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摘要 固定化少孢根霉处理含铅废水的研究 摘要 细胞固定化技术是。一种很有发展前景的废水处理技术。本文以少孢根霉作为 首选生物，以含铅废水作为研究对象，对细胞固定化技术处理重金属废水的工艺 过程和基础理论进行了系统研究，其主要内容如下： 研究了毛霉目真菌少孢根霉的生长繁殖规律，考察了培养温度、培养基的d h 值对其生长的影响。首次开发了一种新型的少孢根霉培养方法一一马铃薯切片培 养，该方法操作简单，省时省力，少孢根霉生长迅速，生长速率常数为o1 6 8 5h ， 远大于在马铃薯浸汁培养基上的生长速率常数o1 4 3 3h ；而且降低了成本，可以 用来进行少孢根霉的大规模培养。 比较研究了三种细胞固定化载体的诸多性质一一传质速度、机械强度、耐酸 碱性等，根据这些性质的比较，选择了由包埋剂海藻酸钠与交联剂c a c l 2 交联所得 的海藻酸钙凝胶作为细胞固定化载体；由其包埋非活性少孢根霉细胞制得的生物 吸附剂具有一定的机械强度，传质性能良好，能够耐受一定的p h 值。在此基础上 对细胞固定化技术的制备工艺条件进行了选择与优化，分别考察了包埋剂浓度， 交联剂浓度以及交联时间对吸附剂性质的影响，获得了最佳工艺条件：包埋剂海 藻酸钠浓度4 ，交联剂c a c l 2 浓度3 ，交联时问2 4 小时。l a n g m u i r 吸附等温 模型的计算结果表明固定化少孢根霉对铅离子的最大吸附量为4 2 9 1 8 m gp b ( i i ) g 吸附剂。 研究了固定化少孢根霉处理含铅废水工艺过程中几种主要理化参数对吸附效 果的影响。p h 选择在2 5 之间，温度以室温为宜：共存离子会使生物吸附剂对 铅离子的吸附量下降，其中以铜离子的影响最大。 对生物吸附动力学进行了初步研究。悬浮非活性少孢根霉吸附水溶液中铅离 子的动力学过程可以用班厄姆吸附速率方程来描述，当初始铅离子浓度为2 0 0 m g l 时，吸附速率常数k 为o 8 7 7 5 m i n ：而固定化少孢根霉生物吸附剂吸附铅离子 的过程受颗粒扩散步骤控制，铅离子在以海藻酸钙作为载体的细胞固定化小球中 的粒内扩散系数d 。为1 _ 3 1 l o “om 2 s 。利用红外光谱对少孢根霉吸附铅离子的机 理进行了分析，结果表明：少孢根霉吸附铅的主要部位为脱乙酰几丁质上的氨基， 铅离子与氮原子的未共用电子对结合。 对铅离子的解吸，固定化少孢根霉的再生、循环及动态吸附进行了详细的研 究。选择o 3 m 0 1 l 柠檬酸作为解吸剂，解吸时间3 小时，解吸率可以达到9 8 以上。用k + 、c a ”、m 2 ”浓度均为o0 1m o l l 的混合溶液对生物吸附剂进行再牛， 中南大学硕十论文摘要 是一种有效的再生方法，经过血次吸附一解吸一再生的循环，固定化少孢根霉仍 然可以保持较高的吸附能力和良好的机械性能。在此基础上使用自行设计的动态 吸附装置对固定化少孢根霉对铅离子的动态吸附进行了研究，得到其动态饱和吸 附量为4 8m ep b ( 1 i ) 2 吸附剂。研究结果为细胞固定化技术处理重金属废水实现 工业化提供了重要的基础数据。 关键词：细胞固定化，少孢根霉，含铅废水，载体，工艺参数，机理 中南大学硕士论文 a b s t r a c t s t u d i e so nt r e a t m e n to fl e a d - b e a r i n gw a s t e w a t e rb yi m m o b i l i z e d r h i z o p “so l i g o s p o r u s a b s t r a c t f u n d a m e n t a la n dt e c h n o l o g l c a ls t u d l e so nt r e a t m e n to tl e a d _ b e a n n gw a s t e w a t e rb y i m m o b i l i z e d尺 出叩“s。，i g o 甲。r “s 、e r ec a r r i e do nt h em a i n s u b j e c t s i n t h i s d i s s e r t a t i o na r ea sf b l l o u ，s f a c t o r sa f ! f 鼍c t i n gg r o w t ha n dp r o p a g a t i o no f 只 把o p “5o f 培d 点p 。r “j ，t e m p e r a t u r ea n d p hv a l u e w e r ed i s c u s s e d an e wc u l t i v a t i o nw a sd e v e l o p e d ，w h i c ho f f e r ss e v e r a l a d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a lc u l t i 、a t i o n 、s u c h a ss i m p l eo p e r a t i o n ，t i m es a v i n ga n d1 0 w c o s t r 向担9 ，“sd 蛆雪d 印o r sg r o w sf a s to nt h en e wc u l t u r em e d i u m w i i ht h eg r o w t hr a l e c o n s t a n tb e i n go 1 6 8 5h _ 。，a n dal a r g e - s c a l ec u l t u r ec a nb ep r o c e e d e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h r e eg e l a t i n o u sm a t e r i a l s ，n 砌e l yc a l c i u ma l g i n a t e ，z i n c a l g i n a t e a n da l u m i n u ma l g i n a t ew e r ee v a l u a t e df o ri m m o b i l j z i n gb i o m a s so ft h e c o m m o nm y c e t e ，月 垃9 p “5o ，g o 点p o ，“s a n dc a l c i u ma l g i n a t ew a sf o u n dt ob et h em o s t i d e a lm a t r i xt h em i c r o b e a d si nw h i c hn o n l i v i n g 月 垃c p “5o ，f g o s p o r “sc e l l sw e r e i m m o b i l i z e dp o s s e s sf a v o r a b l ep r o p e r t i e sw i t hap o t e n t i a lf o ri n d u s t r i a lu s e ，s u c ha s a d s o r p t i o nr a t e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n de n d u r a n c ef b ra c i da n db a s et h eo p t i m i z e d c o n d i t i o n sf o rp r e p a r i n gb i o s o r b e n t sb a s e do nt h ei m m o b i l i z a t i o no fn o n l i v i n gr 把o p “s o ，f g o 置p o r “占w e r eo b t a i n e d ，i e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fi m b e d d i n ga g e n ts o d i u ma l g i n a t e i s4 t h ec o n c e n t r a t i o no fc r o s s l i n k e rc a c l 2i s3 a n dt h et i m eo fc r o s s1 i n k a g ei s2 4 h o u r s a p p l i c a t i o n o ft h e l a n g m u i rj s n t h e r m c ot h es y s t e my j e l d st h em a x i m u m s o r p t i o nc a p a c i t yo f4 2 918m gp b ( i i ) p e rg r a mb i o s o r b e n t b a s i cp h y s i c o c h e m i c a lp a r a m e t e r s s i g n i n c a n t l yi n n u e n c i n gb i o r e m o v a lo fp b ( 1 i ) ， s u c ha sp hv a l u e ，t e m p e r a t u r ea n di n t e r f 色r i n gc a t i o n s ，w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o c e s sc a nb ep r o c e e d e da tr o o mt e m p e r a t u r e ，w i t ht h ep hv a l u eb e i n g c o n t r o l l e di nt h er a n g eo f2 5 t h ei m m o b i l i z e d 尺 把9 p “jo ，堙d 印o r “sa c c u m u i a t e sl e s s p b ( i i ) w h e ni n t e r f 亡r i n gc a t i o n se x i s ti nt h el e a d - b e a r i n gw a s t e w a t er a n dt h ec o p p e ri o n h a st h eo b v i o u se f k c to nd e c r e a s i n g t h ca d s o r p t j o na m o u n to fp b ( 1 i ) b yt h eb i o s o r b e n t t h ek i n e t i c so nb i o s o r p t i o no fp b ( i i ) b yi m m o b i l i z e dr f z f 妒“5 d ，j g o ! p o ，“5w a s s t u d i e da ni n i t i a lr a p i ds t e po fl e a db i n d i n gt or f ：o p “j o ，f g o s p o r “sc e l lw a l l si s f o l l o w e db yas u b s e q u e n ts l o wp h a s eo fi o n sd i f h s i o ni nt h em i c r o b e a d st h ep r o c e s s 中南大学硕 一论文a b s i r a c t f b ra d s o r b i n gp b ( i i ) t os u s p e n d e dc e l l sc a nb ed e s c r i b e db yb a n g h a mm o d e l a ti n i t i a l p b ( i i ) c o n c e n t r a t i o no f2 0 0m g lt h ea d s o r p t i o nr a t ec o n s t a n tw a sc a l c u l a t e dt ob e o 8 7 7 5m i n a c c o r d i n gt ot h em o d e l t h ed i f f u s i o no fl e a di o ni nt h e 口e l l e ti s i n t r a p a n i c a l l yc o n t r o l l e da n dt h et r a n s f e rc o e m c i e n td ew a sa s s e s s e dt ob e1 31 10 1 0 m 2 s b ya n a l y z i n gt h ei rs p e c t r o g r a m so fs e v e r a lp r e t r e a t e db i o m a s s ，t h em a i n m e c h a n i s mo na c c u m u l a t i o no fp b ( i i ) b yn o n l i v i n gr 向忍e p “so f 增d 印o r “sc e l l sw a s r e g a r d e da sc h e l a t i o nb e t w e e nm e t a lc a t i o n sa n da m i n og r o u p so fc h i t o s o n i m m o b i l i z e ds y s t e m sa r ew e ns u i lf o rn o n d e s t r u c t i v er e c y c l i n g e l u t i o nb yc i t r a t e a c i do fo 3m o l lw a sf o u n dt ob et h eb e s tf o rp b ( i i ) d e s o r p t i o no v e r9 8 t h e b i o s o r b e di m m o b 订i z a t i o nr 向垃印“so7 辔d 置p o r “sw a sr e g e n e r a t e db yc o n t a c t i n gw i t ha s o l u t i o nc o n t a i n i n go o1m o l lk + 、c a ha n dm g hi o n sb e f o r ef u n h e ra d s o r p t i o n w i t h f i v ec y c l e so fb i o s o r p t i o n e l u t i o n - r e g e n e r a t i o nt h em i c r o b e a d ss t i l l k e e ph i g h l e a d b i o s o r p t i o nc a p a c i t y i na d d i t i o n ，as e “e so fn o ws t u d i e sw a sc a r r i e do u tu s i n gc 0 1 u m n s c o n t a i n i n gb i o s o r b e n t s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es a t u r a t i o nb i o s o r p t i o nc a p a c i t y r e a c h e s4 8m gp b ( 1 i ) p e rg r a mb i o s o r b e n t t h es t u d yp r o v i d e sa ni m p o r t a n tb a s ef o r t h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o no ft h ei m m o b i l i z e dn o n l i v i n gr 如9 p 埘o ，咖点p o r “si nt h e r e m o v a lo f 】e a di o n sf o mw as t e w a t e r k e yw o r d s ：c e l l si m m o b i l i z a t i o n ：r h 止。p “jo f 堙。印。厂“s ；w a s t e w a t e rb e a r i n g1 e a d i o n s ；m a t r i x ；t e c l l l l o l o g i c a lp a r a m e t e r s ；k i n e t i c s v 中南大学硕士论文 文献综述 1 文献综述 1 1 前言 重金属是人体健康不可缺少的“微营养物”，它广泛存在于人体肌肉及骨骼中， 在人类的生命活动和代谢过程中具有十分重要的作用。但当这些重金属含量较高 时，就会对人体产生毒害作用。在高浓度重金属环境中，饮食与摄取过量的重金 属将会引起中毒，而且还可能产生严重的后果。震惊世界的同本水俣病和骨疼病 就是分别由含汞废水和含镉废水污染环境造成的。由于重金属难以降解和破坏， 因此人们对重金属污染控制愈加重视，其废水治理和排放标准也日趋严格。但迄 今为止，国内外对重金属废水的治理仍不够完善和彻底，远不能杜绝重金属废水 对环境的污染。 重金属废水无论采用何种方法处理都不能使其中的重金属分解破坏，只能转移 其存在位置或改变其物理化学形态2 1 。传统的重金属废水处理技术有离子交换法、 化学沉淀法、氧化还原法、电化学处理法、溶剂萃取法等等。然而这些方法存在 明显的不足之处，如金属去除不完全，对试剂和能量要求高，会产生有毒污泥或 其它废物等，而细胞固定化技术相对这些方法来说存在明显的优势。 细胞固定化技术处理重金属废水的潜在优势为： ( 1 ) 生物物质在自然界大量存在，容易获得； ( 2 ) 反应迅速，可以处理大容积废水： ( 3 ) 对重金属有良好的选择性： ( 4 ) 可以处理混合废水： ( 5 ) 吸附能力强，通常可以将金属浓度降到1 p p b 以下； ( 6 ) 不需要额外添加可能会造成排放问题的昂贵的试剂； ( 7 ) 可以在很宽的物理化学条件，如温度、p h 值下操作； ( 8 ) 投资和操作费用低； ( 9 ) 易回收金属； ( 1 0 ) 产生的废物体积大大减少。 因此，该技术在废水特别是重金属废水处理领域有着远大的应用潜力和发展前 景。 1 2 重金属废水处理方法的研究现状 重金属废水常用的处理方法可以分成两大类【2 】： 第一类，使废水中呈溶解状态的重金属转变为不溶的重金属化合物，经沉淀和 中南人学硕士论文 】文献综述 浮上法从废水中除去。具体方法有化学沉淀法、氧化还原法、离子交换法、离子 上浮法、电解法等。 第二类，将废水中的重金属在不改变其化学形态的条件下进行浓缩和分离，具 体方法有反渗透法、电渗析法、蒸发浓缩法等。 无论从杜绝对环境的污染，还是从资源合理利用来考虑，使用任何方法处理重 金属废水都应该符合水和重金属两者都回收利用的原则。 1 2 1 化学沉淀法 目前有色企业中最常用和最经济的重金属废水处理方法是中和沉淀法和硫化 物沉淀法“j 。 中和沉淀法处理重金属废水具有流程简单，效果较好，操作简便，处理成本较 低等优点，但存在渣量大，含水率高，脱水困难等缺点。中和法目前主要的改进 在于选择价格低廉的沉淀剂，国内外有人研究用电石渣代替石灰进行二次中和， 以降低处理费用，取得了较好效果1 8 - 。 硫化物沉淀法较中和沉淀法能够使重金属离子沉淀得更完全，但过量的硫化物 容易造成二次污染，而且有些重金属硫化物会形成复合硫化物离子，使沉淀的硫 化物溶解。有人发明一种专利，利用天然的黄铁矿和磁黄铁矿将废水中的六价铬 还原成容易回收的铬的硫化物沉淀，成本低，解决了二次污染【】。 现在沉淀法的研究方向还有将沉淀法与其他方法结合使用，如絮凝共沉淀法 吼中和一硫化物沉淀法，沉淀浮选法阻13 1 等。虽然这些方法取得了一定的进 展，但由于沉淀法所基于的化学原理，它无法处理重金属离子浓度过低的废水， 也不能将废水中的离子浓度降到很低。 1 2 2 电解法 对于重金属废水的电解还原主要考虑的是传质问题，各类高效的电化学反应器 是研究的重点。针对普通平板电极反应速度较慢的缺点，固定床、流化床、四级 连续流动电化学反应器已经用于含铜废水的处理1 1 4 。”，还有人研究用碳纤维阴极 竖流电解槽去除废水中的铜，对于其他种类的重金属废水，研究中采用了多种 类型的反应器，如三维网状玻璃碳( r l v c ) 【1 7 1 、旋转圆筒( r c e r ) 、气体扩 散电极填充床电极( g b c ) 2 0 1 反应器等。 电解法与其他方法的结合是电解法的前沿之一。超声波与电解法结合1 2 ”，光电 化学法等都显现出潜在的应用价值，其中晟突出的是生物电化学法【2 3 】，其原理 是使污染物在生物和电化学双重作用下得到降解。电解法的主要缺点是废水的成 分对电解的效果影响很大。 中南人学硕士论文 文献综述 1 2 3 膜分离法 膜分离法主要包括扩散渗析、电渗析、隔膜电解、反渗透和超滤法等方法。反 渗透法从7 0 年代初期丹始用于团恢镀镍废水，目前最大的电镀废水装置处理已经 达到2 3 0 0 m 3 d 的规模。高分子增强超滤技术( p 0 1 v m e r e n h a n c e d u l t r a f i l t r a i o n ) 采用水溶性高分子作为螯合剂，与重金属离子形成螫合物，再用切割一定相对分 子质量的超滤膜截留该螫合物，达到净化废水的月的，这种方法可以处理浓度较 低的废水。 液膜法是把膜分离和溶剂萃取相互祸合的操作。由于乳化液膜( e l m ) 【2 6 】和支 撑液膜( s l m ) 口。”j 都存在着本身构型所带来的难以解决的问题，因此各国学者 转而探索新的液膜构型，如流动液膜( f l m ) 或称中空纤维流动液膜( h f c l m ) 1 1 9 州) ，液体薄膜渗透萃取( l f p ) 吲，静电式准液膜( e p l m ) p 3 ”，内耦合萃反 交替分离过程( i c e s p ) 弦“j 等，以期在保持液膜分离的特点的同时，克服乳化液 膜工艺过程复杂等缺点。虽然液膜技术处理重金属废水已经有了重大进展，但仍 处于实验室研究阶段。 综上所述，目前的重金属废水处理方法依然存在着诸多的不足，而且日趋严 格的环保标准对废水的治理提出了更高的要求。虽然近年来国内外学者针对这些 方法存在的不足进行了技术改造，取得了一定的成就，例如研制新型高效沉淀剂、 凝集剂、固化剂、分离膜等，但仍旧无法克服这些方法存在的最本质的缺点。而 开发高新技术则是重金属废水处理中的一条有效途径，细胞同定化技术就以它独 特的优点成为当前国内外的研究热点。 1 3 细胞固定化技术及其在重金属废水处理中的应用 细胞固定化技术是利用化学或物理的手段将游离细胞定位于限定的空间区域， 并使其保持活性，反复利_ l 的种新型生物技术。该技术由于在实际应用中可以 使工艺自动化、连续化，提高细胞的稳定性和反应效率，降低生产成本，七十年 代后迅速成为生物、环境等领域的一个研究热点。在初期，它主要用于发酵生产口l 。 日益严重的水污染问题，迫切要求开发高效的废水处理新技术，人们开始利用细 胞固定化技术取代传统的活性污泥法，用于各种污染物的转化和降解。将从活性 污泥中分离、筛选出来的优势菌种加以固定，组成一个快速、高效、连续的废水 处理系统，这样就可以免除污泥处理的二次污染【4 】。另外，它与传统的悬浮生物处 理法相比，有处理效率高、稳定性强、反应易于控制、菌种高纯高效、生物浓度 高、产污泥量少、固液分离效果好、丧失活性可恢复等优点【5 】。8 0 年代初，国内 外开始使用这种具有独特优点的新技术来处理t 业废水和分解生物难降解的有机 污染物，并取得了瞩目的成果。最初细胞固定化技术处理的废水主要是有机废水， 文献综述 如氨氮废水，含酚废水等，以包埋活性污泥和酶为主。近年来，包埋生物的范围 不断扩大，涉及真菌、藻类、藓类等不同的活性或非活性生物细胞。但就重金属 废水的处理来说，细胞固定化技术的研究还远远不够。 1 3 1 细胞固定化技术处理重金属废水的工艺流程 细胞固定化技术处理重金属废水的工作原理非常简单：将制备好的固定化细胞 放入反应器内，使废水以一定的方式与其接触，固定化细胞就可以吸附其中的重 金属离子。吸附达到饱和后，清液与吸附剂分离，清液可以同用或排放。吸附剂 用解吸剂进行解吸后，解吸液中富集的重金属可以进行回收，吸附剂再生后即可 循环使用。图1 1 是细胞固定化技术处理重金属废水的工艺流程。 回收何价金属 菌体获得_ 预处理一固定化一呶 清液回用 f i g1 1af l o w s h e e tf o ri r e a t i n gh c a v ) m e t a l sw a s t e w a t e rb yi m m o b i l i z e db i o m a s s 图l l 细胞固定化技术处理重金属废水工艺流程示意图 1 3 。2 生物材料的选择 尽管许多生物材料可以捕集水中的重金属离子但只有那些对重金属离子有很 高的选择性和吸附容量的生物才能够真正被用于生物吸附工艺过程。表1 1 列出 了近年来国外学者就生物对重金属离子吸附的相关研究成果。从表1 1 可以看出 不同的生物对不同的会属离子表现出不同的吸附能力，但真菌中的毛霉目霉菌具 有较大范围的金属吸附能力，而且霉菌的来源广泛，容易获得，是制备生物吸附 剂的首选材料。 1 3 3 生物吸附重金属的机理 由于细胞组成的复杂性，目前对生物吸附( b i o s o r d t i o n ) 的机理研究并不深入， 国内外学者普遍认同的说法是生物吸附金属的过程由两个阶段组成3 9 42 1 ：第一个 阶段是金属在细胞表面的吸附，在此过程中，金属离子可能通过配位、螯合、离 子交换、物理吸附及微沉淀等作用中的一种或几种复合至细胞表面。在此阶段中 金属和，主物物质的作用较快，典型的吸附过程数分钟即可完成，这一过程是不依 赖能量代谢的，被称为被动吸附( p a s s i v ea d s o r p t i o n ) ；第_ 二阶段为生物积累过程， 在此阶段中金属被运送至细胞内，其特点是速度较慢，不可逆，需要代谢活动提 供能量，称为主动吸附( a c t i v ea d s o r p t i o n ) 。活性细胞两者兼有，而非活性细胞则 j 文献综述 只有被动吸附。值得注意的是重金属对活细胞具有毒害作用，故能抑制细胞对 金属离子的生物积累过程。而在实际吸附过程中，活性细胞列金属离子的吸附量 也并不冈为有能量代谢系统的参与而比非活性细胞高5 引。 t 曲l e l - 1b i o s o r p t i o nc a p a c i t yo f v ar i o u sb i o m a s sf o rd i f k r e n tm e t a l s 表1 1 不同生物对金属离子的吸附能力 细菌、真菌和藻类微生物细胞与动物细胞的最大区别在于细胞原生质膜外有 明显的细胞壁，它既可以避免微，仨物体受到外界环境的伤害，又可以控制原生质 和周围环境之间的物质交换。细胞壁直接与外界环境接触，并且可以与液态介质 中的可溶物质发生作用。由于细胞壁的阴离子特性，这种作用在与金属离子的接 触中就更为重要。细胞吸附金属已经证明和细胞壁结构有关【5 4 。”，但细胞壁并不 是结合金属的唯一地点p “。目前研究较多的机理有下面几种： ( 1 ) 表面络合机理【4 “。圳 细胞壁的主要成分是甘露聚糖、葡聚糖、蛋白质、几丁质等，这些多糖中的n 、 o 、s 等原予都可以提供孤对电子与金属离予络合细胞壁上能与金属离子络合的官 中南大学硕士论文 1 文献综述 能团有c o o h 、n h 2 、- s h 、- o h 、和- p 0 4 等。 ( 2 ) 离子交换机理【”4 l 】 金属离子除了因与细胞壁上的负电性官能团络合而被吸附外，还有可能与生物 中含有的k 、c a ”、m 矿+ 等发生离子交换反应。但有研究表明，在生物吸附过程 中被交换下来的离子总量与被吸附的金属离子总量相比，只是很小的一部分，说 明离子交换并不是主要的吸附机理。 ( 3 ) 物理吸附沉积机理【b 刮 一般易形成聚合水解产物的金属离子是通过这种方式被生物细胞吸附，如钍经 过水解形成聚合物后就可以沉积在细胞表面。这一过程十分迅速( z n 2 + c d 2 + ， 这与从图4 3 中p h 值对吸附影响的结果，即固定化少孢根霉对三种离子的吸附 量的大小顺序是一致的。这种现象可以由电负性和离子半径两方面加以解释：几 种金属的电负性排列顺序为c u c d z n ，而离子半径大小的排列顺序为c d z n c u 【1 0 ”，c u 的电负性最强，同时离子半径又最小，也就最容易与铅离子产生竞 壹查堂堕堡皇 ! 型查些尘型塑重堕堕兰垦! 堕兰至塑垡坐 争性吸附，而c d 与z n 的电负性和离子半径差别不大，因此在竞争吸附方面也没 有太明显的差别。这说明固定化少孢根霉对重金属离子的吸附不仅与金属的电负 性有关，而且与金属离子的大小也有关系。 o2 0 0 4 0 06 0 0 e qu i i i b r i u n lc o n c e n 廿a t i o no fp b ( 1 i ) ，c e q ( m g 几) f i g 4 6l a n g m u i r a d s o r p t i 。n i s o t h e r m so fp b ( 1 i )o n t oi m m o b i l i z e dr h i z o p u s o l i g o s p o r u si nt h ep r e s e n c eo fc d ( i i ) ( 2 5 ； b i o s o r b e n tc o n c e n t r a t i o n ， 5 9 l ) 图4 6c d ( 1 i ) 对固定化少孢根霉吸附p b ( i i ) 的影响 3 0 2 5 2 0 a 孑1 5 u 1 0 5 0 o 2 0 0 4 0 06 0 0 e q u i l i b r n mc o n c e n t r a t b no f p b ( i i ) ，c e q ( m g ，l ) f i g 4 7l a n g m u i ra d s o r p t i o n i s o t h e n n so fp b ( i i )o n t oi m m o b i l i z e dr h i z o p u s o l i g o s p o r u si nt h ep r e s e n c eo f z n ( i i ) ( a t2 5 ；b i o s o r b e n tc o n c e n t r a t i o n ， 5 9 l ) 图4 7z j l ( 1 1 ) 对固定化少孢根霉吸附p b ( i i ) 的影响 3 6 如 巧 加 5 o 0 吕u 中南大学硕士论文 4 固定化少孢根霉吸附铅离子的1 ：艺参数优化 t a b l e4 3l a n g m u i ra d s o r p t i o nc o n s t a n t so fp b ( i i ) o n t oi m m o b i l i z e d 列啦z o p u s o l i g o s p o r u si nt h ep r e s e n c eo fc d ( i i ) 、z n ( i i ) o rc u ( i i ) 表4 3 不同浓度金属离子存在下固定化少孢根霉吸附p b ( i i ) 的l a n g m u i r 参数 4 5 固定化少孢根霉吸附铅的机理研究 4 5 1 吸附动力学研究 本研究将吸附过程看作由三步组成：( 1 ) 溶液中的金属离子在吸附剂表面包敷 的液膜层内的扩散；( 2 ) 在生物吸附剂颗粒内的扩散( 内扩散) ；( 3 ) 金属离子与 生物吸附剂内包埋的生物之问的吸附反应。这与普通的离子交换树脂的简单离子 交换或粉末状生物吸附剂的吸附有所不同：被吸附离子在小球内既要进行扩散， 又要同时进行生物上的吸附。因此本实验将铅离子在固定化少孢根霉上的吸附过 程简化两个部分，即铅离子在悬浮生物上的吸附反应和铅离子在固定化小球表面 和内部的扩散，对它们分别进行研究。 ( 1 ) 铅离子在悬浮少孢根霉上的吸附动力学研究 采用静态搅拌瓶点法测定动力学数据：将o 1 2 少孢根霉粉末( - 0 0 0 n x ( t ) f i g 4 - 1oc o n t r 0 1s t e po fl e a du p t a k eb yr h i z o p u s0 1 i g o s p o r u si m m o b i l i z e di nz i n c a l g m a t em i c r o b e a d s 图4 1 0 海藻酸锌固定化少孢根霉吸附铅控制步骤的确定 x ( t ) n f i g4 11c o n t r o ls t e po fl e a du p t a k eb yr h i z o p u so l i g o s p o r u si m m o b i l i z e di n c a l c i u ma l g i n a t em i c r o b e a d s 图4 1 1 海藻酸钙固定化少孢根霉吸附铅控制步骤的确定 由图4 1 0 图4 1 2 可见，三种载体对应的固定化体系均为z 与x 线性关系 良好，而y 与x 则偏离直线较远，这说明水溶液中的铅离子在三种生物吸附剂上 的吸附动力学过程均为颗粒内扩散控制。 4 中南大学硕十论文4 固定化少孢根霉吸附铅离子的1 一艺参数优化 x f l ) f i g 4 12c o n t r o ls t e po f1 e a du p t a k eb yr h l z o p u so l i g o s p o r u si m m o b i l i z e di n a l u m i n i u ma l g i n a t em i c r o b e a d s 图4 1 2 海藻酸铝固定化少孢根霉吸附铅控制步骤的确定 由式( 4 1 0 ) 可以计算得到的铅离子在三种固定化载体内的扩散系数d 。，如 表4 4 所示。表中的数据显示：铅离子在海藻酸钙凝胶中的颗粒扩散系数最大， 达到1 3 1 1 0 ”m 2 s ，即传质速度最快，这与由图3 4 得出的结论一致。 t h b l e4 4d i f n j s i o nc o e m c i e n to f1 e a di o n si nv a r i o u ss u p p o r t s 表44 铅离子在不同载体中的扩散系数 c a l c j u ma 】9 1 n a t e z i n ca l g i n a t e a l u m i n i u ma l g i n a t e 以上动力学研究结果表明铅离子在少孢根霉上的吸附反应速度很快，固定化少 孢根霉对吸附铅离子的控制步骤是颗粒内扩散，因此改善固定化载体的传质性能 就成为提高吸附速率的关键所在。 4 5 2 少孢根霉吸附铅的机理分析 为了进一步深入研究生物吸附，鉴定能与金属离子结合的官能团及判断吸附机 理非常重要，而红外光谱在判定官能团的存在与物质结构变化等方面有其优越性， 因此使用红外光谱仪考察了经过不同预处理的少孢根霉的图谱变化，对其结构进 行了分析i “2 。“”，初步判断少孢根霉吸附铅离子的机理。 首先收集少孢根霉的菌丝，在真空干燥箱中8 0 烘干至恒重，粉碎，筛分， 4 2 ； o 0 o 1 8 2 1 j l * 中南大学硕士论文 4 固定化少孢根霉吸附铅离子的r 艺参数优化 分成a 、b 、c 、d 四份。c 部分在n a o h 溶液中煮沸3 0 m i n ，d 部分在h n 0 3 溶液 中煮沸3 0 m i n ，煮沸后离心分离，弃去上清液。用纯净水反复清洗，离心，直到洗 水呈中性为止。使用422 的实验方法用b 、c 、d 三种生物粉末吸附铅离子。吸 附后，洗去表面的p b ( n 0 3 ) 2 溶液，烘干，连同未吸附铅离子的a 部分生物，测定 各自的红外光谱，见图4 一l3 。 f i g 4 - 13i n f h r e ds p e c t r o g r a mo fr h i z o p u s0 1 i g o s p o r u s 图4 1 3 经过不同处理过程的少孢根霉红外光谱图 a r h i z o p u so l i g o s p o r u sb r h i z o p u s0 1 i g o s p o r u sa d s o r b e dl e a d c r h i z o p u so l i g o s p o r u sp r e t r e a t e db yn a 0 ha f t e ra d s o r b e dl e a d d 一一r h i z o p u so l i g o s p o r u sp r e t r e a t e db y n q 0 3a f t e ra d s o r b e dl e a d 由图4 l3 可以列出各图谱中的特征峰，见表4 5 。 4 3 中南大学硕士论文4 固定化少孢根霉吸附铅离子的工艺参数优化 t a b l e4 - 5s p e c i a lp e a k si ni n f r a r e ds p e c t r o g r a m s 表4 5 红外光谱特征峰 在谱图中：1 0 7 5c m 、13 8 5c m 、1 6 3 0c m 附近出现的谱带都是蛋白质的特 征谱带，几种谱图并没有太大的区别。而波数为3 4 2 0 c m _ 1 左右的一o h 伸缩振动 峰按照c a b d 的顺序逐渐分化成双峰，这是因为n h 伸缩振动谱带在c ，a 图谱 中都与o h 谱带重叠，淹没在 o h 伸缩振动宽峰里，不易辨认，但在吸附铅离子 后，n h 伸缩振动加强，因而逐渐显现出来，而且按照碱处理 未处理 酸处理的顺 序，n h 的强度逐渐增大。波数为1 5 9 0 c m _ 1 左右的一n h 3 + 和n h 2 变形振动峰， 在谱图a 、c 上很明显，而在b 、d 谱图上则看不到明显的振动峰，这说明未吸附 铅离子和经过碱处理的少孢根霉都有自由的一n h 3 + 和一n h 2 存在，而已吸附铅离 子和经过酸处理的少孢根霉则己经没有自由的一n h3 + 和一n h 2 存在了。 根霉的主要成分为几丁质和脱乙酰几丁质【9 8 】，几丁质的结构式为： o o o h 它在碱作用下，发生脱乙酰反应 o h 3 反应式为 几丁质 h2 0 h c h2 0 h 。心n 车。 脱乙酰几丁质 几丁质中的乙酰基脱除后，氨基裸露，氨基中氮原子上的未共用电了对就可以与 铅离子结合。铅与氮原子的结合导致n h 强度增大，而且吸附的铅离子越多，增 大的幅度越大，而经过碱处理的少孢根霉可以吸附最多的铅离子，其次为未经过 中南人学硕士论文4 同定化少孢根霉吸附铅离子的j ：艺参数优化 处理的生物，经过酸处理的生物吸附铅离子最少，因此谱图中可以看到n h 的强 度按碱处理 未处理 酸处理的顺序增大。未经过处理和经过酸处理的少孢根霉吸 附铅后，脱乙酰几丁质_ 卜的氨基与铅结合，不再有自由的氨基存在，因而在谱图 中看不到波峰；而经过碱处理的生物由于脱乙酰作用，自由的氨基较多，所以在 吸附后仍有部分自由的氨基存在，可以在图谱中看到波峰。由上面的图谱分析， 可以初步得到少孢根霉吸附铅离子的主要机理是铅离子与生物细胞壁中脱乙酰几 丁质上氨基的结合，二者通过氮原子上的未共用电子对结合。 4 6 小结 本章考察了固定化少孢根震处理含铅废水工艺中几个重要的理化参数，研究了 少孢根霉吸附铅离子的动力学，判断了细胞固定化小球吸附过程的控制步骤，利 用几种经过不同预处理过程少孢根霉的红外光谱图，分析了生物吸附的机理，得 出以下结论： ( 1 ) 固定化少孢根霉与其他吸附剂如活性炭、悬浮生物相比，对铅离子有良 好的吸附能力。 ( 2 ) 固定化少孢根霉处理含铅废水的口h 值选择在2 5 之间为宣，温度应选 择室温，共存离子会和铅离子在细胞固定化小球上的吸附产生竞争，使铅离子的 吸附量下降，其中铜离子的影响最大。 ( 3 ) 悬浮少孢根霉吸附铅离子的动力学过程可以用班厄姆方程来描述，初始 铅离子浓度为2 0 0p p m 时，吸附速率常数k 为0 8 7 7 5m i n ； ( 4 ) 固定化少孢根霉吸附铅离子的过程为颗粒扩散步骤控制，在以海藻酸钙、 海藻酸锌、海藻酸铝作为载体的细胞固定化小球中的粒内扩散系数d 。分别为1 3 1 1 0 。1 。、118 1 0 。1 0 、1 4 2 1 0 。1m 2 s ，其中以在海藻酸钙中的传质速度为最快。 ( 5 ) 少孢根霉吸刚铅离子的主要机理是铅离子与生物细胞壁中脱乙酰几丁质 上氨基的结合，二者通过氮原子上的未共用电子对结合。 中南人学硕士论文 5 固定化少孢根霉的再生与循环利用 5 固定化少孢根霉的再生与循环利用 5 1 引言 固定化系统非常适用于非破坏性的金属回收。金属富集在固定化细胞生物吸附 剂上以后，可以用适当的解吸剂解吸下来，再进一步回收。在某种情况下，甚至 可以考虑加入不同的解吸剂使不同的金属