啤酒酵母对镉离子的吸附特性及机理研究.pdf

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1、作者简介:成先雄(1977-),男,讲师,主要从事环境工程教学与研究工作。环 保啤酒酵母对镉离子的吸附特性及机理研究成先雄,周 丹,邱廷省(江西理工大学,江西 赣州 341000)摘 要:文章在啤酒酵母吸附镉离子试验的基础上,用吸附等温线对吸附特性进行了描述,用Langmuir吸附模型对啤酒酵母的吸附行为进行了评价。并对啤酒酵母吸附镉离子的机理进行了探讨。研究表明:啤酒酵母对Cd2+离子的吸附主要发生在细胞壁,酵母对Cd2+离子的吸附可能与离子交换有关。关键词:啤酒酵母;镉离子;吸附行为;吸附机理中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1003-5540(2007)02-0051-04

2、 含镉废水主要来源于矿山、冶炼工厂、镉化合物工业、镍镉电池生产和电镀行业等。矿山和冶炼废水的成分比较复杂,除了含镉以外,还含有铜、铅、锌、镍等金属离子,其它行业产生的含镉废水的组成相对要简单一点。镉最大的毒害在于它会通过食物链而积累、富积,以致直接作用于人体而引起严重的疾病或促使慢性病的发生。常用于处理含镉废水的方法有沉淀法、吸附法、漂白粉氧化法等。利用微生物(活的,死的或它们的衍生物)分离水体系中的金属离子的过程叫生物吸附。生物具有象离子交换树脂一样的离子交换特性,特别是藻类、真菌、细菌均具有这种特性的细胞壁结构。微生物对重金属离子的良好吸附性能是20世纪80年代才引起环保和冶金工作者的广泛

3、关注的,生物吸附作为一个新工艺可以用于金属的去除和含重金属的工业污水的解毒等方面,有许多资料报道,利用微生物吸附重金属具有许多优点:吸附快速;在低浓度下,金属可以被选择性去除;对钙、镁离子吸附量少;处理效率高等;pH和温度条件范围宽;投资少,运行费用低;可有效地回收一些贵重金属等15。有研究610表明微生物对金属离子的吸附是一个非常复杂的过程,其机理可能与离子交换、络合、协同、螯合、物理吸附、沉淀等方式有关。啤酒酵母吸附镉离子的试验结果表明11:啤酒酵母对Cd2+离子的吸附是非常快速的;pH值对啤酒酵母吸附Cd2+离子有较大影响,吸附较佳的pH值范围是48之间;酵母的投加量增加,Cd2+离子的

4、去除率提高,但酵母的单位吸附量降低;对于初始浓度为10 mg/L的含Cd2+离子溶液,较适宜的吸附条件为:吸附时间15 min,pH值518,酵母用量6 g/L,温度25;Cd2+离子的初始浓度越高,酵母的单位吸附量越大,对于高浓度的含镉溶液,酵母表现出较强的吸附能力。为了弄清啤酒酵母对镉离子吸附规律,进一步提高其吸附率,本文采用吸附等温线和理论分析等对其吸附行为和机理进行了探讨。1 试验材料和研究方法111 试验材料试验中所用的啤酒酵母,取自某啤酒厂。经去离子水处理后烘干,存于冰箱中备用。镉标准贮备溶液(浓度为100 mg/L)根据国标GB7471-87配制,在试验中所用的含镉溶液是根据试验

5、需要利用镉标准贮备溶液和蒸馏水配制的。112 研究方法微生物对金属离子的吸附是一个非常复杂的过程,限于分析手段和方法,目前国内外对生物吸附的机理研究仍是有限的。笔者采用吸附试验的方法(试验条件为:吸附时间15 min,pH值518,酵母用量6 g/L,温度25),通过测定反应前后溶液中离子浓度,据浓度变化情况来确定啤酒酵母对镉离子的吸附与离子交换间的关系。15第23卷第2期2007年4月湖南有色金属HUNAN NONFERROUS METALS2 结果及讨论211 啤酒酵母对废水中镉离子的吸附特性评价生物吸附能力最适合的方法是吸附等温线,测定吸附等温线时,试验条件变化的选择通常在下面两个方面:

6、吸附剂的用量和初始浓度。试验时可以变化其中的一个量,也可以两个量都变化,笔者在试验时通过变化Cd2+离子的初始浓度来进行探讨。表1为吸附时间15 min、pH值518、酵母用量6g/L、温度25 的条件下,改变初始Cd2+离子浓度所得到的试验结果。表1Cd2+离子的初始浓度对吸附量的影响试验结果初始Cd2+的浓度Ci/mgL-110255075剩余Cd2+的浓度Cf/mgL-1316091111819428172生物吸附量q/mgCd2+g-101640115893110641628去除率/%64631566211261171 从表1结果可以看出,在啤酒酵母用量一定的情况下,Cd2+离子的初始

7、浓度越高,酵母的单位吸附量越大,但去除率随初始浓度的变化较小,基本维持在60%左右,相对而言,酵母比较适合处理高浓度的含镉溶液。图1为啤酒酵母吸附Cd2+离子的吸附等温线。图1 啤酒酵母对镉的吸附等温线从图1曲线可以看出啤酒酵母对镉的吸附等温线呈接近直线的上升趋势,溶液的镉离子浓度越高,其吸附量越大,用Langmuir吸附模型评价啤酒酵母的吸附行为,得镉离子浓度Cf和吸附量q基本呈线性关系,相关系数为+01983。即:吸附时间15 min、pH值518、酵母用量6 g/L、温度25的条件下,q=0118Cf1+4146+10-3Cf,相关系数:=+01983。从上面的q的表达式可以推出,当Cf

8、的值不是很大时,q和Cf的关系呈近直线的正比关系,与图1描述的q和Cf的关系曲线相符合,也就是说,Lang2muir吸附模型与啤酒酵母对Cd2+离子的吸附特性符合得比较好。212 啤酒酵母对镉离子的吸附机理分析21211 生物吸附过程通过酵母的细胞结构和酵母的组成成分来对啤酒酵母吸附镉离子的机理进行分析。真菌是由细胞壁、内质网、细胞核、细胞膜、线粒体、液泡等组成,而细胞壁约占整个细胞物质的90%,主要由各种多糖构成。多糖经常和蛋白质、脂和其它物质(如色素)键合在一起。真菌细胞壁呈多层、微纤维结构,主要包括由葡萄糖、甘露糖和半乳聚糖构成的外层和由几丁质链和纤维素平行排列通过蛋白质、脂和多糖连接起

9、来的内纤维层,并且两层之间也存在连续的联结。由此可见,真菌具有较大表面积的细胞壁。图2为Cd2+离子10 mg/L,干酵母6 g/L,pH值518,温度25 的条件下,吸附反应时间对溶液中剩余离子浓度影响的关系曲线。图2 接触反应时间对吸附的影响图2试验结果表明:啤酒酵母对Cd2+离子的吸附是非常快速的,吸附分为两个阶段,一是快速吸附阶段,持续时间约10 min;二是慢速吸附阶段。笔者认为在反应刚开始的短时间内Cd2+离子难以穿透细胞膜而进入细胞质内,如此快速的吸附主要发生在细胞壁,酵母颗粒的表面对吸附起了主要作用,接下来的慢速吸附是内部渗透作用的结果。穿透细胞膜和细胞的新陈代谢有着密切的关系

10、,对于活细胞来说,重金属穿透细胞膜的机理与传递代谢的基本离子如钾、镁和钠的机理相同12,而死的啤酒酵母不能进行新陈代谢,也就没有传递重金属离子的动力,说明死的啤酒酵母对Cd2+离子的初始吸附主要发生在细胞壁。21212 离子交换作用干燥酵母的组成成分测定结果列于表2。从表2结果可以看出,啤酒酵母中富含蛋白质、碳水化合物、钾和磷的比例比较高,而这些组成成分25湖南有色金属第23卷中又含有丰富的羧基、硫酸盐、磷酸盐、胺盐,这些团体可以与废水中的金属离子进行离子交换。表3为Cd2+离子10 mg/L,干酵母6 g/L,吸附时间15 min,温度25 的条件下,吸附反应前后溶液中离子浓度的变化。表2

11、干燥酵母的组成成分13成分含量/%成分含量/mgg-1水分57K20蛋白质4550Ca018脂肪115Fe012灰分7P12190粗纤维115碳水化合物3035表3 吸附反应前后离子浓度变化mg/L离子初始浓度吸附反应后浓度Cd2+103187Ca2+01103K+08163pH41785181注:pH为无量纲。从表3结果可以看出,有大量的钾从啤酒酵母释放到溶液中,溶液中也存在少量的钙离子,pH值在反应前后也发生了变化,说明H+、Cd2+离子和K+、Ca2+离子之间可能进行了交换,这和许多资料7,9,10,14报道的情况相同,认为重金属离子被微生物吸附时,重金属离子与微生物细胞中的K+、Ca2

12、+离子发生了离子交换的结论是一致的。经计算,Cd2+离子和K+、Ca2+离子发生交换的量是不等当量的,这说明Cd2+离子被吸附的过程不全是离子交换的结果。有资料报道,微生物吸附溶液中的金属离子还与络合、协同、螯合、物理吸附、沉淀610等方式有关。3 结 语通过对啤酒酵母吸附镉离子的试验研究,结果表明:11Cd2+离子的初始浓度越高,酵母的单位吸附量越大,但去除率随初始浓度的变化较小,基本维持在60%左右,相对而言,酵母比较适合处理高浓度的含镉溶液;用Langmuir吸附模型对啤酒酵母的吸附行为进行了评价,得出:当平衡浓度Cf的值不大时,Langmuir吸附模型与啤酒酵母对Cd2+离子的吸附特性

13、符合得比较好。21 啤酒酵母对Cd2+离子的吸附是非常快速的,吸附分为两个阶段,一是快速吸附阶段,持续时间约10 min;二是慢速吸附阶段。啤酒酵母对Cd2+离子的吸附主要发生在细胞壁。31 啤酒酵母吸附Cd2+离子的过程中,溶液中的K+、Ca2+离子浓度增加,说明酵母对Cd2+离子的吸附可能与离子交换有关。参考文献:1Volesky,B1Biosorption for the next centuryC1ibid,1999,161-17012Volesky,B1Biosorption of heavy metal M1Canada:CRC press,199013 汤岳琴,林军,王建华 1

14、生物吸附研究进展J 1 四川环境,2001,20(2):12-1714 陈灿,王建龙 1 酿酒酵母吸附重金属离子的研究进展J 1 中国生物工程杂志,2006,26(1):69-7615F1 维戈利奥 1 综述回收金属的生物吸附法J 1 国外金属矿选矿,1998,12:27-3516Yang,J,Volesky,B1Biosorption and Elution of Uranium with Sea2weed BiomassC1ibid,1999,483-49217Kratochvil,D1;Pimentel,P1F1;Volesky,B1Removal of trivalentchromiu

15、m by seaweed biosorbentJ 1Department of Chemical En2gineering1Environ1Sci1Technol,1998,32:2 693-2 69818Zmriye Aksu;Dursunzer;Aylazer1Investigation of the columnperformance of cadmium()biosorption by cladophora crispataflocs in a packed Bed J 1Separation Science and Technology,1998,33(5):667-68219 A1

16、Lodi;C1Solisio;A1Converti;M1Del Borghi1Cadmium,Zinc,Copper,Silver and Chromium()rmoval from wastewaters bySphaerotilus natansJ 1Bioprocess Engineering,1998,19:197-203110 Chin-pin Huang;Chin-pao Huang;Allen L1Morehart1The Re2moval of Cu()from dilute aqueous solution by saccharomycescerevisiaeJ 1Water

17、 Research,1988,433-439111邱廷省,成先雄 1 啤酒酵母吸附镉离子的试验研究J 1 环境污染与防治,2004,26(2):95-97112 B1volesky,I1Prasetyo1Cadmium removal in a biosorption columnJ 1Biotechnology Bioengineering,1994,43(11):1 010-1 015113唐受印,戴友芝,刘忠义,等 1 食品工业废水处理M1 北京:化学工业出版社,2001114 Antonio Carlos A,DA Costa Francisca P,DE Franca1Cadmium

18、 up2take by biosorbent seaweed:adsorption isotherms and some processconditionsJ 1Separtion Science and Technology,1996,31(17):2 373-2 3931收稿日期:2007-03-1535第2期成先雄,等:啤酒酵母对镉离子的吸附特性及机理研究Trait and Study of Mechanism on CadmiumBiosorption by Saccharomyces CerevisiaeCHENG Xian2xiong,ZHOU Dan,QIU Ting2sheng

19、(Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou341000,China)Abstract:In this paper,biosorption of cadmium by Saccharomyces cerevisiae was studied1The trait of biosorptionwas described by isotherm,and biosorption was appraised by the Langmuir model1In addition,mechanism ofbiosorption was discus

20、sed,which showed that biosorption occurred in cell wall mainly and biosorption had relationto ion change possibly1Key words:Saccharomyces cerevisiae;Cadmium cation;adsorption behavior;mechanism of biosorption(上接第22页)3 结 论采用Cu(NO3)2-HNO3溶液体系进行高银粗铜电解可避免发生传统铜电解法所带来的阳极钝化现象,本方法对粗铜成份要求低,可使粗铜中银富集入阳极泥中并顺利回收

21、,同时产出可满足用于H2SO4体系电解法所需的阴极铜,有效提升了Ag和Cu的价值。较好的工艺操作条件为:硝酸浓度1530 g/L;铜离子浓度4060 g/L;Cl-浓度011018g/L;电流密度325 A/m2;Pb2+浓度小于10 g/L。参考文献:1 邱竹贤 1 有色金属冶金学M1 北京:冶金工业出版社,198812 史有高 1 高银铜阳极的电解精炼J 1 有色冶炼,1994,23(3):11-1413 张继荣,林忠 1 高银阳极铜电解精炼的生产实践J 1 有色金属(冶炼部分),1997,(5):6-914 杨天足,水承静,宾万达 1 铅阳极泥湿法处理工艺述评J 1 黄金,1996,17

22、(11):33-361收稿日期:2007-03-10Recovery of Copper and Silver from the CrudeCopper with High Content Silver by Electrolysis ProcessFAN Xiang1,YU Zhi2shan1,XIONG Ai2chen2(11Hechi Chemical Factory,Gangxi Huaxi Group Corp1,Hechi547000,China;21Liuzhou Huaxi Indium Materials Corp1Ltd1,Liuzhou545006,China)Abstr

23、act:The crude Copper with high content Silver recovered from the concentrate of Antimony-Lead Sulfidehas to sell at lower price1It can bring remarkable economic benefits if Copper and Silver can be separately recov2ered by electrolysis process1In this research,we studied the influence of electrolysi

24、s in the electrolyte of Cu(NO3)2and HNO31Finally,the preferred conditions were chosen and the aim of producing cathode Copper and concentrat2ing Silver and other valuable metals was reached1The concentrate of the product Copper reached 99103%99121%,Silver,Lead and other valuable metals were gathered

25、 in the anode mud,in which the content of Ag is9158%13142%,Pb 8124%9113%,Bi 17134%20167%,Sb 9119%10164%,Cu 15117%21136%1The results showed that the process could purify Copper and recover Silver and other valuable metals1Key words:crude Copper with high content Silver;electrolysis smelting;current density;recovery45湖南有色金属第23卷