、反應時間、溫度對Cu2+去除率的影響

2.2.1 固定化小球藻投放量對吸附Cu2+的影響

根據上述實驗所得的最佳配比，制備固定化小球并放入重金屬溶液中，保持銅離子初始質量濃度為10 mg/L，反應溫度為30 ℃、反應時間為1 h，pH 為6，通過改變固定化小球的投放量來觀察固定化小球對重金屬銅去除率的變化.

固定化小球藻投加量對去除率的影響如圖4 所示.當投放量為1～10 g 時，固定化小球藻投放量與吸附率成正相關關系，吸附率由72.3%升至82.4%.

圖4 固定化小球藻的投放量對Cu2+吸附率的影響

投放量為15 g 時，吸附率比10 g 的投放量有略微下降，隨著投放的吸附劑量增大，銅離子可吸附點位增多，固定化小球藻對銅的去除率增大，但如果繼續增加投放量到一定程度時，吸附劑之間會互相影響，因此會造成吸附率略微降低[9].在兼顧吸附效果和經濟效益的前提下，確定最適宜的固定化小球藻投放量為10 g.

2.2.2 反應溫度對吸附Cu2+的影響

根據上述實驗所得的最佳配比，制備固定化小球并放入重金屬溶液中，保持銅離子初始質量濃度為10 mg/L、吸附劑投放量為10 g、pH 為6、反應時間為1 h，通過調節反應溫度觀察其對Cu2+吸附效率的影響.

如圖5 所示，溫度變化對固定化小球藻吸附銅離子的影響較小.當溫度由30 ℃升至35 ℃時，Cu2+的去除率從80.3%升至84.2%，在35 ℃時吸附效果最好.溫度超過35 ℃時，會導致去除率的降低；直至升到50 ℃時，去除率降低至81.7%，主要原因可能是溫度的升高破壞了固定化小球藻吸附劑表面的活性區位[10]，從而影響到固定化小球藻對重金屬離子的吸附能力.但固定化小球藻仍能在較高溫度的情況下，保持良好吸附性能.因此固定化小球藻的最佳反應溫度應為35 ℃.

圖5 反應溫度對對Cu2+吸附率的影響

2.2.3 反應震蕩時間對吸附Cu2+的影響

根據最佳配比制備固定化小球并放入重金屬溶液中，在確定了投放量為10 g 后、保持銅離子初始質量濃度為10 mg/L，溫度為35 ℃，pH 為6，通過調整反應震蕩時間來觀察固定化小球對重金屬銅去除率的影響.

如圖6 所示，隨著反應震蕩時間的增加，吸附速率先快后慢，吸附率由76.5%變為80.1%，在1.5 h 時達到最大吸附率為80.1%，并在1.5 h 后反應趨于穩定，后續吸附效果略微降低.因此固定化小球藻對Cu2+吸附可分為2 個階段：快速吸附階段與穩定吸附階段.在反應的前期由于吸附劑表面官能團裸露在外，豐富的活性集團與溶液重金屬銅離子發生配位絡合作用，傳質阻力小并快速進行吸附作用.而在1.5 h 后，吸附劑官能團的表面吸附大都已經飽和，主要官能團大部分已被Cu2+占據，吸附劑達到飽和狀態，并與游離的Cu2+產生排斥作用[11].因為固定化小球藻對Cu2+的吸附屬于一個可逆的動態平衡過程，在吸附的整個過程中存在著吸附與解吸的過程，在1.5 h 到2.5 h 間Cu2+的去除率有略微減少但是變化很小.考慮吸附率與時間成本的情況下，選取最佳固定化小球藻反應震蕩時間為1.5 h.

圖6 反應震蕩時間對吸附Cu2+的影響圖

2.2.4 溶液pH 對吸附Cu2+的影響

根據最佳配比制備固定化小球并放入重金屬溶液中，在確定了投放量為10 g 后、保持銅離子初始質量濃度為10 mg/L、溫度為35 ℃與反應時間為1.5 h，通過調節溶液中的pH 來觀察固定化小球對重金屬銅去除率的影響.

圖7 所示，pH 在6-6.5 的時候，固定化小球藻對重金屬銅的去除率上升，在pH＝6.5時達到最大值86.7%.但從pH＝6.5 開始，提高溶液的pH 會導致吸附率開始下降，甚至低于初始值.這是因為pH 值在6～6.5 范圍內升高時，固定化小球藻表面負電荷增多，活性位點可結合更多銅離子，固定化小球藻的吸附率也隨之增加.但當pH 值超過適宜范圍時，銅離子更多的會與氫氧化物陰離子結合并存在于溶液中[12]，使得固定化小球藻表面的活性位點結合的銅離子數量減少，導致重金屬銅的去除率降低.可以看出pH 對固定化小球藻去除重金屬影響效果顯著，在同時考慮吸附率與成本的情況下，選取最佳反應pH 為6.5.

圖7 溶液pH 對吸附Cu2+的影響圖

2.2.5 銅離子初始質量濃度對吸附Cu2+的影響

根據最佳配比制備固定化小球并放入重金屬溶液中，在確定了投放量為10 g 后、保持反應溫度為35 ℃、反應時間為1.5 h 與pH＝6.5，通過設置不同初始質量濃度（100、200、300、400、500 mg/L）的銅離子溶液來觀察固定化小球對重金屬銅去除率的變化.

圖8 所示，當Cu2+初始質量濃度為400 mg/L 時，去除率為93%，吸附效果為本研究最好.而在初始質量濃度為500 mg/L 時則略微下降到了92.7%，出現這種情況的原因可能是當Cu2+初始質量濃度在100～400 mg/L 時，此時吸附劑上的吸附位點足夠多，溶液中的銅離子大部分被吸附，初始濃度的增加會提高吸附劑之間的濃度梯度，促使Cu2+通過濃度梯度驅動力克服與吸附劑之間的傳質阻力，固定化小球藻能夠通過表面吸附以及離子交換對溶液中的Cu2+持續性去除，導致去除率增大[11].而當初始質量濃度大于400 mg/L 時，繼續增大初始濃度使得固定化小球藻表面的吸附位點飽和，靜電斥力逐漸占據優勢地位，吸附能力趨于飽和，無法繼續吸附重金屬離子，去除率降低.因此綜合考慮上述原因，為使得固定化小球藻充分發揮其吸附效率，應選擇400 mg/L 為其最佳反應初始質量濃度.該結果為小球藻運用于治理現實水體中銅離子污染的濃度限定了一個適用的范圍.

圖8 銅離子初始質量濃度對吸附Cu2+的影響圖

3 結 論

本研究以海藻酸鈉作為包埋劑，CaCl2作為交聯劑來制備固定化小球藻吸附劑，優化機械強度、成球效果，降低制備難度等相關因素.實驗結果顯示，小球藻固定化吸附劑的最佳包埋條件為：藻粉0.3 g 每150 mL，SA 質量分數4%，氯化鈣質量分數2%，制備出的固定化小球藻吸附劑成球完整，機械強度良好.

本研究采用最佳包埋條件的固定化小球作為吸附劑，探究吸附過程中各單因素對Cu2+吸附效果的影響.結果表明，在150 mL 的反應體系中，Cu2+初始質量濃度為400 mg/L，吸附劑投放量為10 g，溶液pH＝6.5，反應時間為1.5 h，反應溫度為35 ℃時去除率最高可達93%.