物理化学环境对吸附和离子的影响.doc

物理化学环境对Lemna minor L.:吸附Cd(II)，Cu(II)和Ni(II)离子的影响Saadet Saygideger a， Osman Gulnaz b， Erman Salih Istifli b， Nebil Yucel ba Department of Biology， Faculty of Arts and Sciences， Gaziantep University， 27310 Sahinbey， Gaziantep， Turkeyb Department of Biology， Faculty of Arts and Sciences， Cukurova University， 01330 Balcal， Adana， TurkeyReceived 17 January 2005; received in revised form 29 May 2005; accepted 14 June 2005Available online 26 July 2005摘要自由漂浮植物Lemna minor L.在当地被收割.用酸(硫酸)碱预氢氧化钠)处理(未经预处理的生物用于吸附铜、从水溶液中镉、镍离子扣除初始pH、初始浓度、多金属金属进行互动一批制度。平衡吸附已达40-60min.Langmuir和Freundlich吸附模型，用于描述等温吸附.碱最大吸附容量预处理Cd(II)、Cu(II)和Ni(II)生物量确定为83，69和59mgg-1，伪一、二为内扩散模型来描述吸附动力学。实验数据拟合伪二阶动能.酸预处理使吸附能力降低; 不过碱预处理不影响吸附能力和吸附容量大大增加少许，据当地生物的红外光谱结果表明，这些物质具有不同的功能和功能团体组别都能和金属离子在水溶液中反应。 1引言有毒工业废水中重金属污染是一项重要的环境问题.许多产业，如汽车、金属加工电镀、蓄电池制造、采矿、电力电缆制造、制革、纺织、钢铁业、 释放不同浓度重金属如镉镍、铜等废水 这些重金属是毒性的对水生生态系和人类健康和这些重金属并且积累由有机体在可容许量。许多已开发方法理化重金属去除水溶液，包括化学混凝、吸附、萃取、离子交换、膜分离过程1-3。这些方法大多已在工业废水处理过程.但这些技术有重大缺点包括金属去除不全，要求昂贵的设备和监测制度，试剂或高或所需能源发电或其他有毒污泥废料处置要求。为稀金属含量、离子交换、反渗透、吸附可以适用。但是，离子交换和反渗透成本高4。另类吸附重金属去除技术。活性碳吸附是最常用的材料。事实上，使用昂贵的活性碳可以再生，并须在申请过程中失去了。许多研究人员曾对新活性碳吸附材料替代等海藻5、海藻6、7粘土、活性污泥生物8，9，10珍珠岩、木屑11枫树等清除重金属废水。本文研究Lemna minor去除镉、铜、镍离子水溶液中镉 铜、镍离子的吸附能力.初步效果金属含量、初始pH、多金属相互作用为当地(未处理酸碱预处理)生物研究。生物测定红外分析表征.Langmuir和Freundlich吸附试验数据应用。伪一阶，伪二阶、内扩散模型用于探明的吸附动力学。1.1. 均衡模型 通常用于吸附吸附系统设计。Langmuir等1213和Freundlich吸附模型，用于描述吸附。Langmuir和Freundlich方程如下，便于代表. (一)、(二)，分别为: (1) (2)那里， aL 和kL是Langmuir 等温线常数， kF Freundlich 常数和n 是Freundlich 方次数。 kL/aL 比率给理论单层饱和生物量(qmax) 容量。1.2. 动力学模型伪一阶模型14、伪二阶模型及内扩散模型1516用实验数据拟合. 伪一阶模型Lagergren给出为: 伪二阶模型表示为:内扩散方程的可称为: K1的速率常数伪一阶模型(min1)，K2(g mg1 min)为固定利率伪二阶模型，ki为内扩散的速率常数(mg g1 min0.5)。qe和qt为t时间吸附剂吸附平衡后金属离子浓度。2.材料和方法2.1物质准备 Lemna minor样本来自阿达纳，土耳其. 而较干燥的biomasswaswashed与distilledwater在60c恒重并在室温贮存。酸碱进行预处理如下：一个重达金额生物样品干燥处理0.01M的硫酸或0.1氢氧化钠溶液(200毫升)缓慢搅拌30分钟。 样品与蒸馏水冲洗直至消除过剩的H+和OH-离子。生物直到被晒干至60c恒重。2.2 吸附研究 金属离子的吸附在Lemna 生物量由批技术学习了。吸附进行研究250mL三角螺丝顶100ml中瓶使用生物金属办法。这项研究的一般方法的描述如下：晒干了0.1克接触与金属离子接触之前用蒸馏水稀释至80ml。21毫升已知浓度与金属溶液接触物质混合溶液和蒸馏水。在时间间隔为样本分析的残余金属含量的方法. 吸附等温线在20oC.60分钟后效应的研究，在当地pH值范围2-6，20C和100mlL-1初级金属含量。多方调查研究，在pH为4，20C时和初级金属浓度为1mM的镉 (II) 铜(II)和镍(II)离子。实验开始时调节溶液pH值或稀释硫酸氢氧化钠，而不是事后控制。Cd(II) 和Cu(II)的储备液由硝酸盐制取，Ni(II)的储备液在氯盐中要比在蒸馏水中效果要好。生物金属混合物被过滤分析解吸的金属离子混合物。分析采用日立偏振塞曼空气-乙炔火焰原子吸收光谱仪。金属摄取(量子)用下列公式计算: (6)qe (mg/g)是被吸附的重金属离子数量，C0 (mg L1)最初的金属含量，Ct (mg g1) t时间平衡后金属含量V (L)容液量，W (g) 是吸附重量。从生物样品制备管制办法免费检测金属和沉淀金属损失吸附瓶表面。所有实验至少重复几次。吸附金属含量的方法复制实验。2.3 红外分析 红外探测分析振动频率变化、酸碱预处理的物质，KBr压片的比重和物质准备/溴化钾是1/100，背景是纯溴化钾扫描所得。染色体谱表示RX红外系统是用于红外分析生物. 3. 结果与讨论3.1 红外分析藻类植物细胞壁成分的物质都含有大量的有机成分复杂，有蛋白质、 脂类、糖类高分子(纤维素，木聚糖、甘露等)和无机离子钙、镁、 羧酸、磷等群体功能细胞壁的酸性物质，这些功能团体组别直接影响的生物吸附能力17，18。红外光谱为当地的酸碱生物提供了图.1-3。波长在34023344 cm1范围内的缩性聚合化合物具有0-H，在2858 cm1附近的是CH2，在7401725 cm-1波长范围内的有COO，C=O，在1538cm-1附近有波峰的是蛋白质中的缩氨基，在14231417cm1范围内的是羧氨酸中的O-H，和C=O，1233cm-1的是羧基， 11301000 cm1的是多聚糖中的C-O-C和O-H， 873 cm-1的是Si-H，波长小于800cm-1的是磷酸和硫酸基的指纹区。一些功能组别与酸性或碱性物质失去预处理。酸性和碱性化合物预处理可造成细胞的退化，如细胞壁，蛋白质和复杂有机物质组成。功能团体转变预处理获准图1。红外结果表明生物具有不同功能组别晒干重金属离子结合，例如羧基、 磷酸盐、酰胺、硫醇和氢氧群体。 Fig. 1. FT-IR spectra of native biomass. Fig. 2. FT-IR spectra of alkali pretreated biomass. Fig. 3. FT-IR spectra of acid pretreated biomass.3.2 当地pH效应 溶液pH值是一个重要参数吸附试验.pH对吸附的影响可见图4，pH范围为2-4，20OC，1000ml-1当地生物金属离子浓度(生物预处理数据得不到)。平衡吸附容量为4.0，观察pH值为5.0的Cd(II)，Cu(II)、Ni(II )浓度. 最初的pH值明显影响溶液吸附的吸附能力，吸附capacitywas随pH值降低，但吸附容量随pH值增加。金属最低摄取在pH值测定2.0。 在较低的pH值时的质子protonate表面活性物质群，如甲壳素、 酸性多糖、脂类、氨基酸等有机物和金属离子的H+在较低pH值被吸附19. 类似结果已经由其他研究者的报道，摄取的activared 烂泥和水生青苔Fontinalis ntipyretica 9，20 . 吸附容量被确定了作为72，61 和51 mgg-1生物量，79，66 和56 mgg-1为碱被预处理的生物量和26， 23 和20 mgg-1为酸Cd(II) 、Cu(II) 和Ni(II) 离子被预处理的生物量. Fig. 4. Effect of initial pH on adsorption for native biomass.3.3 初次接触金属浓度和作用时间初始浓度效应吸附金属研究在50和100mg L-1金属含量和20OC果在图5-7. 初始金属浓度由重要作用的水和固体之间传质相进来。金属效果初步调查浓度为50 and 100 mg L1，20OC。平衡吸附量随初级金属物质浓度升高。吸附容量确定为79、66和56mg g1Cd(II)， Cu(II) 和 Ni(II)为碱性物质预处理; 72、61和51mg g1Cd(II)，Cu(II) 和Ni(II)为当地生物和26，23、20mg g1Cd(II)， Cu(II) 和 Ni(II)生物预处理酸100mg g1初始金属含量。时间和吸附剂之间吸附吸附是重要参数设计过程。在100或180分钟内确定时间对吸附的影响(Figs. 57).，金属吸附对生物量被增加以时期和金额上限金属离子被吸附了在第一15-20 分钟内并且平衡被到达了在40分钟为Cu(II) 、Ni(II) 和60 分钟为Cd(II)。在平衡时间以后没有其他金属离子由Lemna 生物量未吸附。 Fig. 5. Adsorption of Cd(II) ions on native， alkali and Fig. 6. Adsorption of Cu(II) ions on native， alkali and acid acid pretreated biomass acid pretreated biomassFig. 7. Adsorption of Ni(II) ions on native， alkali and acid pretreated biomass.3.4 等温吸附吸附等温线是根本数据源为实用吸附系统设计和了解与吸附和被吸附物的联系。Langmuir 和 Freundlich 等温线模型可被用来决定等温线的温度为20OC。吸附等温线常数，平衡单层容量(qmax) 是给在表2 。Langmuir吸附等温线结果被显示在图8。平衡单层容量，qmax，被确定了作为83，69和59mgg-1为碱被对待的生物量，79，63和55mgg-1为当地生物量并且25，23 和21mgg-1，为酸对待了生物量为Cd(II)，Cu(II)和Ni(II)离子。碱预处理没有影响了金属吸附容量生物量。酸预处理显著被减少了生物量的吸附容量。Freundlich 等式应付物理化学的吸附在异种表面。Freundlich 等温线常数被给了在表2，绝大多数的Freundlich方次数(n)表示吸附是好的。线性Freundlich equationwas相关系数大于 0.830.Langmuir模型适合是相当很好为吸附数据在被学习的实验性条件下。3.5 多种金属离子吸附 多种金属离子的吸附为1nmol的各种金属离子。pH为4的溶液.吸附结果在图9中显示。具有吸附能力的生物对多金属离子吸附容量均低于单一金属。离子充电、离子半径和电极潜力影响在多金属离子吸附 18，21 。许多功能团存在于细胞壁和细胞中起作用的阳离子中。 Fig. 9. Comparison of the single and multi metal adsorption capacity.3.6 吸附动力学伪一.二阶动力学模型被用来对吸附动力学的分析，金属的吸附动力学为研究当地生物的酸碱性.吸附动力学常数相关系数之间的平均百分比误差和实验数据计算结果在表3、4中.线性形式的伪块一阶二阶动力学模型在图10-13。从图10-13中可得一阶速率常数k1和qe，cal相关系数，见表3，计算值一阶并未给予合理价值，其中比较实验量子qe太低. 浮萍吸附金属离子对生物不是一级反应。 Fig. 10. Pseudo first-order adsorption kinetics at 50 mg L Fig. 11. Pseudo first-order adsorption kinetics at 100 initial metal concentrations. mg L initial metal concentrations. Fig. 12. Pseudo second-order sorption kinetics at 50 mg L Fig. 13. Pseudo second-order sorption kinetics at 100 mg L initial metal concentrations. initial metal concentrations.伪二阶速率常数K2和量子动力学测定值qe可从图12和13中得出.伪二阶动力学模型相关系数均高于0.992。另外，计算所得的数据(qe，cal)和实验所得的数据相吻合(见表4)。当地生物浮萍对金属离子的吸附是伪二阶吸附机制起主导作用。 图中qt和t0.5呈线形关系。第一部分是外部形状表面吸附阶段。二是逐渐形成的内扩散的吸附阶段。三是形成最后平衡阶段。当表面吸附达到饱和后，金属离子进入生物粒子的孔隙并被吸附在颗粒的内表面22-24。qt和t0.5 关系见图14，内扩散的速率常数(ki1，ki2、ki3)和qe关系见表5，通过对粒子内扩散速率常数比较，可轻易得出ki1 (first stage) ki2 (second stage) ki3 (third stage)。Fig. 14. Intraparticle diffusion kinetics of native， alkali and acid pretreated biomass.内扩散的示范和伪二适用吸附系统动力学模型.。适用两种模式显示吸着过程复杂，涉及多个机制。4. 结论间歇吸附研究有资料表明，晒干青萍潜力去除金属离子水溶液. Langmuir吸附等温模型拟合研究碱与酸预处理预处理后的当地生物吸附金属浓度范围在20OC 吸附容量不大，但增幅明显降低。对合适的吸附动力学模型进行了讨论。显然，金属离子吸附动力学伪二阶吸附和内扩散模式。单一金属吸附能力下降的多金属物质相互作用的方法。据红外结果有不同生物功能群。这些功能组都能与金属离子在水溶液中的反应。这项研究表明，干青萍 (当地、碱预处理)可以作为处理含镉 (二)、(二)、铜镍(II)离子的废水一种有效生物。青萍在自然环境中含量众多，可用于替代昂贵材料，如活性炭。参考文献1 P. Kaewsarn, Chemosphere 47 (2002) 1081.2 D.S. Kim, J. Hazard. Mater. B106 (2004) 67.3 J.G. Dean, F.L. Bosqui, K.H. Lanouette, Environ. Sci. Technol. 6(1972) 518.4 E.W. Wilde, J.R. Benemann Biotechnol. Adv. 11 (1993) 781.5 M.A. Hashima, K.H. Chub Chem. Eng. J. 97 (2004) 249.6 R. Jalali, H. Ghafourian, Y. Asef, S.J. Davarpanah, S. Sepehr, J.Hazard, Mater. B B92, (2002) 253.7 T.D. Tasi, P.A. Vesilind, J. Environ. Sci. Health A34 (1) (1999) 103.8 S.A. Ong, P.E. Lim, C.E. Seng, J. Hazard. Mater. B103 (2003)263.9 O. Gulnaz, S. Saygideger, E. Kusvuran, J. Hazard. Mater. B120(2005) 193.10 T. Mathialagan, T. Viraraghavan, J. Hazard. Mater. B94 (2002) 291.11 L.J. Yu, S.S. Shukla, K.L. Dorris, A. Shukla, J.L. Margrave, J.Hazard. Mater. 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