張 喆，王敏香，劉 東，趙燕麗

山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

生物吸附劑在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用研究

張 喆，王敏香，劉 東，趙燕麗

山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

由于體內(nèi)重金屬過(guò)多而造成的人員傷亡事故時(shí)有發(fā)生，國(guó)家管理部門(mén)對(duì)工廠的污水排放有嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)于重金屬超標(biāo)的廢水，在未通過(guò)相關(guān)的處理并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)之前，一律禁止向江河中排放。因此，怎么樣才能有效地去除或者降低廢水中的重金屬物質(zhì)，一直以來(lái)都是科學(xué)家討論和研究的重點(diǎn)之一。對(duì)廢水中的重金屬離子進(jìn)行去除的傳統(tǒng)方法就已經(jīng)有很多種，例如，利用化學(xué)反應(yīng)中的沉淀方法或者電解的方法，還有物理方法中的蒸發(fā)濃縮法等都是傳統(tǒng)的去除重金屬離子的方法。這些方法在現(xiàn)今的生產(chǎn)中還在使用，只是這些方法都因?yàn)槟承┓矫娴娜毕荻荒芡耆コ亟饘匐x子。近年來(lái)，生物吸附技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，且在廢水處理方面取得了較好的成就，同時(shí)也具有非常好的應(yīng)用愿景。本文介紹了生物吸附劑在重金屬?gòu)U水處理中的具體情況，也對(duì)生物吸附法在今后的重金屬去除中的發(fā)展方向。

吸附劑；重金屬；廢水處理；人體健康

當(dāng)今時(shí)代，水體重金屬的污染問(wèn)題已經(jīng)成為全球性問(wèn)題，重金屬離子對(duì)人體健康具有很?chē)?yán)重的影響，對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞也是觸目驚心，因此對(duì)含有重金屬?gòu)U水的處理已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。對(duì)廢水中的重金屬離子進(jìn)行去除的傳統(tǒng)方法就已經(jīng)有很多種，例如，利用化學(xué)反應(yīng)中的沉淀方法或者電解的方法，還有物理方法中的蒸發(fā)濃縮法等都是傳統(tǒng)的去除重金屬離子的方法[1]。這些方法在現(xiàn)今的生產(chǎn)中還在使用，只是這些方法都因?yàn)槟承┓矫娴娜毕荻荒芡耆コ亟饘匐x子。近年來(lái)，吸附法去除廢水中的重金屬離子由于材料易得、價(jià)格便宜、去除效果好等特點(diǎn)而很受人們的喜愛(ài)，且在廢水處理方面取得了較好的成就，同時(shí)也具有非常好的應(yīng)用愿景，值得在以后的生產(chǎn)中推廣使用。

1 生物吸附劑的種類(lèi)

在早期的生物吸附劑研究中，微生物吸附劑的研究是最主要的研究方向，就如對(duì)原核及真核微生物中的放線菌、細(xì)菌、酵母菌和霉菌等微生物的研究，除此之外，有的藻類(lèi)對(duì)重金屬離子也具有吸附作用。因此，有人將生物吸附劑的定義說(shuō)成“充分運(yùn)用微生物（活的、死的或其衍生物）的吸附特性，對(duì)水體中的金屬離子進(jìn)行分離的過(guò)程”?，F(xiàn)今對(duì)生物吸附劑的研究區(qū)域早已超出對(duì)微生物的單一研究，比如動(dòng)植物的碎片或者活的植物系統(tǒng)，都可以是生物吸附劑[2]。

從科學(xué)的角度考慮一種生物材料能否作為吸附劑原料，需要充分考慮其原本具有的一些生物特性，對(duì)重金屬離子的吸附效果、是否具有選擇性的吸附特點(diǎn)、吸附重金屬時(shí)的最大吸附量以及取材與使用成本等。除此之外，生物吸附劑自身對(duì)金屬離子的吸附特點(diǎn)也是在選擇針對(duì)性的生物吸附劑時(shí)必須予以考慮的條件。

2 生物吸附劑的處理方法

2.1 生物吸附劑的預(yù)處理

生物吸附劑的預(yù)處理目的主要有以下幾種:第一，把吸附劑表層的質(zhì)子去除,對(duì)吸附的吸附位點(diǎn)進(jìn)行活性化處理；第二，對(duì)吸附劑本身的一些化學(xué)性能或者物理性能進(jìn)行改善。對(duì)其進(jìn)行改善的方法主要有化學(xué)中的酸堿處理法及無(wú)機(jī)鹽的活化法，物理方法有碎裂法和熱反應(yīng)法等幾種。在化學(xué)酸堿處理法的使用中，幾乎所有的生物吸附劑均可以采用，只是在對(duì)活體吸附劑進(jìn)行酸堿處理時(shí)，對(duì)其調(diào)配的酸堿濃度有偏低的要求。在對(duì)吸附劑進(jìn)行酸處理時(shí)，其表現(xiàn)處理的作用通常都不太明顯,甚至還有可能降低吸附劑的吸附性能；對(duì)于堿處理來(lái)說(shuō)，它主要是讓吸附劑表層上的質(zhì)子去除,降低吸附劑在吸附重金屬時(shí)，最大程度降低H+在與重金屬離子之間爭(zhēng)奪負(fù)離子的能力。李清彪在對(duì)白腐真菌的研究中，對(duì)其菌絲球經(jīng)過(guò)堿性化方法處理后,再把白腐真菌用于吸附Pb2+，發(fā)現(xiàn)它的吸附量增加到65%～90%。無(wú)機(jī)鹽活化的預(yù)處理主要是對(duì)活體生物吸附劑進(jìn)行處理。之所以需要對(duì)吸附劑進(jìn)行碎裂處理，是由于將其進(jìn)行碎裂處理后，吸附劑被分解成其他較小、較多的吸附劑顆粒，從而可以增加對(duì)重金屬的吸附率。如尹平河等人在針對(duì)海藻的研究實(shí)驗(yàn)中，將海藻粉碎前后對(duì)水體重金屬離子的吸附性進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)被粉碎了的海藻吸附性能比粉碎前提高了很多。熱反應(yīng)處理是通過(guò)改變吸附劑原來(lái)的化學(xué)性能,使它對(duì)重金屬的吸附量增加3到4倍。

2.2 生物吸附劑的性能固定化

對(duì)生物吸附劑的性能固定化的目的是提高其對(duì)廢水中金屬離子的吸附性，并在其原有的化學(xué)性能的基礎(chǔ)上又更進(jìn)一步的提高，方便吸附處理后的固液體相互分離。有多鐘方法對(duì)生物吸附劑進(jìn)行固定化處理，但最主要的還是包埋固定化或者交聯(lián)固定化。Ho land曾經(jīng)的多糖化合物研究中，發(fā)現(xiàn)該藻類(lèi)物質(zhì)在堿性溶液中十分容易發(fā)生電解反應(yīng)，但在酸性條件時(shí)又很容易發(fā)生水解。因此，對(duì)金屬離子吸附能力降低的主要原因是交聯(lián)反應(yīng)時(shí)所處的強(qiáng)酸條件對(duì)強(qiáng)堿環(huán)境中具有吸附性能的多糖物質(zhì)產(chǎn)生了破壞。大多數(shù)生物吸附劑進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)后，它的使用壽命以及硬度結(jié)構(gòu)在很大程度上都有顯著的改善，但是在進(jìn)行該反應(yīng)后，吸附劑的吸附量卻有了明顯的降低，經(jīng)過(guò)分析后得出其下降程度伴隨吸附劑以及交聯(lián)方法的不同而表現(xiàn)出不同的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，要對(duì)吸附劑進(jìn)行固定化處理的話(huà)，選擇合適的載體是非常重要的，例如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、等都是比較常用的固定載體[3]。

2.3 生物吸附劑的脫附處理

生活中，我們不但需要對(duì)廢水中的重金屬進(jìn)行去除處理，也需要對(duì)一些貴金屬物質(zhì)進(jìn)行回收使用，因此，吸附劑的脫附成為了關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)吸附劑進(jìn)行脫附不但可以滿(mǎn)足貴金屬的回收利用，還可以將吸附劑進(jìn)行循環(huán)使用，從而達(dá)到了對(duì)吸附劑的成本控制效果。而常用的具有脫附效果的脫附劑有強(qiáng)酸和金屬鹽以及絡(luò)合物等。將強(qiáng)酸或者金屬銀當(dāng)作脫附劑的原理是“強(qiáng)強(qiáng)反應(yīng)”，H+與排在化學(xué)周期表前列具有強(qiáng)還原性的的金屬離子與吸附劑上的弱還原性金屬離子爭(zhēng)奪吸附點(diǎn)，從而順利把重金屬離子還原為重金屬單質(zhì)，達(dá)到脫附的目的。絡(luò)合物對(duì)吸附劑進(jìn)行脫附的原理是絡(luò)合物較易與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而將重金屬離子與吸附劑分離開(kāi)來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)酸的酸濃度越高，對(duì)吸附劑的脫附效果也越高，田建明的外紅硫螺菌充分證明了這一點(diǎn)。田建明將pH值分別為5、3、2酸性溶液用于對(duì)吸附飽和的外紅硫螺菌進(jìn)行脫附試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其托福率隨著酸濃度降低而降低。

3 生物吸附劑的吸附原理及應(yīng)用

3.1 吸附原理

生物吸附劑對(duì)金屬離子的吸附處理過(guò)程可看作2個(gè)階段：主動(dòng)吸附與被動(dòng)吸附。（1）被動(dòng)吸附。是指細(xì)胞表面對(duì)金屬離子的吸附,即是說(shuō)細(xì)胞外的多聚物主動(dòng)與金屬離子的結(jié)合反應(yīng)，還有金屬離子與細(xì)胞壁上存在的官能基團(tuán)主動(dòng)結(jié)合的吸附。（2）主動(dòng)吸附。是指細(xì)胞的酶?jìng)鬏斪饔茫诩?xì)胞表面上有一種具有傳輸功能的酶主動(dòng)將金屬離子傳入細(xì)胞內(nèi)壁。因?yàn)樯锛?xì)胞本身具有非常復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu),因此目前對(duì)該種吸附原理還不具有較健全的研究理論。

3.1.1 離子交換機(jī)理

在化學(xué)反應(yīng)中，一般都是根據(jù)強(qiáng)強(qiáng)反應(yīng)原理進(jìn)行反應(yīng)。并且，每一項(xiàng)反應(yīng)的結(jié)果是，一種離子與另外一種離子相結(jié)合，那么就還有一種離子被釋放，而科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)表明生物吸附劑的吸附原理與化學(xué)反應(yīng)的原理十分相似，細(xì)胞對(duì)一種金屬陽(yáng)離子進(jìn)行吸附時(shí)，就會(huì)釋放出另一種陽(yáng)離子，而且吸附的金屬陽(yáng)離子數(shù)與釋放的陽(yáng)離子數(shù)具有等量的關(guān)系。死的活性真菌P y c n o p o r n s sanguineus具有很強(qiáng)的去除重金屬離子的作用，X-射線能量散射光譜分析表明,鉀和鈣兩種元素細(xì)胞壁組成的基礎(chǔ)性元素，那么，生物吸附劑在對(duì)還原性比較弱的Pb2+，Cu2+和Cd2+等重金屬離子進(jìn)行吸附時(shí)，鉀和鈣離子卻被逐漸的釋放出來(lái)，生物吸附劑吸附以后在X-射線光譜中，沒(méi)有鉀離子與鈣離子的光譜，而其他被吸附的離子的光譜卻被呈現(xiàn)出來(lái)[4]。

3.1.2 生物吸附劑的表面絡(luò)合機(jī)理

在使用生物吸附劑對(duì)重金屬離子進(jìn)行吸附時(shí)，生物吸附劑的細(xì)胞壁對(duì)所吸附的重金屬離子具有選擇性與決定性。對(duì)于微生物來(lái)說(shuō)，其細(xì)胞表面主要含有蛋白質(zhì)、脂類(lèi)和其他的多聚糖等，而可以與重金屬離子相結(jié)合并達(dá)到吸附效果的主要成分是官能團(tuán)羥基、硫酸酯基、氨基等幾種基團(tuán)，而其中所含的氧、硫、磷、氮等各種原子則被當(dāng)成配位原子與溶液中的重金屬離子發(fā)生配位絡(luò)合反應(yīng)。

3.1.3 氧化還原及無(wú)機(jī)微沉淀機(jī)理

具有變價(jià)特性的金屬離子的化學(xué)穩(wěn)定性非常弱，因此，當(dāng)生物體對(duì)具有變價(jià)特性的金屬離子進(jìn)行吸附時(shí)，極易與金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。例如:在科學(xué)家對(duì)小藻球的研究實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)小藻球具有很強(qiáng)的吸附Au3+的能力，但是在其吸附完成后的光譜實(shí)驗(yàn)中，卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Au3+的光譜存在，進(jìn)行脫附以后也只有Au+被脫附下來(lái)。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明小藻球順著Au3+——Au+——Au的順序，把Au3+逐漸變成了銅單質(zhì)[5]。

3.1.4 酶促機(jī)理

雖然活性與非活性都可以當(dāng)作吸附劑對(duì)重金屬進(jìn)行吸附處理，但是活性生物的吸附作用有可能與生物體細(xì)胞上存在的某種酶具有十分密切的關(guān)系。例如，在以及使用過(guò)的啤酒酵母中，就存在著磷酸酶，這種酶金屬離子具有從細(xì)胞外向細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸?shù)淖饔?，使金屬離子在細(xì)胞累累計(jì)起來(lái)，達(dá)到去除廢水中重金屬離子的作用。

3.2 生物吸附劑的應(yīng)用

由于生物吸附劑本身的一些價(jià)格及使用特性，其可以廣泛地運(yùn)用于廢水重金屬的處理當(dāng)中，也受到了近現(xiàn)代科學(xué)家熱烈關(guān)注。生物吸附劑不但取材方便、簡(jiǎn)單，而且價(jià)格也比較便宜，還具有重復(fù)使用的特點(diǎn)。由于生物吸附劑一般是藻類(lèi)、菌體或者是一些細(xì)胞提取物，因此有人定義生物吸附劑為對(duì)金屬離子或其他污染物具有吸附性的活的或死的微生物[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所訴，生物吸附劑具有純天然的特性，而它對(duì)廢水中的重金屬離子又具有很好的吸附去除的功效，所以值得在以后的研究中深層次的挖掘，并在今后的生產(chǎn)中廣泛的應(yīng)用，具有一個(gè)非常良好的應(yīng)用前景。其實(shí)，生物吸附劑作為去除廢水中重金屬的吸附劑使用的非常少，大多還只是在實(shí)驗(yàn)研究當(dāng)中。在今后的研究中可以對(duì)以下幾點(diǎn)作針對(duì)性的研究：其一是對(duì)生物體的吸附機(jī)理的研究，以該研究作為出發(fā)點(diǎn)，研究生物體吸附重金屬的化學(xué)原理、物理學(xué)原理以及生物學(xué)原理。其二是在對(duì)生物體吸附劑的實(shí)際應(yīng)用中的研究，對(duì)一些比較難以處理的重金屬物質(zhì)的吸附能力作進(jìn)一步的研究，讓生物體作為吸附劑不再停留在實(shí)驗(yàn)研究上，而是可以真正地應(yīng)用于我們的日常生產(chǎn)、生活中。

[1]王靖宇,劉敬勇,裴媛媛,蔡華梅,黃曼雯,藍(lán)靜.吸附劑在工業(yè)廢水重金屬處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)（下半月刊）, 2011,16:128-130.

[2]尚宇,周健,黃艷.生物吸附劑及其在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].河北化工,2011,11:35-37+40.

[3]李琛.天然有機(jī)吸附劑在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā),2013,09:53-58.

[4]李長(zhǎng)波,趙國(guó)崢,張洪林,蔣林時(shí),苗磊.生物吸附劑處理含重金屬?gòu)U水研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程,2006,02:10-12.

[5]呂華.生物吸附劑及其在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用進(jìn)展[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2015,01:50-51.

[6]Katerina Demnerova,Brian Flannigan.12th International Bio?deterio-ration&Biodegradation Symposium（Bisorption and Bioreme?diationⅢ）[J].International Biodeterioration and Biodegradation,2004, 53（4）:195-283.

張喆（1992-），男，江蘇興化人，碩士，研究方向：環(huán)境污染控制。