磁性生物吸附劑在水處理中應(yīng)用

　　吸附法被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單､快速､有效的水處理方法,該技術(shù)的成功應(yīng)用很大程度上取決于吸附劑的高效發(fā)展〔1〕｡近年來(lái),生物吸附材料磁化后所得的磁性生物吸附劑受到人們廣泛的關(guān)注｡磁化后的生物吸附材料可通過(guò)磁分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)固液的簡(jiǎn)單分離,同時(shí)磁性生物吸附劑具有機(jī)械強(qiáng)度高､化學(xué)穩(wěn)定性好､吸附性能好､廉價(jià)和易于再生等優(yōu)點(diǎn),因此,磁性生物吸附劑在水處理工程中具有很好的應(yīng)用前景｡

　　1 磁性生物吸附劑的制備方法

　　磁性生物吸附劑的制備是通過(guò)采用物理或化學(xué)的手段對(duì)游離的生物質(zhì)進(jìn)行改性使其具有磁性的過(guò)程｡目前,磁性生物吸附劑的制備方法主要有表面附著法､共價(jià)結(jié)合法､混合包埋法和反相懸浮交聯(lián)法｡

　　1.1 表面附著法

　　表面附著法是指在一定的環(huán)境條件下,通過(guò)生物吸附劑與鐵磁流體之間的物理吸附作用使得鐵磁流體附著在生物吸附劑表面, 從而實(shí)現(xiàn)生物吸附劑的磁化｡M. Safarikova 等〔2〕采用表面附著法制備了磁性生物吸附劑｡其制備方法為:將飼料酵母細(xì)胞加入到2 mL 0.1 mol/L 的甘氨酸-NaOH 緩沖液中制成懸浮液,保持pH 為10.6,然后加入0.3 mL 用四甲基氫氧化銨固定的鐵磁流體(pH 為13.0, 質(zhì)量濃度為29.1 g/L),混合液在試樣攪拌器中攪拌1 h,然后將磁化后的酵母細(xì)胞用鹽液清洗幾次并通過(guò)磁力分離器分離后在4 ℃下于鹽液中存放備用｡M. 譒afaríková等〔3〕將鐵磁流體和溶于醋酸鹽緩沖溶液中的釀酒酵母菌以1∶3 的體積比混合,并保持pH=4.6,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后磁性顆粒沉淀在細(xì)胞表面使得大部分細(xì)胞被磁化,然后采用磁分離技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分離,對(duì)分離得到的樣品先后用醋酸鹽緩沖溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%的NaCl 溶液進(jìn)行洗滌,最后在沸水浴中加熱2 min 以使細(xì)胞失活而得到穩(wěn)定的磁性生物吸附劑｡該方法操作簡(jiǎn)單, 但由于鐵磁流體與生物吸附劑是通過(guò)物理吸附作用結(jié)合的,因而鐵磁流體容易脫落,穩(wěn)定性差｡

　　1.2 共價(jià)結(jié)合法

　　共價(jià)結(jié)合法是利用生物質(zhì)表面的官能團(tuán)和磁性載體表面的反應(yīng)基團(tuán)間形成的化學(xué)共價(jià)鍵相連接,從而使生物吸附劑具有磁性,此法所用的生物質(zhì)細(xì)胞通常是無(wú)活性的〔4〕｡該法也可先在磁性載體表面引進(jìn)各種偶聯(lián)劑(如氨基硅烷類､碳化二亞胺､戊二醛),然后再與生物質(zhì)細(xì)胞表面的官能團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)而得到磁性生物吸附劑〔5〕｡Yu Tian 等〔6〕利用面包酵母粉末和納米Fe3O4制備了磁性生物吸附劑｡其制備方法為:將2 g 按1∶1 質(zhì)量比混合的面包酵母粉末和納米Fe3O4加入到100 mL 體積分?jǐn)?shù)為7%的戊二醛溶液中制成懸浮液,攪拌后經(jīng)磁分離得到磁性生物吸附劑, 將該吸附劑在4 ℃下于戊二醛溶液中保存?zhèn)溆?#65377;C. Jeon 等〔7〕利用海藻酸鈉､氧化鐵､尿烷制備了磁性生物吸附劑｡其制備方法為:將海藻酸鈉､氧化鐵､尿烷以1∶1∶1 的質(zhì)量比混合于15 mL 去離子水中,然后在50 ℃下于真空干燥箱內(nèi)干燥3 h,將得到的樣品研磨后備用｡該法生物質(zhì)細(xì)胞與載體之間的連接鍵很牢固,使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生脫落,穩(wěn)定性好,但反應(yīng)條件激烈,操作復(fù)雜,控制條件苛刻｡

　　1.3 混合包埋法

　　包埋法是用物理方法將生物質(zhì)和磁性顆粒截留在水不溶性的凝膠聚合物空隙的網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)使其固定并實(shí)現(xiàn)磁化｡包埋可以采用1 種載體〔8〕或多種載體〔9-10〕,目前應(yīng)用最多的載體是海藻酸鹽和聚乙烯醇｡V. Rocher 等〔8〕將海藻酸鈉､磁赤鐵礦和活性炭混合制得磁性海藻酸鈉吸附劑并將其用于去除水中的亞甲藍(lán)和甲基橙染料｡Huidong Li 等〔9〕以海藻酸鹽和聚乙烯醇為基質(zhì)包埋根霉菌粉末和Fe3O4制得生物功能磁珠并將其用于吸附和回收水中的Cr6+｡Xiaogang Luo 等〔10〕用200 mL 質(zhì)量比為7∶12∶81 的NaOH/尿素/H2O 混合溶劑在-12 ℃下與6 g 纖維素在強(qiáng)力攪拌下反應(yīng)3 min 得到透明的基質(zhì), 然后包埋Fe2O3和活性炭制得磁性纖維素珠并將其用于吸附甲基橙和甲基藍(lán)｡該方法操作簡(jiǎn)單,是目前最為常用的方法,但包埋技術(shù)可能會(huì)遇到擴(kuò)散限制和位阻現(xiàn)象,尤其是在吸附大分子化合物的時(shí)候｡

　　1.4 反相懸浮交聯(lián)法

　　反相懸浮交聯(lián)法制備磁性生物吸附劑首先是將生物質(zhì)溶解在酸性水溶液中,再將磁性顆粒分散在該溶液中,加入一定量油相溶劑,如石蠟等,形成油包水的反相體系,再加入交聯(lián)劑,如甲醛､戊二醛等,在一定溫度條件下進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),形成磁性生物吸

　　附劑〔11〕｡H. Y. Zhu 等〔12〕首先將殼聚糖溶解在醋酸溶液中, 隨后加入磁性γ-Fe2O3納米顆粒和多壁碳納米管并攪拌, 然后在上述混合液中添加石蠟并繼續(xù)攪拌, 最后加入戊二醛交聯(lián)得到新型的磁性復(fù)合生物吸附劑,用于吸附水中的甲基橙｡Guiyin Li 等〔13〕在盛有30 mL 石蠟和0.5 mL span-80 乳化劑的容器中加入0.2 g 納米Fe3O4(用99.5%的酒精清洗2 次),再加入15.0 mL 溶有0.2 g 殼聚糖的體積分?jǐn)?shù)為5%的醋酸溶液, 懸浮液經(jīng)超聲輻射并在加入戊二醛且機(jī)械攪拌后經(jīng)干燥得到磁性Fe3O4-殼聚糖納米微粒吸附劑｡該方法穩(wěn)定性好,易于控制微球尺寸,適應(yīng)反應(yīng)環(huán)境的變化能力強(qiáng),但跟共價(jià)結(jié)合法一樣,存在反應(yīng)條件激烈,操作復(fù)雜,控制條件苛刻等缺點(diǎn)｡

　　2 磁性生物吸附劑在水處理中的應(yīng)用

　　2.1 重金屬離子的去除

　　重金屬是對(duì)生態(tài)環(huán)境危害極大的一類污染物,其進(jìn)入環(huán)境后不能被生物降解, 而往往是參與食物鏈循環(huán)并最終在生物體內(nèi)積累, 破壞生物體正常的生理代謝活動(dòng),危害人體健康〔14〕｡近年來(lái),已有一些關(guān)于采用磁性生物吸附劑處理重金屬?gòu)U水的研究報(bào)道〔15-17〕｡Qingqing Peng 等〔4〕將釀酒酵母固定在磁性殼聚糖表面制得的磁性生物吸附劑用于處理水中的Cu2+,發(fā)現(xiàn)其吸附最佳pH 為4.5,在Cu2+初始質(zhì)量濃度為60 mg/L 時(shí)可達(dá)到最大吸附率, 為96.8%｡C.Jeon 等〔7〕采用氧化鐵､尿烷和海藻酸鹽混合后制得的磁性生物吸附劑吸附去除水中Pb2+和Cd2+, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對(duì)Pb2 + 和Cd2 +的飽和吸附量分別為1.45mmol/g 和1.05 mmol/g｡Limin Zhou 等〔16〕在用乙二胺改性的磁化殼聚糖微球吸附Hg2+時(shí)發(fā)現(xiàn), 吸附最佳pH 為5,最大吸附量為2.69 mmol/g｡

　　磁性生物吸附劑不僅可用于重金屬離子的吸附而且還可用于吸附回收貴重金屬離子和稀土金屬離子｡Limin Zhou 等〔18〕用乙二胺改性的磁性殼聚糖納米粒子吸附Pt4+和Pd2+時(shí)發(fā)現(xiàn), 在pH 為2.0 時(shí)可得到最大吸附量,分別為171 mg/g 和138 mg/g｡李繼平等〔19〕用高脫乙酰度的殼聚糖包埋自制的磁流體,并用戊二醛交聯(lián)制成磁性殼聚糖, 并考察了其對(duì)稀土金屬離子La3+､Nd3+､Eu3+和Lu3+的吸附性能, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)該磁性生物吸附劑對(duì)上述各離子的吸附率均達(dá)90%以上,而且吸附劑具有良好的重復(fù)使用性｡

　　2.2 染料分子的去除

　　磁性生物吸附劑也能用于吸附去除水中的染料分子｡M. 譒afaríková 等〔3〕用磁化后的釀酒酵母吸附一系列水溶性染料時(shí)發(fā)現(xiàn), 染料的分子結(jié)構(gòu)對(duì)吸附劑的吸附量影響很大｡在對(duì)同為三苯甲烷染料的苯胺藍(lán)和結(jié)晶紫進(jìn)行吸附時(shí)發(fā)現(xiàn), 苯胺藍(lán)的最大吸附量更大,約為220 mg/g｡I. Safarik 等〔20〕研究了磁性飼料酵母吸附劑對(duì)結(jié)晶紫､剛果紅､吖啶橙等7 種水溶性染料的吸附, 發(fā)現(xiàn)最大吸附量介于29.9 mg/g 和138.2 mg/g 之間｡Yu Tian 等〔6〕用納米Fe3O4磁化的面包酵母吸附水中的甲基紫染料時(shí)發(fā)現(xiàn), 在最佳吸附條件(pH 為6.0､染料初始質(zhì)量濃度為300 mg/L､接觸時(shí)間為30 min) 下達(dá)到的最大吸附量為60.84mg/g｡其他研究〔8, 10, 12〕也發(fā)現(xiàn),用磁性生物吸附劑吸附水中染料可達(dá)到較好的吸附效果而且吸附劑易回收｡

　　2.3 其他

　　磁性生物吸附劑主要應(yīng)用于吸附廢水中的重金屬離子和染料分子, 同時(shí)它也能用于吸附處理廢水中的酚類物質(zhì)〔21-22〕､蛋白質(zhì)〔23〕和氟化物〔24〕等｡方華等〔21〕進(jìn)行了磁性殼聚糖微球吸附2,4-二氯苯酚的研究, 結(jié)果表明在最佳吸附條件下, 吸附量為1.70mg/g,去除率在80%以上｡李曉飛等〔22〕利用磁性ZnFe2O4殼聚糖微球吸附處理苯酚廢水,結(jié)果表明該磁性生物吸附劑能有效去除廢水中的苯酚, 去除率達(dá)到64%左右｡董海麗等〔23〕用磁性殼聚糖微球吸附大豆乳清廢水中的蛋白質(zhì)的實(shí)驗(yàn)表明, 在吸附劑質(zhì)量濃度為25 g/L､接觸時(shí)間為10 min､溫度為30 ℃､pH 為5 的條件下, 蛋白質(zhì)去除率達(dá)到最高, 為95.6%, 說(shuō)明磁性殼聚糖微球能有效去除大豆乳清廢水中的蛋白質(zhì)｡Wei Ma 等〔24〕在將磁性殼聚糖應(yīng)用于含氟廢水的處理時(shí)發(fā)現(xiàn), 磁性殼聚糖對(duì)氟化物具有較好的吸附效果｡具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 展望

　　磁性生物吸附劑以其特有的優(yōu)點(diǎn)在水處理領(lǐng)域越來(lái)越受到關(guān)注,其對(duì)水中的重金屬離子､染料分子及其他難處理污染物有良好的吸附性能, 但要實(shí)現(xiàn)其未來(lái)的實(shí)用化或工業(yè)化, 還需在以下方面進(jìn)行更深入的研究:(1)擴(kuò)大用于磁化的生物質(zhì)材料的研究范圍,如深入研究真菌､細(xì)菌和海藻等,從而得到更高效､廉價(jià)的材料以制備磁性生物吸附劑;(2)系統(tǒng)研究磁性生物吸附劑吸附的最佳條件, 從而提高吸附效果并為未來(lái)磁性生物吸附劑工業(yè)化打下基礎(chǔ);(3)研究磁性生物吸附劑在水處理中的吸附機(jī)理,開(kāi)發(fā)吸附過(guò)程的預(yù)測(cè)模型, 為將磁性生物吸附劑在實(shí)驗(yàn)室中的研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H的應(yīng)用創(chuàng)造條件｡相信通過(guò)不斷地改進(jìn)研究, 磁性生物吸附劑必將在水處理中得到廣泛應(yīng)用｡