凤眼莲对二价铁锰离子的吸附及机理研究

第33卷第3期2013年3月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.33,No.3Mar.,2013基金项目:福建省环境保护厅资助项目(No.FJHK200912)SupportedbytheStateDepartmentofEnvironmentalProtectionItemofFujianProvince(No.FJHK200912)作者简介:韩永和(1986—),男,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:HANYonghe(1986—),male,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]韩永和,章文贤,周志华,等.2013.凤眼莲对二价铁锰离子的吸附及机理研究[J].环境科学学报,33(3):715-724HanYH,ZhangWX,ZhouZH,etal.2013.StudyontheadsorptionandmechanismofdivalentironandmanganeseionsbyEichhorniacrassipes[J].ActaScientiaeCircumstantiae,33(3):715-724凤眼莲对二价铁锰离子的吸附及机理研究韩永和,章文贤,周志华,李敏∗福建师范大学生命科学学院,福州350108收稿日期:2012-04-06　　　修回日期:2012-06-11　　　录用日期:2012-06-21摘要:利用凤眼莲根、茎、叶粉末吸附水溶液中的Fe2+、Mn2+,并通过一系列的条件优化,确定了最佳的吸附条件.同时,采用等温吸附模型与动力学模型拟合研究了吸附特性.结果表明,凤眼莲根、茎、叶对Fe2+的吸附能力依次为根叶茎,对Mn2+的吸附能力依次为茎叶根;在Fe2+、Mn2+起始浓度分别为45mg·L-1和75mg·L-1,pH分别为4.0和5.0,吸附剂添加量为0.4g,摇床转速为180r·min-1,温度为50℃的条件下,根对Fe2+的最大吸附量为(21.73±0.38)mg·g-1,茎对Mn2+的最大吸附量为(15.55±0.58)mg·g-1,去除率分别达到96.58%和82.93%.Langmuir模型和准二级动力学模型能够较好地拟合Fe2+、Mn2+的吸附过程,吸附活化能与傅立叶红外光谱等表明该过程为物理化学吸附.与现有的Fe2+、Mn2+吸附生物质相比,凤眼莲粉末吸附水溶液中Fe2+、Mn2+的能力较突出,是一种极具潜力的吸附材料.关键词:凤眼莲;金属离子;吸附;机理文章编号:0253-2468(2013)03-715-10　　　中图分类号:X703.1　　　文献标识码:AStudyontheadsorptionandmechanismofdivalentironandmanganeseionsbyEichhorniacrassipesHANYonghe,ZHANGWenxian,ZHOUZhihua,LIMin∗CollegeofLifeSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350108Received6April2012;　　　receivedinrevisedform11June2012;　　　accepted21June2012Abstract:Inthispaper,drypowdersofroot,stemandleafofEichhorniacrassipeswereusedtoadsorbdivalentironandmanganeseionsfromaqueoussolution.Withbatchexperiments,theoptimumadsorbingconditionsweredetermined.Also,theadsorptioncharacteristicswerestudiedbyIsothermalAdsorptionModel(IAM)andKineticModel(KM).Accordingtotheresults,thedrypowdersofrootandstemwerethebestforremovingFe2+andMn2+,respectively.ThemaximumadsorptioncapacityofFe2+andMn2+wasobservedatinitialconcentrationofFe2+as45mg·L-1andMn2+as75mg·L-1,respectively.TheoptimumpHwas4.0forFe2+and5.0forMn2+.Besides,anenhancedmetaladsorptionon0.4gofbiomasswithanagitationtimeof120minforFe2+and60minforMn2+wasrecorded.TheoptimumrotatespeedforremovingFe2+andMn2+wasbothconfirmedat180r·min-1.Itwasalsoobservedthattheadsorptionsoftwometalionscorrelatedwithtemperature.MaximumadsorptionofFe2+[(21.73±0.38)mg·g-1]andMn2+[(15.55±0.58)mg·g-1]wereobtainedundertheaboveoptimumconditions,withtheremovalrateof96.58%forFe2+and82．93%forMn2+.TheadsorptionprocessfitwellwithLangmuirmodelandpseudo-secondorderkineticmodel,andactivationenergyofadsorptionandFT-IRexperimentsconfirmedthattheadsorptionofFe2+byrootandMn2+bystemwereaphysiochemicalprocess.ComparedwiththeexistingbiomassforremovingFe2+andMn2+,thepowderofE.crassipesisagoodadsorptionmaterialtoremoveheavymetalsfromaqueoussolution.Keywords:Eichhorniacrassipes;metalion;adsorption;mechanism1　引言(Introduction)铁、锰是地壳中含量最丰富的两种过渡金属,也是人体必需的微量元素.但过量摄入铁、锰离子会影响人体健康,如会导致心脏病(Semposetal.,2010;Silvaetal.,2010)、糖尿病(Bowersetal.,2011)、精神疾病(Sharmaetal.,2007)、肺炎(Shafaeietal.,2010)等.而且Fe2+、Mn2+暴露于含氧的环境中时,易被氧化为棕色化合物,影响水质及生态景观(Casey,2009;García-Mendietaetal.,2011).因此,对富含Fe2+、Mn2+的水体进行治理非常重要.从地下水或废水中去除Fe2+、Mn2+的方法很多,常用的化学法和物理法具有较好的去除效果(Hedrichetal.,2012;Silvaetal.,2010),但均存在一定的缺陷.例如,化学沉淀法易受溶剂和环境环　　境　　科　　学　　学　　报33卷条件的影响(鲁栋梁等,2008);电解法只适用于从高浓度溶液中去除金属离子(Xinetal.,2011).而物理萃取技术易流失且能耗大;离子交换技术操作费用高,交换剂易氧化失效,再生频繁;膜分离技术也存在电极极化、结垢和腐蚀等问题(鲁栋梁等,2008).因此,化学法或物理法不是Fe2+、Mn2+去除的最佳途径(Sanceyetal.,2011).生物法中的活体生物吸附因其成本低、选择性好、吸附量大等特点,近些年得到了快速的发展.然而,活体生物受环境影响较大,在应用中也受到了一定的限制(鲁栋梁等,2008).非活体生物质来源丰富、制备技术简单、可回收利用、无二次污染,是水体金属离子吸附的理想吸附剂(Sanceyetal.,2011).研究人员分别利用假单胞菌(Pseudomonassp.)、曲霉属真菌(Aspergillusniger)及多种植物组织去除Fe2+、Mn2+,结果表明,非活体生物质吸附Fe2+、Mn2+效果明显(游亚平等,2011;Tsekovaetal.,2010;Blaisetal.,2003;García-Mendietaetal.,2011).此外,非活体生物质可应用于综合修复系统或立体修复系统的建立.利用氧化-生物滤膜结合法去除地下水中Fe2+和As3+的研究已见报道(VanHalemetal.,2010),Korboulewsky等(2012)设计的立体修复系统也已成功应用于废水的治理.因此,通过生物质替换生物滤膜或与其他工艺结合,进行地下水或工业废水的治理是可行的.多年生水生植物凤眼莲(Eichhorniacrassipes)在富营养化水体中会大量繁殖,给水环境带来了严重的危害,因此,开发凤眼莲生物质的利用途径对于防治凤眼莲的爆发生长具有重要的实际意义.同时,凤眼莲来源丰富,生物质制备简单,植物组织中的木质素、纤维素和各种蛋白质等能够为金属离子的吸附提供多种位点,包括羰基、羧基、羟基等(Saraswatetal.,2010).因此,利用凤眼莲生物质作为金属离子的吸附材料不仅可以解决凤眼莲危害水体的问题,还可以为水体重金属离子的去除提供新途径.Agunbiade等(2009)利用凤眼莲治理受重金属污染的海滨,结果表明,凤眼莲植株对As、Cr、Cd、Fe、Mn、Cu等具有很好的去除效果.Saraswat等(2010)利用凤眼莲完整植株制备的粉末作为吸附剂,对Zn2+、Cd2+、Cr2+的吸附能力可分别达9.3、12.4和5.6mg·g-1.但目前利用植物粉末吸附Fe2+、Mn2+的研究报道较少.因此,本文选用凤眼莲作为原料,分别制备根、茎、叶粉末,比较不同粉末对Fe2+、Mn2+的吸附效果,并研究根、茎粉末对Fe2+、Mn2+吸附的影响因素(温度、pH等)和吸附特性(等温吸附线、动力学曲线等).同时,结合红外光谱表征,探讨粉末上的官能团在吸附Fe2+、Mn2+过程中的作用,并对比不同生物质吸附Fe2+、Mn2+的效果.以期为植物生物质吸附Fe2+、Mn2+的研究,以及利用植物生物质治理地下水或工业废水中的Fe2+、Mn2+提供理论依据.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　材料的制备凤眼莲采自福州市闽侯县上街镇溪源溪.植株经自来水洗净后,105℃杀青10min,70℃烘至衡重.将根、茎、叶分开,粉碎后过筛(100目,0.15mm),密封保存,备用.2.2　测定指标与方法为确定Fe2+、Mn2+的最佳吸附材料,分别测定了凤眼莲根、茎、叶粉末对Fe2+、Mn2+的吸附效果,并选用吸附效果最好的材料对Fe2+、Mn2+的吸附条件进行优化.Fe2+和Mn2+浓度的测定分别采用邻菲罗啉分光光度法和甲醛肟分光光度法(游亚平等,2011).2.2.1　吸附能力实验　分别配制浓度为5、15、25、35、45和55mg·L-1的Fe2+、Mn2+溶液,于250mL锥形瓶中分别添加0.2g根、茎、叶粉末进行吸附能力实验.实验条件为:pH5.0,温度30℃,摇床转速150r·min-1,2h后测定溶液中剩余的金属离子浓度.对照组为不添加Fe2+、Mn2+的水溶液.2.2.2　批量吸附实验　分别配制浓度为5、15、25