活性炭联合植物修复对水中铬的去除效果研究①

2021-09-15张之浩

矿冶工程 2021年4期

张之浩，李威

（1．长沙环境保护职业技术学院，湖南长沙410004；2．中南林业科技大学生命科学与技术学院，湖南长沙410004）

目前去除溶液中铬的技术主要有膜分离法、化学沉淀法、离子交换法等［1－2］。植物修复技术具有绿色、经济且适用于大面积铬污染区修复等特点［3－4］，是目前土壤、水体修复技术中的一个热点研究方向［5－6］。相较于传统的植物修复技术，在植物生态修复过程中同步引入吸附法可很好地弥补单一植物生态修复技术之不足。吸附法主要利用发达孔隙或高比表面积的固体多孔吸附材料，通过静电作用、离子交换和络合作用去除溶液中重金属［7－8］，适用于各种重金属溶液，尤其对含铬溶液进行深度处理具有良好效果［9－11］。

本文针对重金属铬污染溶液，挑选了李氏禾作为植物修复技术的模式生物，基于李氏禾中铬含量，通过富集、转运系数和提取量以及溶液中铬含量评价其修复效果；同时选取活性炭（AC）作为吸附剂，研究其对铬的去除效果；从而探讨吸附技术与植物修复技术共同作用下的含铬溶液修复效果。

1 实验原料、仪器和方法

1．1 实验原料

乙醇、HNO3、NaOH、硫代巴比妥酸、重铬酸钾，均为分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司。实验用水为高纯水。

吸附剂为活性炭粉（比表面积1 020 m2／g）。

所选植物为李氏禾，采自长沙市某镇周边的田埂或者鱼塘边上，周边土地未曾受到重金属污染。将采回的李氏禾根部杂质摘除，然后用自来水反复冲洗，最后用超纯水润洗。将洗净的李氏禾放入含100%霍格兰营养液的容器中，并加入青链霉素对根部灭菌，并避光防止藻类生长，然后放入人工气候培养箱进行培养。固定李氏禾的泡沫板为EPE材质，购于淘宝histimo旗舰店。

1．2 实验仪器

主要仪器包括电子分析天平（BSA124S－CW，德国Sartorius）、磁力搅拌器（KMS－521D，上海精凿科技公司）、鼓风干燥箱（DHG－9013A，上海一恒科学仪器公司）、pH计（PHS－3C，上海雷磁有限公司）、消解仪（09A24S，博通实验仪器有限公司）、紫外可见分光光度计（UV－2600，日本岛津公司）和电感耦合等离子MS仪（ICPMS－Agilent 7700，安捷伦科技有限公司）等。

1．3 活性炭吸附实验

采用去离子水配制不同浓度的含铬模拟溶液，以5%HNO3或5%NaOH溶液为pH调节剂，以活性炭为吸附剂，通过改变溶液pH值、吸附时间和活性炭添加量，研究不同条件下铬的去除率。

1．4 植物修复及活性炭联合植物修复实验

选取生长一致的李氏禾植物，用去离子水冲洗干净，待水分蒸发完全，每份植物称取100 g，栽植在10 L含铬模拟溶液或含有活性炭的含铬模拟溶液中，用泡沫板使其浮在水面上，进行植物修复及活性炭联合植物修复实验。

1．5 Cr含量测定方法

采用HCl-HNO3-HF-HClO4混酸消解，取上清液通过0．22μm微孔滤膜过滤，利用ICP-MS检测溶液和植物中Cr浓度。

1．6 根长及生物量测定

根长测定：测量各处理组的李氏禾茎部以下的根长，取平均值作为该组的李氏禾根长。

生物量测定：将李氏禾洗干净，用0．1 mol／L的Ca（NO3）2溶液浸泡30 min，自来水冲洗后再用去离子水冲洗，处理好后分开根、茎、叶，放入105℃烘箱杀青30 min，再调至70℃烘至恒重，生物量以植物的最终干重表示。

1．7 丙二醛（MDA）、过氧化氢酶（CAT）测定

采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛；采用紫外分光光度计测定过氧化氢酶。

2 实验结果与讨论

2．1 溶液Cr初始浓度对铬去除率的影响

李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L、反应时间120 h条件下，考察活性炭吸附、植物修复及活性炭联合植物修复实验中，Cr初始浓度对铬去除率的影响，如图1所示。由图1可知，首先随着Cr初始浓度提高，3组实验的铬去除率均明显提升；但当Cr初始浓度超过5 mg／L时，铬去除效率降低。单纯使用植物修复时，高浓度铬可以使植物中毒，导致其吸收能力下降。活性炭联合植物修复具有明显优势，相对于单纯使用活性炭吸附或植物修复，始终保持较高的去除效率。综合考虑，选取溶液Cr初始浓度5 mg／L。

图1 溶液Cr初始浓度对铬去除率的影响

2．2 活性炭添加量对铬去除率的影响

Cr初始浓度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、反应时间120 h条件下，活性炭添加量对铬去除率的影响如图2所示。由图2可知，随着活性炭添加量的增加，铬去除率先增加后保持不变。当活性炭添加量达到150 mg／L时，吸附过程基本达到了平衡。因此，选取活性炭添加量150 mg／L。

图2 活性炭添加量对铬去除率的影响

2．3 吸附时间对铬去除率的影响

Cr初始浓度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L条件下，吸附时间对铬去除率的影响如图3所示。由图3可知，活性炭吸附及活性炭联合植物修复均在较短时间内达到吸附平衡。而单独使用植物修复时，吸附平衡需要较长时间。

图3 吸附时间对铬去除率的影响

活性炭可快速吸附溶液中铬，而较低浓度的铬也可以很好地吸附在李氏禾中，达到复合吸附效果；同时李氏禾对铬的吸收可使铬高浓度聚集，为活性炭高效吸附铬奠定了基础，有利于加速铬的吸附过程。综合考虑，吸附时间选择120 h，此时活性炭联合植物修复的铬去除率达到95%。

2．4 活性炭对李氏禾根长和生物量的影响

除了考察李氏禾对铬的吸附能力，还应了解李氏禾在铬污染溶液中的生长和解毒情况。李氏禾根长和生物量可以表征植物的吸收能力、适应性，反应其对重金属铬的耐性。图4和图5分别为Cr初始浓度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L时，活性炭对李氏禾根长和生物量的影响。随着培养时间增长，单独使用植物修复及活性炭联合植物修复两组实验中，李氏禾的根长和生物量均呈现增加趋势；第15 d时，两组实验李氏禾根长分别为9．6 cm和15．5 cm，生物量分别为7．7 g／（10株）和13 g／（10株）。

图4 活性炭对李氏禾根长的影响

图5 活性炭对李氏禾生物量的影响

活性炭联合植物修复实验中李氏禾根长和生物量（10株）均高于单独使用植物修复实验。表明当Cr浓度5 mg／L时，铬离子一定程度抑制了李氏禾生长，但是没有达到毒害的程度，李氏禾在一定范围内对铬具有较强的耐性。而添加活性炭可以有效降低铬对李氏禾生长发育的抑制作用。

2．5 活性炭对李氏禾叶片中丙二醛含量的影响

脂质氧化终产物丙二醛能够加剧细胞膜的损伤，其含量越高，表明脂质过氧化越激烈，细胞受到的损伤就越大。图6为Cr初始浓度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L条件下，活性炭对李氏禾叶片中丙二醛含量的影响。由图6可知，随着培养时间增加，无论是否添加活性炭，李氏禾叶片丙二醛含量均呈现持续下降趋势，并且在第15 d基本降到最低，说明铬对李氏禾造成的抑制作用在变小。

图6 活性炭对李氏禾叶片中丙二醛含量的影响

2．6 活性炭对李氏禾叶片中过氧化氢酶活性的影响

植物受到重金属胁迫时，生理代谢系统容易紊乱致使细胞活性氧失衡，造成活性氧积累，对细胞膜产生破坏。抗氧化氢酶是植物清除活性氧的重要物质，在缓解植物毒害方面有着重要作用。图7为Cr初始浓度5 mg／L、李氏禾用量10 g／L、活性炭添加量150 mg／L条件下，活性炭对李氏禾叶片过氧化氢酶活性的影响。随着培养时间增长，单独植物修复和活性炭联合植物修复实验中，李氏禾叶片中过氧化氢酶活性表现出先升后降的趋势。说明在初始浓度5 mg／L的铬胁迫下，李氏禾受到毒害，过氧化氢酶会升高清除产生的活性氧自由基。添加活性炭可以增加李氏禾叶片中过氧化氢酶的活性。