静态模拟实验研究水葫芦吸收水中锰离子的特性*

叶 芬，石 维，成 昊，秦航道，常 军

(铜仁学院材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300)

电解金属锰行业是我国黑色冶金领域的第二大行业，自1956年在上海开始电解锰的工业化生产以来，经过近半个世纪的发展，我国一跃成为全球最大的电解猛生产国、消费国、出口国[1]。电解锰行业的快速发展，极大带动了当地的经济建设，吸纳了大量剩余劳力，增加了地方居民的收入，在维护社会稳定和民族团结方面起到了积极作用。但由于电解锰行业属于典型的高投入、高能耗、高污染、低效益的“三高一低”行业，特别是近十年来，我国电解锰行业的超常规发展，不仅造成可经济开采的锰矿资源急剧下降，同时对周边环境造成了严重的破坏，积累和引发了触目惊心的环境污染和生态破坏问题，甚至对当地居民的生命健康安全构成了威胁，有些地区为此发生了严重的污染纠纷，严重影响了社会的和谐与稳定[2-3]。

目前国内电解金属锰生产主要是通过硫酸锰溶液电解制取金属锰，该工艺所需要主要原料有：锰矿粉、硫酸、硫酸铵、液氨、氧化剂、净化剂、还原剂、添加剂等。典型的电解锰生产工艺可分为三个阶段：一是制备电解液阶段；二是电解操作阶段[4]；三是产品后处理阶段。电解锰生产过程中产生的废水主要有三部分：第一部分是含锰废水，主要来源于制液工段压滤车间的压滤板、滤布清洗及地面冲洗过程，含有锰、氨氮等污染物，目前大多数电解锰企业将这部分废水作简单沉淀处理后循环回用于清洗过程或者配制氨水，循环10次左右之后排入废水处理设施；第二部分是电解及后序工段的电极板出槽、纯化、清洗及电解车间清洗等过程中产生的含铬含锰废水，这是电解锰废水的最主要来源；第三部分是电解过程中的冷却用水，这部分水可以循环使用。此外电解锰生产废渣堆放场的渣场渗滤液中也含有高浓度的锰、氨氮等污染物质，该部分废水也不容忽视，大多数企业是将其打回至含锰废水处理系统进行处理。每吨电解金属锰生产耗用新水近吨，而的90%水是冷却用水[5]。为了节约成本大多数企业对废水都只作行简单沉淀处理，然后回用于清洗过程或配制氨水，经过10次左右的循环回用，污染物累积到较高浓度时集中处理一次，所以每生产1 t锰需处理3 m3左右废水[6]。

利用水生植物可以在不增加环境负担的情况下吸收废水中的锰离子，近些年有许多学者做了相关的研究[7-10]。水葫芦又名凤眼莲(Eichhornia crassipes)，在富营养环境下容易大量的繁殖，生物质的制备简单，内部组织的特点能够为吸附金属离子提供锚点[11-12]。本文采用静态实验法，研究水葫芦对水中锰离子的吸收特性，采用紫外-可见分光光度计和原子吸收分光光度计测定锰离子含量。

1 实 验

1.1 材 料

水葫芦采自铜仁市郊水塘。

1.2 表 征

通过紫外-可见分光光度计快速获得水中锰离子溶度，所使用的紫外-可见分光光度计是北京普析产，型号：T6新世纪。培养液中锰离子的含量借助火焰石墨炉一体式原子吸收分光光度计测量，所使用的原子吸收分光光度计为天瑞仪器生产，型号：AAS 9000。

1.3 实验方法

将水葫芦先用自来水培养一段时间，选取长势相差不大的5株水葫芦，用自来水清洗根部，再用去离子水清洗根部五次，最后放在去离子水中培养一天。

利用硫酸锰作为水中锰离子的来源，分别配制3 mg/L、5 mg/L、7 mg/L和9 mg/L的含锰离子水作为水葫芦培养液，借助紫外-可见分光光度计测量锰离子的特征峰。以去离子水作为培养液的实验为空白实验，再将水葫芦放入250 mL的容器中倒入培养液并做好刻度线。

2 结果与讨论

2.1 利用紫外-可见分光光度计测量水中锰离子

利用硫酸锰作为水中锰离子的来源，探索利用紫外-可见分光光度计来检测水中锰离子含量[13-14]，经过多次测试，所配置的锰离子标准溶液的特征峰出现在361.8 nm。图1为不同溶度的水样在波长为361.8 nm处的吸光度，从图中可以看到，随着锰离子溶度的增加，对应的吸光度也逐渐增加，借助origin软件对数据进行线性拟合，可以得到吸光度与锰离子浓度之间的函数关系，如公式(1)所示：

图1 含不同Mn溶度水的吸光度测试曲线

Y=0.0111x+0.074

(1)

式中：Y为在波长为361.8 nm处的吸光度，Abs；x为水中锰离子的含量，mg/mL。

线性拟合的R2衡量拟合度，表达了因变量和自变量之间的关系，该值约接近1，表明拟合的结果与实验结果越相符。本文的R2为0.9916，表明拟合结果可信，本研究可以借助公式(1)快速的获得水中锰离子的含量。

2.2 水葫芦对锰离子的吸收特性

许多学者做了凤眼莲在重金属离子吸收方面的研究，但是很少研究凤眼莲对锰离子的吸收，该植物易得具有观赏性，在污水治理方面具有较大的应用前景[11，15]。图2为以配置的含锰离子的水作为培养液培养水葫芦的照片，从图2(a)可以看到，培养初期，水葫芦比较健康，叶子为绿色且舒展开来的。经过一段时间培养后，水葫芦出现中毒现象，叶子变黄和卷曲。

图2 水葫芦培养照片(a)培养初期，(b)培养后期

为了进一步表征水葫芦对锰离子吸收能力的确定，实验过程中每各两天取一次培养液，借助紫外-可见分光光度计获得361.8 nm处的吸光度，在通过公式(1)获得培养液中锰离子溶度，如图3(a)所示。经过14天培养后，培养液中的锰离子减少了许多，变化趋势与初始溶度相关。水葫芦吸收锰离子后，会富集在水葫芦枝叶和根系的细胞里面，本文将水葫芦烘干然后磨成粉末，经过消解和过滤后得到水样，再借助原子吸收分光光度计对水葫芦里富集的锰离子进行标定，测试结果如图3(b)所示，从图2可以看到，水葫芦中含有的锰离子不是随着培养液溶度的增加而一直增加，而是在7 mg/L达到最大值，水葫芦中含有的锰离子浓度最高为0.533 mg/kg植物干重，然后再下降。由此可见，不能为了增加对锰离子的去除率而一直增加培养液中的锰离子溶度。

图3 水葫芦在含锰水中培养实验结果，培养14天后培养中剩余的锰离子溶度(a)；培养14天后水葫芦中含的锰离子(b)

3 结 论

(1)借助紫外可见分光光度计，以361.8 nm处的吸光度简介测得水中锰离子的浓度，首先根据使用范围配置批量标准溶液，测得相应的吸光度，借助软件进行拟合，可以得到吸光度与锰离子溶度的函数关系。

(2)随着培养液中锰离子溶度的增加，水葫芦中富集锰离子的量先增加后减小，培养液中锰离子溶度为7 mg/L时，水葫芦中含有的锰离子浓度最高为0.533 mg/kg植物干重。培养液锰离子溶度继续增加时，水葫芦对锰离子的吸收能力反而降低。