水葫芦生物质对重金属竞争吸附机制分析

龙俊霞

（郑州师范学院，河南 郑州 450000）

在化工、采矿、冶炼等行业的迅速发展下，加之各类化肥农药的大量使用以及不合理堆放、填埋问题的影响，导致大量重金属进入到水体中，给环境与人体健康造成了极为负面的影响。水葫芦（Water Hyacinth）俗称水凤仙、水荷花，为多年生漂浮性草本植物，原产自南美，从上世纪30 年代引入我国，在华东、华中和华南地区有广泛分布，水葫芦在多种生态环境中存在，包括湖泊、水库、沟渠、池汤、河道、沼泽等，水葫芦的抗病性强、耐肥力高，是公认的生物入侵物种。水葫芦最早作为猪饲料被引入我国，后来迅速繁殖，是引起水质恶化、水路运输受阻、水生生物减少的重要诱因之一。生物炭是一种生物有机材料，可作为土壤改良剂、还原剂、二氧化碳封存剂，也是一种高品质能源，当前，生物炭在重金属吸附、水体净化、固碳减排、土壤改良中，得到了广泛应用，生物炭来源多样，材料广泛。如今，生物炭已经引起了学界的广泛关注，水葫芦繁殖迅速、数量大，还缺乏行之有效的处理方式，对此，研究人员尝试将水葫芦生物质制作为生物炭，这对重金属竞争吸附具有一定的作用。

1 生物炭重金属竞争吸附的影响因素

生物炭是采用废弃生物质，在缺氧、无氧环境下制造而成的固态产物，有着表面含氧官能团丰富、比表面积大、孔隙结构好的特征，能够减小重金属生物有效性。其理化特性会受到生物质类型、制备条件等因素的影响。

1.1 生物质种类影响

生物质种类对于制作而成的生物炭理化作用、元素组成，均有直接影响。Xu[1]等，针对农作物秸秆炭制作的生物炭吸附作用进行了研究，结果显示，花生秸秆炭在Cu(II)的吸附效果上，优于油菜秸秆炭。研究显示，采用硬木制备而成的生物炭，对于土壤中的Pb、Cd 均有一定的吸附作用，但是，对于As、Cu的吸附效果并不好。因此，生物炭种类不同，对于各类重金属的吸附效果也存在差异。

1.2 热解温度的影响

热解温度对于生物炭的理化特征也有重要影响，既会对其成分含量、产率产生影响，也直接影响生物炭PH 值、孔隙结构。Chen[2]的研究显示，随着热解温度的提升，松针炭的比表面积也不断增加。

1.3 添加量的影响

添加量也是影响吸附效果的一个因素之一。Jiang[3]等针对稻草秸秆炭的添加进行了一个月的实验，结果显示，在添加量的增加下，吸附效果逐步增强。还有研究人员针对芒草秸秆炭对土壤中Cd、Pb 的吸附进行了研究，结果显示，在添加量为10% 的比例下，吸附效果更优。综合来看，增加施加量，可优化吸附能力，但是，施加量不宜过大，过量施加会增加成本，也会影响生态循环。

2 不同水葫芦生物质对重金属竞争吸附机制分析

水葫芦的繁殖能力、生命力强，在多年前，就应用在污染修复中，水葫芦对于水土中的重金属具有良好的净化效果，且耐性高，因此，将水葫芦制作成不同形式的生物质来吸附水土污染物也是当前的研究热点。

水葫芦干粉的吸附机制：目前，水葫芦干粉制作技术已经成熟，被广泛用于水体治理。有研究人员在对水葫芦干燥处理后，将其打成细粉，针对水体中的Cu、Cd 来进行处理，实验结果显示，在温度30℃、pH 值为5 的条件下，水葫芦干粉的吸附效果更佳，对于Cd 的吸附效果优于Cu。还有研究人员采用水葫芦干粉来处理水体中的Cu、Cr，实验结果显示，在pH值介于5、6 时，吸附反应最佳，对于Cu、Cr 吸附容量分别为32.5mg/g、33.9mg/d。根据FTIR 光谱仪分析显示，在水葫芦干粉中，-COOH、-OH 官能团在其中起着主要作用。在干粉进入污染水体后，会释放出大量的K+、Mg2+、Ca2+，与重金属离子进行离子交换，从而达到吸附效果，对于不同类型的重金属离子，吸附大小不同。

随着技术的成熟，水葫芦干粉改性研究也取得了显著成果，有研究人员采用二氧化硫对水葫芦干粉来做出改性处理，结果显示，改性完毕后，其吸附能力得到显著增强，最大吸附量得以提升。其主要原因是由于水葫芦中有丰富的纤维素，经过改性处理，可以改变干粉表面形态，使其表面变得疏松、粗糙，继而提升其吸附能力。

水葫芦纤维素提取物的吸附机制：在水葫芦中，纤维素含量丰富，其中有多个羧基基团，这是一种多毛细管、纤维状，聚合物，比表面积大、孔隙多，利用水葫芦的这一特征，利用化学改性法可以制作出水葫芦纤维素提取物。相较于油菜、玉米秸秆，采用同样工艺制造而成的纤维素，水葫芦纤维素的吸附效果更好。究其原因，是由于水葫芦机械强度等物理性能更好，其中的纤维素多为非晶态纤维素，化学活性非常好，通过改性后，纤维素有效成分含量较高，对重金属的吸附能力、吸附速率也更好。

水葫芦生物炭对重金属的竞争吸附机制：水葫芦中有丰富的-OH、-COO- 官能团与纤维素，但其生物量大、繁殖速度快、不易保存，将其制作为生物炭，不仅可以提升资源利用率，也可以减少水葫芦对水体造成的污染。有研究人员分别针对200℃、300℃、400℃、500℃环境下水葫芦生物炭对重金属离子的吸附作用进行了研究，实践显示，在500℃环境下，水葫芦生物炭的吸附效果更好，其吸附量为Cu ＞Zn ＞Cd ＞Pb，水葫芦生物炭能够将环境污染转化为清洁技术，与废弃物资源利用的要求相一致。从竞争吸附机制来看，Mahamadi[4]等针对水葫芦生物炭对于Cd、Pb、Zn 在三元复合体系、二元复合体系中的竞争吸附进行了研究，研究显示，Cd、Pb、Zn有拮抗作用。有研究人员针对水葫芦生物炭对于Cd、Cu 单一组分、二元复合体系的吸附竞争机制进行了分析，并采用PSO 来预测拟合参数，结果显示，水葫芦生物炭对于Cd、Cu都有良好的亲和力，对于某种重金属离子的亲和性，会受到其他重金属离子影响，表现出拮抗效果。在二元复合体系中，Cu会对Cd 产生抑制作用，现有的研究显示，水葫芦生物炭对于Cu 具有更强的亲和性，是由于Cu 在竞争体系中，占据优势。

3 结语

将水葫芦通过加工处理制作成吸附性强的生物质，不仅解决了水葫芦造成的水体污染，对于重金属离子，也具有良好的吸附作用。而水葫芦生物体的部位不同、处理措施不同，对于重金属的吸附效果也存在差异。目前，关于水葫芦生物质对重金属竞争吸附机制，还没有完全探究清楚，在下一阶段，需要针对不同复合体系中的竞争吸附关系进行深入研究，以充分发挥出水葫芦生物质的吸附作用。