第23卷第2期 2007年4月 HUNAN NONFERROUS METALS 湖南有色金属 5l ・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 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、 酵母对cd2 离子的吸附是非常快速的;DH值对啤 酒酵母吸附Cd2 离子有较大影响,吸附较佳的DH 值范围是4 8之间;酵母的投加量增加,Cd2 离子 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。 的去除率提高,但酵母的单位吸附量降低;对于初始 浓度为10 mg/L的含c 离子溶液,较适宜的吸附条 件为:吸附时间15 min,pH值5.8,酵母用量6 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。 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 1试验材料和研究方法 1.1试验材料 试验中所用的啤酒酵母,取自某啤酒厂。经去 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 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需要利用 镉标准贮备溶液和蒸馏水配制的。 1.2研究方法 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_l J。有研 究[ 0]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_l :啤酒 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,DH值5.8,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。 作者简介:成先雄(1977一),男,讲师,主要从事环境工程教学与研究 工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
52 湖南有色金属 第23卷 2结果及讨论 2.1 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: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、DH值5.8、酵母用量6 g/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1 C({2 离子的初始浓度对吸附量的影响试验结果 初始Cd 的浓度Ci/mg・L 10 25 50 75 剩余Cd 的浓度Cf/mg‘LI1 3.60 9.11 18.94 28.72 生物吸附量q/mgcd2+ g O.640 1.589 3.106 4.628 去除率/% 64 63.56 62.12 61.71 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cd 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c,和吸附量q基本呈线 性关系,相关系数为+0.983。即:吸附时间15 min、 pH值5.8、酵母用量6 g/L、温度25℃的条件下, n 1 Q,1. q=__ g ,’相关系数:7=+0.983。佃大系姒:y +・ 。 从上面的q的表达式可以推出,当c 的值不是 很大时,口和cf的关系呈近直线的正比关系,与图1 描述的口和cf的关系曲线相符合,也就是说,Lang— muir吸附模型与啤酒酵母对Cd2 离子的吸附特性 符合得比较好。 2.2啤酒酵母对镉离子的吸附机理分析 2.2.1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5.8,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。 卜].6E\ 疑 熏 0 10 20 30 40 50 60 70 时间/m_n 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,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 ,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。 2.2.2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 维普资讯 http://www.cqvip.com
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 53 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干燥酵母的组成成分[13] 成分 含量/% 成分 含量/ g・g 水分 5~7 K 2O 蛋白质 45~5O Ca 0.8 脂肪 1.5 Fe O.2 灰分 7 P l2.9O 粗纤维 1.5 碳水化合物 3O~35 表3 吸附反应前后离子浓度变化mg/L 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 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[ 0 J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: 1.Cd2 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c 的值不大时, Langmuir吸附模型与啤酒酵母对cd2 离子的吸附 特性符合得比较好。 2.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。 3.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: [1]Volesky,B.Biosorption for the next century[C].ibid,1999,161— 170. [2]Volesky,B.Biosorption of heavy metal[M].Canada:CRC press, 1990. [3]汤岳琴,林军,王建华.生物吸附研究进展[J].四JII环境, 2001,20(2):12~17. [4]陈灿,王建龙.酿酒酵母吸附重金属离子的研究进展[J].中国 生物工程杂志,2006,26(1):69—76. [5]F.维戈利奥.综述回收金属的生物吸附法[J].国外金属矿选 矿,1998,12:27~35. [6]Yang,J,Volesky,B.Biosorption and Elution of Urnaium with Sea— weed BiomasslC].ibid,1999,483—492. [7] Kratoehvil,D.;Pimentel,P.F.;Volesky,B.Removal of tirvlaent chromium by seaweed biosorbentlJ].Department of Chemical En— gineering.Environ.Sci.Technol,1998,32:2 693—2 698. [8]Ziimriye Aksu;Dursun fizer;Ayla ifzer.Investigation of the column performance of cadmium(Ⅱ)biosorption by cladophora erispata lfocs in packed Bed[J].Separation Science and Technology, 1998,33(5):667—682. [9] A.Lodi;C.Solisio ̄A.Converti;M.Del Borghi.Cadmium,Zinc, Copper,Silver and Chromium(Ⅲ)rmoval from wastewaters by Sphaerotilus natans[J].Bioprocess Engineering,1998,l9:197— 203. [10]Chin—pin Huang;Chin—pao Huang;Allen L.Morehart.The Re— moval of Cu(Ⅱ)from daute aqueous solution by saccharomyces cerevisiael JJ.Water Research,1988,433—439. [11]邱廷省,成先雄.啤酒酵母吸附镉离子的试验研究[J].环境污 染与防治,2004,26(2):95—97. 1l2]B.volesky,I.Prasetyo.Cadmium removal in a biosorption column [J].Biotcehnology Bioengineeirng,1994,43(11):1 010—1 015. [13]唐受印,戴友芝,刘忠义,等.食品工业废水处理[M].北京:化 学工业出版社,2001. [14]Antonio Carlos A,DA Costa Frnacisca P,DE Frnaca.Cadmium up— take by biosorbent seaweed:adsorption isotherms and some process conditions[J].Separtion Science and Technology,1996,31(17): 2 373—2 393. 收稿日期:2007—03—15 维普资讯 http://www.cqvip.com
54 湖南有色金属 第23卷 Trait and Study of Mechanism on Cadmium Biosorption by Saccharomyces Cerevisiae CHENG Xian—xiong,ZHOU Dan,QIU Ting—sheng (Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China) Abstract:In this paper,biosorption of cadmium by Saccharomyces cerevisiae was studied.The trait of biosorption was described by isotherm,and biosorption Was appraised by the Langmuir mode1.In addition,mechanism of biosorption was discussed,which showed that biosorption occurred in cell wall mainly and biosorption had relation to ion change possibly. Key words:Saccharomyces cerevisiae;Cadmium cation;adsorption behavior;mechanism of biosorption (上接第22页) g/L;电流密度325 A/m ;Pb2 浓度小于10 g/L。 参考文献: [1]邱竹贤.有色金属冶金学[M].北京:冶金工业出版社,1988. 3结论 采用Cu(NO3)2一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,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l5~ 30 g/L;铜离子浓度40~60 g/L;C1一浓度0.1~0.8 [2]史有高.高银铜阳极的电解精炼[J].有色冶炼,1994,23(3): ll—l4. [3]张继荣,林忠.高银阳极铜电解精炼的生产实践[J].有色金属 (冶炼部分),1997,(5):6—9. [4]杨天足,水承静,宾万达.铅阳极泥湿法处理工艺述评[J].黄 金,1996,17(11):33—36. 收稿日期:2007—03—10 Recovery of Copper and Silver from the Crude opper Cwith High ontCent Silver by Elcterolysis Process FAN Xiang ,YU Zhi—shan ,XIONG Ai—chenz (1.Hechi Chemical Factory,Gangxi Huaxi Group Corp.,Hechi 547000,China; 2.Liuzhou Huaxi Indium Materials Corp.Ltd.,Liuzhou 545006,China) Abstact:The rcrude Copper with high content Silver recovered from the concentrate of Antimony—Lead Sulfide has to sell at lower price.It can bring remarkable economic benefits if Copper and Silver can be separately recov- ered bv electrolysis process.In this research,we studied the influence of electrolysis in the electrolyte of Cu(NO3)2 and H N O3.Finally,the preferred conditions were chosen and the aim of producing cathode Copper and concentrat- ing Silver and other valuable metals was reached.The concentrate of the product Copper reached 99.03%~ 99.2l%,Silver,Lead and other valuable metls were gatheraed in the anode mud,in which the content of Ag is 9.58%~13.42%。Pb 8.24%~9.13%,Bi 17.34%~2O.67%,Sb 9.19%~lO.64%,Cu l5.17%~21.36%. The results showed that the Drocess could purify Copper and rcover Sielver and other valuable metls.a Key words:crude Copper with high content SilVer;electrolysis smelting;current density;recovery
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