谷壳的差热红外扫描电镜分析及对铜铅离子的生物吸附研究_图文

1、第26卷第1期2006年1月环境科学学报Acta Scientiae Circu mstantiaeVol .26,No .1Jan .,2006基金项目:河南省科技攻关资助项目(No .012409041作者简介:韩润平(1967,男,副教授(博士,E 2mail:r phan67zzu .edu .cn;3通讯作者(责任作者Founda ti on item :Henan Science and Technol ogy Depart m ent (No .012409041B i ography:Han Runp ing (1967,A ss ociate Pr ofess or (Ph

2、.D.,E 2mail:r phan67zzu .edu .cn;3Correspond i n g author韩润平,邹卫华,张敬华,等.2006.谷壳的差热红外扫描电镜分析及对铜铅离子的生物吸附研究J .环境科学学报,26(1:32-39Han R P,Zou W H,Zhang J H,et al .2006.Characterizati on of chaff and bi os or p ti on of copper and lead i ons fr om aqueous s oluti onJ .Acta Scientiae Circum stantiae,26(1:32-3

3、9谷壳的差热红外扫描电镜分析及对铜铅离子的生物吸附研究韩润平1,3,邹卫华1,张敬华1,石杰1,杨久俊211郑州大学化学系,郑州45005221郑州大学材料科学与工程学院,郑州450052收稿日期:2005208225修回日期:2005211218录用日期:2005211223摘要:用差热分析(DTG 2DT A 、红外光谱(FTI R 、扫描电镜(SE M /E DS 等方法对谷壳的质量随温度上升而变化的情况、表面的官能团、表面形态及主要元素构成等进行了分析,并研究了谷壳对水溶液中Cu 2+、Pb 2+的生物吸附作用.加热170时谷壳质量损失约6%,至170290时质量损失约45%,至500

4、时质量仅余约11%.在320、440分别有2个放热峰.谷壳的红外吸收光谱图主要由碳水化合物如木质素、纤维素等的吸收带组成.红外光谱分析表明,1735c m -1和1615cm -1处的吸收峰为不同CO 的伸缩振动峰;1515c m -1处为苯环的骨架振动峰,而1243c m -1处是苯羟基中C O 的伸缩振动峰.1456c m -1处的吸收峰为CH 3和CH 2的弯曲振动峰,1374c m -1处是甲基的弯曲振动峰.SE M /EDS 分析表明,谷壳表面粗糙,且主要由碳氧硅铝元素构成.结果表明,吸附时间、溶液pH 、吸附剂用量、金属离子初始浓度及Na +和Ca 2+离子对吸附均有影响.谷壳对C

5、u 2+、Pb 2+的吸附在30m in 基本达到平衡,在pH 为5左右吸附效果较好,Ca 2+对吸附的影响比Na +严重.随初始浓度的增加,吸附量增大,且吸附可用Lang muir 方程描述.在本实验条件下,谷壳对Cu 2+、Pb 2+的最大吸附量分别为3.46mg L -1、1215合体系的实验结果表明,谷壳对单一体系中Cu 2+、Pb 2+的吸附能力分别大于对混合溶液中Cu 2+、Pb 2+的吸附能力.关键词:谷壳;差热分析;红外光谱分析;扫描电镜分析;吸附;铜离子;铅离子文章编号:025322468(20060120032208中图分类号:X703.1,O657.3文献标识码:ACha

6、racter i za ti on of chaff and b i osorpti on of copper and lead i on s fromaqueous soluti onHAN Runp ing1,3,Z OU W eihua 1,ZHANG J inghua 1,SH I J ie 1,Y ANG J iujun21.Depart m ent of Chem istry,Zhengzhou University,Zhengzhou 4500522.School of Material Science and Engineering,Zhengzhou University,Z

7、hengzhou 450052Rece i ved 25Augest 2005;rece i ved in revised f or m 18Nove mber 2005;accepted 23November 2005Abstract:The characteristics of cereal chaff obtained fr om agricultural by -p r oduct are studied by ther mogravi m etry analysis (TG A ,differential ther mal analysis (DT A ,Fourier 2Trans

8、f or m I nfrared Analysis s pectr oscopy (FTI R and Scanning Electr on M icr oscopy/An energy dis persive X 2ray Spectra (SE M /EDS ,while the ads or p ti on ability of cereal chaff was investigated for the re moval of Cu (II and Pb (II fr om single (non 2competitive and binary (com 2petitive aqueou

9、s system s .Heated up t o 170,a mass l oss of 6%is observed .Fr om 170290,a mass l oss of 45%is observed .Up t o 500,the mass of re mains is only 11%.The max peaks at 320and 440in DT A are observed by exother m ic decomposed reacti on,res pectively .The I R s pec 2tr oscopy of the chaff ismainly com

10、posed of the ads or p ti on of carbohydrates,lignin,cellul ose etc .The peaks l ocated at 1734and 1651c m -1are character 2istics of carbonyl gr oup s stretching fr om carboxylates and ket ones .The peak near 1515cm -1is assigned t o the stretching in ar omatic rings .The peak near 1456c m -1is attr

11、ibuted t o the bending stretching of CH 2and CH 3.The peak at 1243c m -1is fr om C O stretching vibrati on in phenols .SE M /EDS analysis shows that the main ele ments of chaff are carbon,oxygen,silicon,alum inum and the surface of chaff is r oughness .Ads or p ti on of the objective heavy metal i o

12、ns by chaff str ongly depends on pH,contact ti m e,initial concentrati on of the heavy metal i ons and ads orbent dosage .The experi m ental data for single Cu (II and Cd (II syste m s fitted the Lang muir is other m model excellently .The maxi m um ads or p ti on capacities of Cu (II and Pb (II per

13、 gra m1期韩润平等:谷壳的差热红外扫描电镜分析及对铜铅离子的生物吸附研究chaff were calculated as3.46and12.5mgL-1for single syste m,res pectively.For binary system,the ads or p tive capacity for one metal i on was affected by another metal i on,but the effect of Cu(IIby Pb(IIis significantly.The affinity of chaff for Pb(IIis greater

14、 than Cu(II.The results show that chaff may be used effectively in removal of Cu(IIand Pb(IIi ons fr om aqueous syste m s for envir onmental cleaning pur poses.Keywords:chaff;DTG2DT A;FTI R;SE M;bi os or p ti on;copper i on;lead i on环境中重金属对人体和环境的危害已引起全世界的重视,寻找经济和有效的重金属修复技术已成为研究热点.吸附法去除水体中的重金属已有广泛研究和

15、应用(Babel and Kurnia wan,2003;Z ou et al.,2005.与矿物质吸附法和其它物理化学方法相比,生物吸附剂的主要优点在于能有效地将废水中的重金属离子降到非常低的浓度,且所用的材料易得,价格便宜.植物和微生物等生物吸附剂对重金属离子有良好的吸附能力.其中活体生物可用于去除重金属,但由于重金属的毒性作用,吸附机理复杂,限制了生物体对重金属离子的吸附富集及在离子选择性结合方面的应用.非活体生物由于不存在毒性作用和营养问题,在去除重金属方面有其优势:能快速结合重金属离子,可用于贵金属的回收及从水体中除去重金属离子;在不利于生物生存的环境条件下仍能发挥作用;有选择地吸附

16、金属离子等(韩润平等,2000;Schneider and Rubi o, 1999.由于生物吸附剂对大量存在的金属离子如Na+、K+、Ca2+、Mg2+不吸附或弱吸附,因此在去除水体中的重金属方面有应用前景(D rake and Ray2 s on,1996.农产品加工等过程的废弃物或副产物,可用于吸附重金属,如稻谷加工行业的副产物谷壳,对重金属有良好的吸附作用(A j m al et al.,2003;Mon2 tanher et al.,2005;Teixeira Tarley and Zezzi A rruda, 2004,麦壳对Pb2+有良好的吸附作用(Basci et al.,20

17、04.谷子盛产于河南、山西、河北和陕西;谷壳是将谷子加工成小米的副产物,其富含木质素、纤维素、半纤维素和元素硅等,有研究发现,含有这些成份的材料能结合重金属(Jang et al.,2005; Taty2Cost odes et a l.,2003;.因此,可以考虑用谷壳作为廉价生物吸附剂,用于去除水体中的重金属.生物吸附主要是依靠细胞壁上的官能团如蛋白质、肽、羧基、磺酸基等与金属离子的相互结合作用.为了提高吸附效率和选择性,对吸附剂进行表征以确定吸附剂的元素构成、表面状态和吸附剂上的官能团非常重要(Foust and Volesky,1996;韩润平等,2004.本文以天然谷壳为吸附剂,用差

18、热分析、红外光谱和扫描电镜对谷壳进行表征,并研究谷壳对单一体系和混合体系中Cu2+、Pb2+的吸附行为,以期为去除水体中的重金属离子的应用打下基础.1材料和方法(Materials and methods1.1主要仪器和试剂仪器:差热分析仪(MOD.1106(美国,傅里叶2红外光谱仪(PE21710FTI R,扫描电子显微镜/ X2射线能量色散分析仪JEOL6335F2SE M/JE OL SE M(JS M256002OXF ORD E DS,AAanalyst300型火焰原子吸收分光光度计(Perkin El m er,SHZ282型水浴恒温振荡器(江苏太仓医疗器械厂,800型离心机(上海

19、手术器械厂.试剂:Cu(NO32、Pb(NO32、盐酸、Na OH等均为分析纯.1.2谷壳的处理谷壳取自洛阳农村碾米时产生的谷壳.经自来水洗后,用蒸馏水洗干净,于烘箱中60烘干,粉碎机粉碎后过100目筛,得到谷壳样品.1.3谷壳的表征方法分别对谷壳进行差热分析(DTG2DT A、红外光谱分析(Fourier2Transfor m I nfrared Analysis,FTI R (K B r压片法、扫描电镜和X2射线能量色散分析(Scanning Electr on M icr oscopy/An energy dis persive X2ray Spectra,SE M/E DS.差热分析用

20、于研究谷壳在受热过程中质量的变化情况和吸热或放热的情形,FTI R可用于研究谷壳表面的化学官能团,SE M/ EDS用于测定谷壳细胞表面形态和判断细胞壁的构成.1.4吸附实验除吸附剂用量实验外,称取0.4g处理好的谷壳于100mL锥形瓶中,加入50mL(20mgL-1Cu2+或(80mgL-1Pb2+溶液,此时吸附剂的浓度为8 gL-1,在振荡器上振荡30m in,然后用普通漏斗和定性滤纸过滤,测定滤液中金属离子的浓度,根据吸附前后金属离子浓度差、溶液体积和吸附剂用量计算谷壳对Cu2+、Pb2+的吸附量.为了研究pH值对谷壳吸附Cu2+、Pb2+的影响,固定其它条件不变,使pH值在2.0到6.

21、5之间变化,分别研究谷壳对33环境科学学报26卷Cu2+、Pb2+的生物吸附.振荡吸附30m in后,测量溶液中金属离子的浓度,计算其吸附量.研究Cu2+、Pb2+离子的竞争吸附时,实验分为二部分:(1保持Cu2+的初始浓度为20mgL-1不变,依次增加Pb2+的浓度从0到80mgL-1.振荡吸附30m in后,测量溶液中的金属离子浓度,分别计算Cu2+和Pb2+的吸附量.同样,保持Pb2+的初始浓度为80mgL-1不变,依次增加Cu2+的浓度从0到30mgL-1.振荡吸附30m in后,分别测量溶液中的Cu2+、Pb2+浓度,计算谷壳对Cu2+、Pb2+的吸附量.(2固定Cu2+和Pb2+总

22、的浓度为0.386mmolL-1,相应改变Cu2+和Pb2+的浓度,研究谷壳对Cu2+和Pb2+吸附量的变化及谷壳对Cu2+和Pb2+的吸附量之和的变化情况.Cu2+、Pb2+的测定采用火焰原子吸收光度法测定.1.5回归分析所用的方法和软件本文用最小二乘法计算有关数据的线性关系,采用的软件是O rigin6.0.2结果(Results2.1谷壳的差热红外及扫描电镜表征2.1.1差热分析谷壳属绿色植物材料,由半纤维素、纤维素和木质素等组成.木质素、纤维素的结构不一样,热解温度不一样.在失重的同时,达到一定温度,也会出现放热或吸热峰.图1为谷壳的差热分析曲线,其中TG A为热重分析曲线,DT A为

23、差热分析曲线.由热重分析曲线得到的质量损失可分为3个阶段:水份去除、纤维素分解、木质素分解.由图1的TG A曲线看出,加热到170时,谷壳的质量仅损失约6%,此阶段主要是去除了滞留在谷壳中的水份.从170290,进行的是热解反应.在该阶段,有较大的质量损失,约失去总质量的46%.在该温度下的热解过程主要是纤维素、半纤维素的分解,同时失去残留的被吸附的水份.木质素的分解发生在290500,说明木质素比纤维素具有较高的热稳定性.此时残留物的质量约占总质量的11%.继续升温,检测不到质量损失,说明残余物存在氧化物,主要为硅的氧化物,在高温下仍稳定.由图1的DT A曲线看出,在320、440分别有两个

24、的放热峰,尤其是前者,放热强度更大,说明在该温度下,发生相变,有大量的热量放出 .图1谷壳的热重分析和差热分析曲线Fig.1Ther mogravi m etry analysis(TG Aand differential ther mal analysis(DT Aof cereal chaffs2.1.2红外光谱分析图2为天然谷壳的红外光谱图.由于谷壳成份复杂,样品在整个波数范围内均有明显的吸收,使得某些峰未能表现出来,一些不太灵敏的吸收峰被掩盖 .图2谷壳的红外光谱图Fig.2Fourier transf or med infrared s pectra fr om natural ch

25、aff按文献对天然谷壳的红外光谱图进行分析(卢涌泉等,1989,3405c m-1处的吸收峰较强且宽,说明谷壳表面存在OH,该伸缩振动是由谷壳表面的硅醇基(SiOH、其它羟基和吸收的水份中游离和缔合的OH振动引起的.木质素中有与苯环相连的甲氧基,其中CH3的伸缩振动在29402820 c m-1之间有吸收峰;由图2可知,谷壳的红外光谱出现在2924c m-1处,是甲氧基中CH3的不对称伸缩振动峰.出现在1734c m-1和1652c m-1的峰分别431期韩润平等:谷壳的差热红外扫描电镜分析及对铜铅离子的生物吸附研究来自羧基和酮基中C O 特征伸缩振动,后者也可能与苯环发生了共轭.在1650c

26、 m -1(酰胺、1540c m -1(酰胺附近出现吸收说明谷壳里存在蛋白质,只是酰胺I 的吸收在一定程度上与木质素中苯环共轭的羰基峰所重叠;在1540c m -1处的峰未分开,说明蛋白质的含量不高,与图4中没出现N 的峰一致.而1456c m -1处未被完全分开的吸收峰为CH 3和CH 2中C H 的不对称弯曲振动峰.木质素中苯环的骨架伸缩振动通常出现在1590c m-1和1514c m -1附近,后者是非常特征的吸收峰.1426c m -1处的吸收峰可能是由羧基的C O 伸缩振动引起.在1374c m -1处的吸收峰为CH 3的对称弯曲振动峰;1243c m -1处的吸收是木质素中苯羟基中

27、C O 键的伸缩振动引起的.1156c m -1处的吸收峰是碳水化合物中C O 的伸缩振动引起的.1042c m -1处及附近的肩峰,主要产生于OH 的弯曲振动和C O C (纤维素中存在的伸缩振动,也可能含有P O C 伸缩振动及Si O 2反对称伸缩振动的贡献.将生物吸附剂表面的官能团掩蔽后对金属离子的吸附能力显著下降,说明吸附剂表面的官能团在结合重金属时起着重要作用(Kapoor and V i 2raraghavan,1997.谷壳表面有羟基、酰胺基,对吸附重金属是有利的.2.1.3SE M /EDS 分析图3为谷壳的SE M ,图4为吸附Pb 2+壳对Pb 2+的最大吸附量为12.5

28、mg g -1(见表1,即吸附后铅的质量占总质量的比例不超过1.3%,因此SE M /EDS 图上Pb 的峰并不高 .图3谷壳的SE M 图Fig .3SE M of chaff图4吸附Pb 2+后谷壳的SE M /ED S 图Fig .4SE M /EDS s pectrum of chaff ads orbed lead i on2.2谷壳对单一金属离子Cu 2+、Pb 2+的吸附研究2.2.1时间对吸附Cu 2+、Pb 2+的影响时间对谷壳吸附Cu 2+、Pb 2+看出,金属离子的吸附经历了2个阶段:快速阶段和慢速过程.在初始10m in 时间内,随着时间的增加,Cu 2+和Pb 2+的

29、吸附量都迅速增加,在10m in 之后,吸附量变化缓慢,增加不明显.因此,谷壳对金属离子Cu 2+、Pb 2+的吸附,在10m in 后基本达到吸附平衡(图5,谷壳对Cu 2+和Pb 2+的吸附量分别达到了0.028mmol g -1(1.78mg g -1和0.034mmol g-1(7.04mg g -1.因此在下面谷壳对Cu 2+和Pb 2+的吸附实验中,选取30m in 作为平衡时间. 图5吸附时间对谷壳吸附Cu 2+、Pb 2+的影响Fig .5The effect of ads or p tive ti m e on bi os or p ti on2.2.2谷壳用量对吸附Cu 2

30、+、Pb 2+的影响谷壳用量对吸附Cu 2+、Pb 2+的影响如图6所示,其中横坐标为谷壳的浓度,纵坐标为谷壳对Cu 2+、Pb 2+的吸附量.由图6可以看出,随着吸附溶液中谷壳浓度的逐渐增加,对Cu 2+和Pb 2+的平衡吸附量都是逐渐减少.并且二者的吸附量变化曲线形状相似.结果表明,当溶液中金属离子的浓度一定时,谷壳的浓度越低,其吸附量就越高.这是因为,如果溶液中金属离子的浓度一定,谷壳的浓度越低,质量越少,则单位质量谷壳周围所包围的金属离子就越多,金属离53环境科学学报26卷 图6谷壳的用量对吸附Cu2+、Pb 2+的影响Fig .6The effect of bi omass dose

31、 on bi os or p ti on子就越容易与吸附剂上的活性位点结合而被吸附,吸附量就越高.当然,谷壳的用量增加,对Cu 2+ 、Pb 2+的去除率增加.因此,综合考虑分析测试、溶液体积等因素,采取谷壳浓度8g L -1作为吸附剂的用量浓度.2.2.3溶液pH 值对谷壳吸附Cu 2+、Pb 2+的影响pH 值是影响生物吸附的最重要的参数之一,不同pH 值对谷壳吸附Cu 2+、Pb 2+的影响如图7所示. 图7pH 值对谷壳吸附Cu2+、Pb 2+的影响Fig .7The effect of pH values on bi os or p ti on总体来说,随着pH 值的增大,铅的吸附量

32、一直在增加.pH 值在2.14.0范围内随着pH 值的升高,谷壳对Pb 2+的吸附量迅速增加,当pH 值大于4.0以后,吸附量的增加缓慢.谷壳对Cu 2+的吸附,开始也是随着pH 值的增大吸附量增加,当pH 值大于5.2以后,吸附量反而下降了,这与已报道的Cu 2+离子的吸附受pH 值的影响结果相似(Basin et al .,2004;孟琴,1998.结果表明,在pH 值较低时,溶液中H +浓度比较高,与金属离子竞争吸附活性位点,谷壳表面部分官能团的质子化程度提高,因此,金属离子不易被谷壳吸附.当pH 值逐渐增大时,H +的浓度降低了,金属离子的吸附量随之增大.所以在酸性范围内,增大pH 值

33、对金属离子的吸附有利.但在pH 值大于5.2以后,Cu 2+吸附量反而下降了.这是因为当pH 值大于5.2以后,铜离子在溶液中以Cu 2+和Cu (OH +两种形式存在,而后者则不易被谷壳吸附,因此,实际以Cu 2+形式存在的离子浓度减少了,对其吸附量也就下降.当溶液的pH 值继续增加时,金属离子就会发生沉淀.实验时pH 值在5左右,因此,不需调节pH.2.2.4盐度对谷壳吸附Cu 2+、Pb 2+的影响在实际应用中,废水中常常会有盐度离子Na +和Ca 2+的存在,因此讨论谷壳吸附Cu 2+、Pb 2+时盐度离子的影响也是有必要的.吸附实验在不同的盐度条件下进行,实验结果如图8所示.图8不同

34、Na +和Ca 2+的浓度时对谷壳吸附Cu 2+、Pb 2+的影响Fig .8The effect of Na +and Ca 2+on bi os or p ti on在溶液中有Na +和Ca 2+存在时,Cu 2+和Pb 2+在谷壳上的吸附量都降低,并且,4条曲线的变化趋势相似.Cu 2+和Pb 2+的吸附量都是随着Na +和Ca 2+浓度的升高而降低,且Ca 2+对金属离子吸附量的影响与Na +相比稍大,主要是因为离子强度增加,一方面与重金属离子竞争结合吸附点,另一方面引起离子强度增大,使得离子的活度系数减小,重金属离子2+对离子强度的影响比Na +大.盐度离子的存在,使得重金属离子的吸

35、附量下降,但在盐度离子浓度不高的情况下,对谷壳吸附金属离子的影响并不大,因此,在盐度较低时,用谷壳去除溶液中的重金属离子仍然有较好的效果.21215金属离子初始浓度对吸附的影响在pH为510,温度为20,谷壳的浓度仍为8g L -1,在不同的Cu 2+、Pb 2+初始浓度下,谷壳对Cu 2+、Pb 2+的吸附量见图9.由图9看出,两种金属离子的变化趋势相似,但在相同的初始浓度下,谷壳对Pb 2+的吸附量稍大于对Cu 2+的吸附量.随着初始浓度(c 0的上升,谷壳对Cu 2+、Pb 2+的吸附量均增大.这是由于浓度增加,631期 韩润平等 : 谷壳的差热红外扫描电镜分析及对铜铅离子的生物吸附研究

36、 37 等温式来描述 . Langmuir表达式为 (Akzu, 2005 : ( 1 qe = qm Ka ce / ( 1 + KL ce 将上式变换一下 , 可得到 1 / qe 1 / ce的线性关 系式 : 1 / qe = 1 / qm + 1 / KL qm 1 / ce - 1 ( 2 式中 , qe为平衡吸附量 ( m gg , qm 为最大吸 - 1 附量 (m g g , KL 为吸附平衡常数 , ce为吸附达平 - 1 衡后金属离子的浓度 (mg L . 由式 ( 2 看出 , 1 / qe与 1 / ce呈线性关系 , 根据直 图 9 初始浓度对谷壳吸附量的影响 Fi

37、g1 9 Effects of metal initial concentration on biosorp tion KL / (L - 1 mg 有更多的金属离子包围在谷壳的活性点周围 , 吸附 2+ 反应更充分 . 在实验的浓度范围内 , 谷壳对 Cu 、 2+ 2 Pb 的吸附量与 c0关系分别为 qe = 010739 c0 ( R = 01994, p < 01001, n = 5, R临界 = 01982 、qe = 010932 c0 ( R = 01990, p < 01001, n = 7, R临界 = 01951 ,说明在实验的条件下吸附量与初始浓度呈 良好的

38、线性关系 . 对于固液体系的吸附行为 ,常用 Langmuir吸附 金属离子 Cu ( II Pb ( II qm / (mg g - 1 线的斜率和截矩可得到 KL 、m . q 根据图 9 的实验结果 , 将不同初始浓度 ( c0 对 应的吸附量转变成不同平衡浓度 ( ce 对应的吸附 量 ,依式 ( 2 进行回归计算 ,得到 Langmuir参数等数 值 ,结果列于表 1. 2 2+ 由表 1 看出 , 由于 R 较大 , 因此谷壳对 Cu 、 2+ 2+ Pb 的吸附可以用 Langm uir表达式描述 . Pb 吸附 2+ 2+ 常数 KL和 qm均大于 Cu , 说明谷壳对 Pb

39、的吸附 量大于 Cu . 图 9 和表 1 的结果说明 , 谷壳对 Pb 2+ 的吸附能力大于对 Cu 的吸附 . 2+ 2+ 表 1 Langm u ir等温吸附模型参数 Table 1 The app lication of Langmuir model to the adsorp tion of Cu ( II and Pb ( II on chaff at different temperature R2 SD 01068 01041 p n 影响 图 10 分 别 为 c0 ( Cu ( Pb 2+ - 1 2+ 的初始浓度时对 Cu 或 Pb 吸附的影响 . 可以看 出 ,金属离子

40、浓度增加 , 则对另外金属离子的吸附 量呈明显下降趋势 . 混合体系中谷壳对 Cu 和 Pb 2+ 2+ 213 谷壳对 Cu 、 离子的竞争吸附研究 Pb 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 21311 Pb 与 Cu 共存时对吸附 Cu 和 Pb 的 2+ - 1 为 80 m g L 时 ,改变共存离子 Pb 或 Cu 图 10 固定 Cu2 + ( 或 Pb2 + 的初始浓度 , Pb2 + ( 或 Cu2 + 初始浓度不同时对吸附 Cu2 + ( 或 Pb2 + 的影响 Fig1 10 The effect of c0 of copper changeless, and

41、change the c0 of lead ( left and c0 of lead changeless, and change the c0 of copper( right 010437 010920 为 20 mg 、 0 L c 2+ 3146 ( 5415 mol L - 1 1215 ( 6013 mol L - 1 离子的吸附能力均下降 . 不变时对金属吸附的影响 由图 10、 看出 , Cu 11 2+ 2+ 对 Pb 在时 ,竞争谷壳表面的活性点 ,与 Cu 、 单独存 Pb 在相比 ,引起谷壳对 Cu 、 吸附量下降 . Pb 2+ 2+ 01974 01992 图 1

42、1 为在不同初始浓度下 ,共存离子初始浓度 (或 Pb2 + 的存在均使得 2+ 2+ ( Cu2 + 的吸附量下降 . 当 Cu2 + 、 2 + 共同存 Pb < 01001 < 01001 5 7 38 2+ 2+ 环 境 科 学 学 报 26 卷 2+ 图 12 为在不同 Cu 、 平衡浓度时 ,谷壳分 Pb 别对 Cu 和 Pb 的吸附量变化图 . 2+ 图 11 固定 Cu2 + ( c0 = 20m g L - 1 时不同初始浓度的 Pb2 + 对吸附 Cu2 + 的影响 ( 左 和固定 Pb2 + ( c0 = 80 m g L - 1 时不同初始浓度 的 Cu2

43、+ 对吸附 Pb2 + 的影响 ( 右 Fig1 11 The effect of different initial lead concentrationon on adsorp tion copper( ( c0 = 20mg L - 1 , left or different initial copper concentra2 tionon on adsrop tion lead ( ( c0 = 80mg L - 1 , right 图 12 不同平衡浓度时谷壳对 Cu2 + ( 左 、 2 + ( 右 吸附量 Pb 溶液中 Cu 、 共存时 , 谷壳对二者都有吸 Pb 附作用 ,但它

44、们各自的吸附量都降低 . 从图 11 和 12 2+ 2+ 看出 , Pb 存在时显著影响谷壳吸附 Cu 的能力 , 2+ 2+ 而 Cu 作为共存离子存在时对谷壳吸附 Pb 的影 响相对较小 . 2+ 2+ 21312 Cu 、 Pb 共存时 , 对谷壳吸附能力的研究 固定两种金属离子 Cu 、 的量浓度之和不变 Pb - 1 ( 01386mmol L , 同时改变两种金属离子的摩尔 2+ 浓度 ,实验结果如图 13 所示 . 随着 Pb 摩尔浓度占 2+ 总的摩尔浓度的百分含量逐渐升高时 , Pb 的吸附 2+ 2+ 量逐渐升高 , Cu 的 吸附 量逐 渐降低 . 对 Cu 和 Pb

45、总的吸附量而言 , 也是逐渐升高的 . 这说明谷 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ 壳对 Pb 的吸附能力大于 Cu . 由图 10 和表 1 看 2+ 2+ 出 ,当 Cu 、 以等摩尔浓度单独存在时 ,谷壳对 Pb 2+ 2+ Pb 的摩尔吸附量稍大于 Cu . 因此 , 谷壳对单一 2+ 2+ 2+ 体系中 Cu 、 Pb 的 吸附 能力 差 别 不 大 . Cu 和 Pb 在溶液中同时存在时 , 与 Pb 单独存在相比 , 2+ 2+ Fig1 12 The adsorp tive quantity for copper( left and lead ( right at differen

46、t equilibrium concentrations in binary system 2+ 2+ 图 13 Cu2 + 和 Pb2 + 摩尔浓度之和不变 , 谷壳对 Cu2 + 和 Pb2 + 的生物吸附 谷壳对 Cu 和 Pb 总的摩尔吸附量有所下降 . 在混 合溶液中 ,谷壳对 Pb 的吸附能力大于 Cu . 2+ 2+ Fig1 13 The effect of both copper and lead in existence on the adsorp tive capacity of chaff 2+ 2+ 金属离子的半径和电荷密度会影响金属离子 1期 韩润平等 : 谷壳的差

47、热红外扫描电镜分析及对铜铅离子的生物吸附研究 2+ 2+ 39 的吸附行为 . 谷壳对 Cu 、 吸附能力的差异是 Pb 2+ 2+ 由于 Cu 、 Pb 与谷壳表面提供孤对电子的原子 (氧 亲合力不同有关 ,亲合力的大小主要取决于离 子的 电 负 性 ( Cay et a l1 , 2004; Zouboulis et a l1 , 1999 . 电 负 性 高 , 对 氧 的 亲 合 力 强 ( Khraisheh 2+ 2+ et a l , 2004 . Pb 的电负性大于 Cu ,因此谷壳对 . Pb 有较大的亲合力 . 将海藻用于 Pb 、 Cu 等离 2+ 2+ 2+ 2+ 子的

48、吸附研究 ,结果表明海藻对 Pb 的吸附量大于 2+ Cu ( M atheickal et a l1 , 1999; Sheng et a l1 , 2004 ; Pagnanelli 等 ( 2003 对 革 兰 氏 阴 性 菌 Sphaerotilus natans对 Pb 、 Cu 的吸附进行了研究 , 结果表明 2+ 2+ 2+ 2+ 吸附剂对 Pb 最大吸附量也大于 Cu ,与本研究有 类似的结果 . 3 结论 ( Conclusions 1 在升温过程中谷壳有 2 个明显的放热峰 , 谷 壳的红外光谱图主要由 OH、 CH3和 C O 等官 能团的吸收峰组成 ,碳氧硅是组成谷壳的

49、主要元素 . 2+ 2+ 2 谷 壳 对 Cu 、Pb 的 最 大 吸 附 量 分 别 为 3146 m g L 、 15 mg L . 12 2+ 2+ 2+ 3 在 Cu 、 Pb 共存体系中 , 谷壳对 Cu 或 - 1 - 1 Pb 的吸附量均下降 ,且 Pb 对谷壳吸附的影响比 2+ 2+ 2+ Cu 更显著 . 4 谷壳对 Pb 的吸附能力大于 Cu . 2+ 2+ References: A jm alM , Rao R A K, Anwar S, et a l1 20031 Adsorp tion studies on rice husk: removal and recove

50、ry of Cd ( II from wastewater J 1 B iore2 source Technology, 86 ( 2 : 147 149 Aksu Z1 20051 App lication of biosorp tion for the removal of organic pol2 lutants: a review J 1 Process B iochem , 40 ( 3 4 : 831 847 Babel S, Kurniawan T A 1 20031 Low 2cost adsorbents for heavy metals up take from conta

51、m inated water: a review J 1 J Hazard Mater, B97 ( 1 3 : 219 243 Basci N , Kocadagistan E, Kocadagistan B 1 20041 B iosorp tion of lead ( II from aqueous solutions by wheat shell J 1 Desalination, 164 ( 2 : 135 140 Han R P, Shi J, L i J J, et a l, 20001 B iosorp tion and p reconcentration of heavy m

52、etals by biomaterial J 1 Chem istry, 63 ( 7 : 25 28 ( in Foust E, Volesky B 1 19961 Contribution of sulfonate group s and alginate to heavy metal biosorp tion by the dry biomass of S argassum fluitans J 1 Environ Sci Technol, 30 ( 1 : 277 282 selective binding and p reconcentration J 1 Anal Chem , 6

53、8: 22A 27A Cay S, Uyanik A , Ozasik A 1 20041 Single and binary component adsorp 2 tion of copper ( II and cadm ium ( II from aqueous solutions using tea2industry waste J 1 Sep Purif Technol, 38 ( 3 : 273 280 中文参考文献 : 韩润平 ,石 ,李建军 ,等 . 2000. 生物材料对重金属离子的吸附富 杰 集作用 J . 化学通报 , 63 ( 7 : 25 28 韩润平 , 鲍改玲 ,

54、朱 路 . 2004. 酯化前后酵母菌的红外光 谱比较 J . 光谱学与光谱分析 , 24 ( 7 : 820 822 D rake L R, Rayson G D 1 19961 Plant2dep rived materials for metal ion 2 卢涌泉 ,邓振华 . 1989. 实用红外光谱解析 M . 北京 : 电子工业出版 社 , 21 34 孟 . 1998. 生物吸附剂 BPA 对 Cu2 + 的吸附研究 J 1 水处理技 琴 术 , 24 ( 3 : 175 178 邹卫华 ,陈宗璋 ,韩润平 ,等 . 2005. 锰氧化物 /石英砂 (MOCS 对铜和 铅离子的

55、吸附研究 J . 环境科学学报 , 25 ( 6 : 779 784 Matheickal J T, Yu Q M 1 19991 B iosorp tion of lead ( II and copper( II from aqueous solutions by p re2treated biomass of Australian marine algae J 1 B ioresource Technol, 69 ( 3 : 223 229 Meng Q 1 19981 Research on adsorp tion of Cu2 + by biosorbent BPA J 1 Techn

56、ology of W ater Treatm ent, 24 ( 3 : 175 178 ( in Chinses Mater, B117 ( 2 3 : 207 211 Pagnanelli F, Espositob A , Toroa, et a l1 20031 Metal speciation and pH effect on Pb, Cu, Zn and Cd biosorp tion onto Sphaerotilus natans: Langmuir2type emp irical model J 1 W ater Res, 37 ( 3 : 627 633 121 142 Chinese for removal of metals from aqueous effluents J 1 Chemosphere, 54 ( 7 : 987