固定化改性马尾藻基生物吸附剂的制备及其吸附解吸性能研究

舒杰+董析+齐丹

摘要：将马尾藻粉经无水乙醇-氢氧化钠混合溶液改性后，采用海藻酸钠-聚乙烯醇混合溶液包埋固定，制备了固定化改性马尾藻生物吸附剂，通过比较测定不同马尾藻质量配比的固定化改性马尾藻凝胶小的形状、粘连、传质性、溶胀和机械强度，确定了其最佳制备配比；通过多次吸附解吸实验，研究了固定化改性马尾藻凝胶小球吸附性能和破损率。实验结果表明：最佳制备配比为海藻酸钠2%、聚乙烯醇1%、改性马尾藻粉20%；在相同条件下，多次吸附解吸后，固定化改性马尾藻凝胶小球的吸附性能逐渐减弱，吸附率由96.08%下降至41.27%；破损率由4.0%增高至67.9%。

关键词：马尾藻；改性；固定化；吸附解吸

中图分类号：X172

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22001703

1 引言

生物吸附是将重金属被动地结合到一些无生命的生物质上，从而将其从水中去除的过程[1]，是环境领域近年来迅速发展起来的处理工业污染废水的新技术。生物吸附法因占地面积小、工艺简单、操作方便、无二次污染、对低浓度重金属离子废水具有优良的处理效果而得到广泛的研究关注[2～5]。作为吸附剂的天然生物体，具有密度小、强度低、颗粒直径小的特点，因在应用过程中消耗量大、不宜回收，难以直接用于实际生产[6]。因此，使用前需对其进行固定化，增加其化学稳定性和机械强度、减少吸附-解吸循环中的损耗、延长使用周期、易于回收、降低成本[7]。

固定化生物体细胞的方式多种多样，任何一种限制生物体细胞自由流动的技术都可用于生物吸附剂的固定化[8]。本实验采用包埋法，通过对比较研究不同质量配比的固定化改性马尾藻凝胶小性能，确定其最佳制备配比。然后，通过多次吸附解吸实验，研究其吸附性能和破损率变化。为马尾藻生物吸附剂固定化、在重金属水体污染中应用和马尾藻资源化开发提供科学研究依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料

采集海南省三亚市潮间带新鲜马尾藻，洗净泥沙和表面盐离子，60 ℃干燥粉碎，过100目标准筛，制备马尾藻粉。

2.2 主要仪器和设备

AA-7000火焰原子分光光度计：岛津（中国）有限公司；TMS-Pro质构仪：美国FTC公司；DH-9245A 电热恒温鼓风干燥箱：金坛市盛蓝仪器制造有限公司；FW200型高速万能粉碎机：北京中兴伟业仪器有限公司；X85-2S恒温磁力搅拌器：金坛盛蓝仪器制造有限公司；TGL-18C高速台式离心机：金坛盛蓝仪器制造有限公司。

2.3 改性

马尾藻粉加入体积比1∶1的0.1 mol/L氢氧化钠和无水乙醇，搅拌4 h，浸泡静置，用水洗至中性，烘干备用。

2.4 固定化

将2%的海藻酸钠和1%的聚乙烯醇与水混合，加热至完全溶解，冷却后分别加入10%、20%、30%、40%、50%、60%的改性海藻粉，慢速搅拌至完全与凝胶混合，逐滴滴入交联剂中，常温交联24 h，分别形成固定化凝胶小球。

2.5 凝膠小球性能测定

（1）拖尾：观察固定化马尾藻凝胶小球形状完整度，是否出现拖尾现象。

（2）粘连：用玻璃棒轻轻搅拌滴在烧杯中的固定化马尾藻凝胶小球，观察小球间是否粘连。

（3）传质性：取固定化马尾藻凝胶小球，滴加墨水，5 min后切开，观察墨水渗入情况。

（4）溶胀：取固定化马尾藻凝胶小球放入蒸馏水中浸泡15 d，观察小球是否溶胀破损。

（5）机械强度：取固定化马尾藻凝胶小球放入水中，连续搅拌24 h，计算破碎率，破碎率越小机械强度越好。

（6）硬度、弹性、胶粘性：利用质构仪对固定化马尾藻凝胶小球进行质构测试实验，采取压缩模式[9]，测定凝胶小球的硬度、弹性、胶粘性。触发点负载1 N，测试速度和返回速度均为60 mm/min，循环2次，停留时间1 s。

2.6 吸附解析性能研究

2.6.1 镉标准曲线绘制

配制浓度为分别0.05 mg/L、0.10 mg/L、0.20 mg/L、0.50 mg/L的镉标准溶液，使用火焰原子吸收分光光度计测定吸光度，绘制标准曲线。

2.6.2 吸附率破损率变化测定

取100粒完整均匀的固定化马尾藻凝胶小球，加入浓度为0.3 mg/L的镉溶液，搅拌吸附2 h，取上清液，测定镉浓度，计算吸附率。使用1%的硝酸溶液对进行解吸，解析后计算破损率，补足数量，重复吸附解析实验。

3 结果与分析

3.1 不同马尾藻质量配比对凝胶小球性能的影响

按2.3和2.4中方法制备固定化改性马尾藻凝胶小球，按2.5中实验方法测定凝胶小球性能。结果见表1。

通过各项测试系数表明，马尾藻粉投加量10%和20%凝胶小球性能最好。因此，马尾藻投加量20%为最佳配比。

3.2 镉标准曲线

按2.3和2.4中方法制备固定化改性马尾藻凝胶小球，按2.6.1中实验方法绘制镉标准曲线，见图1。

3.3 固定化改性马尾藻吸附剂吸附率变化

按2.3和2.4中方法制备固定化改性马尾藻凝胶小球，按2.6.2中实验方法测定吸附率变化，结果见图2。

由图2可知：随着吸附解吸次数的增加，固定化改性马尾藻凝胶小球对废水中镉吸附率迅速下降，由96.08%下降至41.27%。

3.4 固定化改性马尾藻吸附剂破损率变化

按2.6.2中实验方法测定每次吸附解吸后破损率，结果见图3。

由图3可知：随着吸附解吸次数的增加，固定化改性马尾藻凝胶小球的破损率迅速增高，由4.0%下降至67.9%。endprint

4 试验结论

通过本试验得出固定化改性马尾藻生物吸附凝胶小球的最佳制备配比为海藻酸钠2%、聚乙烯醇1%、改性马尾藻粉20%。

固定化改性马尾藻凝胶小球吸附解吸实验结果表明：在相同条件下，以1%的硝酸溶液为解吸剂，经过5次吸附与解吸实验，固定化改性马尾藻生物吸附剂的吸附性能和机械强度都不断减弱，吸附率由96.08%下降至41.27%；破损率由4.0%增高至67.9%。

5 结语

通过实验研究可知，马尾藻可以作为安全、廉价的生物吸附剂对重金属水体进行吸附降解，对重金属离子进行富集回收。同时，以2%海藻酸钠、1%聚乙烯醇和20%改性马尾藻粉制备的固定化改性马尾藻凝胶小球在5次吸附解吸后吸附性能下降、破损率增高，应将搅拌式吸附过程改为静止吸附，以减少凝胶小球间摩擦碰撞，降低破损率；对马尾藻粉固定化方法进行深入研究，能提高其机械强度和解吸后吸附率。

参考文献：

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[9]李冉冉. 不同食品的质构测定方法[C]∥广东省食品学会.“食品工业新技术与新进展”学术研讨会暨2014年广东省食品学会年会论文集.广州：广东省食品学会，2014：5.endprint