利用水葫蘆根系去除水中重金屬的效率和機理研究.pdf

1、利用水葫蘆根系作為生物吸附劑去除水溶液中的Cu(Ⅱ)，Cd(Ⅱ)，和Cr(Ⅵ)污染。氮氣吸附/脫附等溫線分析顯示，水葫蘆根系具有相對較小的比表面積，僅有4.5 m2g-1。水葫蘆根系表面在零電荷點時的pH值為6.6，接近中性。
　　 分別含有Cu(Ⅱ)，Cd(Ⅱ)，和Ct(Ⅵ)的單金屬系統(tǒng)生物吸附研究顯示，水葫蘆根系作為生物吸附劑對Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)離子具有較高的吸附能力，分別為22.7和27.6 mg g-1，但是對Cr(

2、Ⅵ)的吸附能力非常有限。吸附平衡等溫線數(shù)據(jù)可以通過Langmuir和Freundlich模型擬合，結(jié)果顯示Langmuir模型對Cu(Ⅱ)的生物吸附實驗數(shù)據(jù)擬合效果比Freundlich模型更好，對Cd(Ⅱ)的生物吸附數(shù)據(jù)，兩種模型都能提供很好的擬合結(jié)果，擬合參數(shù)顯示水葫蘆根系對Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)兩種離子具有很高的親和力和吸附能力。準二級動力學模型揭示了水葫蘆根系對Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)具有較快的生物吸附速率，并隨著溫度的增加而增加

3、，這也暗示了水葫蘆根系對這兩種離子的吸附過程是典型的吸熱過程，這也和熱力學計算結(jié)果相一致。水葫蘆根系吸附劑對Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附活化能通過計算分別為28.35和23.45 kJ mol-1，根據(jù)文獻報道，這兩個值都屬于化學吸附范圍內(nèi)，所以吸附過程主要是化學過程，這也與SBET測定結(jié)果相一致。
　　 溶液pH值可以嚴重影響吸附過程。利用水葫蘆根系分別去除Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的過程中，發(fā)現(xiàn)了溶液pH的減小和根系表面鈣離子的

4、釋放現(xiàn)象，這也暗示了吸附過程中存在離子交換的機理。通過X-射線光電子能譜分析，發(fā)現(xiàn)吸附前后氧的相對濃度變化以及碳和氧結(jié)合能的偏移，說明了Cu(Ⅱ)與吸附劑表面形成了復合物，這也與紅外光譜分析中發(fā)現(xiàn)的-OH和C=O振動峰發(fā)生偏移相一致。本研究暗示離子交換和復合物的形成是水葫蘆根系作為生物吸附劑吸附去除Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的主要機理。
　　 在二元金屬系統(tǒng)下，分別研究了水葫蘆根系在Cd(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)-Cu(Ⅱ)兩種

5、系統(tǒng)下的吸附過程。雖然水葫蘆根系對但系統(tǒng)中的鎘和銅兩種金屬都具有較高的吸附能力，但在兩者混合系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)Cu(Ⅱ)的存在強烈的抑制了根系對Cd(Ⅱ)的生物吸附過程。吸附過程中輕離子如Ca2+，Ma2+，K+和H+的釋放也證明了二元金屬系統(tǒng)生物吸附過程中離子交換的機理存在，但釋放量的差異也說明了兩種金屬在根系表面具有不同的結(jié)合活性位點。通過XPS分析揭示與吸附劑表面的氨基和含氧官能團的螯合作用對生物吸附Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)具有較大貢獻。

6、被Cd(Ⅱ)占據(jù)的吸附位點可以被銅離子輕松取代，這也證實了水葫蘆根系作為生物吸附劑對銅離子具有更強的親和力。
　　 當反應體系溫度增加時，根系吸附劑對Cd(Ⅱ)的吸附速率常數(shù)增加的倍數(shù)增加的更顯著，這主要是由于根系吸附Cd(Ⅱ)的活化能比吸附Cu(Ⅱ)的活化能更大(28.35對23.45 kJ mol-1)，這在某種程度上可以削減Cu(Ⅱ)存在對Cd(Ⅱ)吸附的影響。然而，水葫蘆根系對Cu(Ⅱ)具有的更強的親和力最終還是強烈的抑

7、制了對Cd(Ⅱ)的吸附。而且對銅離子的吸附不僅可以發(fā)生在原根系上，而且可以發(fā)生在吸附Cd(Ⅱ)后的水葫蘆根系上。
　　 本研究也為應用活體水葫蘆修復含有鎘離子污染的廢水提供理論指導，如果溶液中存在銅離子，必須考慮銅離子在修復鎘污染時的顯著抑制作用。
　　 對比與Cd(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)的兩種陽離子組成的反應系統(tǒng)，本研究也探索了生物吸附在Cr(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)體系中的吸附影響，發(fā)現(xiàn)Cu(Ⅱ)的存在對水葫蘆根系吸附Ct(Ⅵ)具

8、有協(xié)同作用，大大增加了Ct(Ⅵ)的去除量，而且并沒有減少對Cu(Ⅱ)的去除量。另外，這種協(xié)同效應會隨著溫度的增加變得更強烈，導致大大提高了水葫蘆根系對六價鉻的吸附速率。
　　 吸附重金屬前后的水葫蘆根系進行XPS分析，Nls和Ols的高分辨圖譜顯示了顯著差別。金屬的吸附產(chǎn)生了結(jié)合能的顯著偏移，這可能是由于溶液中的鉻酸氫根與根系吸附劑表面的質(zhì)子化的氨基官能團發(fā)生靜電吸引的作用所引起的。在Cr(Ⅵ)單系統(tǒng)中，由于Cr(Ⅵ)的氧化，羧