废啤酒酵母对水中cu22b的生物吸附

废啤酒酵母对水中Cu2+的生物吸附∗
李小娜,戴友芝，吴金钢，王海阳
（湘潭大学环境工程系，湖南湘潭 411105）
摘要：生物吸附法是一种以生物细胞(以微生物为主)或生物材料为吸附剂来处理重金属的新兴技术。

实验采用废啤酒酵母为吸附剂，考察其对水中Cu2+的生物吸附效果。

实验结果表明：废啤酒酵母生物吸附含Cu2+废水是一个快速吸附的过程，吸附反应在5~30 min基本达到吸附平衡；在偏酸性条件下有利于生物吸附，当pH=4~6时，吸附量达到最大；在一定范围内，对Cu2+的去除率随着废啤酒酵母投加量和Cu2+初始浓度的增加而升高至90%左右；吸附等温曲线符合Langmuir模型。

用废啤酒酵母吸附处理Cu2+工艺简单，成本低廉，吸附量大，处理效果好，具有良好的应用前景。

关键词：废啤酒酵母；废水处理；Cu2+；吸附
Adsorption of Cu（Ⅱ）from Aqueous Solution by waste beer
yeast
Li xiaona，Dai youzhi，Wu jingang，Wang haiyang
(Environmental Engineering of XiangTan University,HuNan XiangTan , 411105)
Abstract: Adsorption is an effective method of treating heavy metals from Aqueous Solution. A common adsorbent such as activated carbon which can adsorpt mutiple heavy metals simultaneously. Because of it’s high operating costs, difficulty in disposing of waste activated carbon, research and find out an new adsorbent becoming a new treatment approach.Biosorption is a emerging technology which uses biological cell (microbial-based) or biological materials as sorbent to deal with heavy metal. Waste beer yeast which is generated during production is cheap and easy to get. It is rich in functional groups and has a large specific surface area. Biosorption effects of copper ion by waste biomass of beer yeast were studied experimentally. The results show that: the biosorption of waste beer yeast reached equilibrium in 5 ~ 30 min; the optimum conditions are an initial pH of 4-6 in acidic conditions; in a certain range, the removal efficiency of Cu2+ increased to 90% with the enhancement of the waste beer yeast or the initial concentration of copper ion; the Langmuir model can describe the copper ion equilibrium data well.The theoretical maximum adsorption is 8.1085mg/g using waste beer yeast as adsorbent to adsorb Cu（Ⅱ）from Aqueous Solution in the case of pH is 5.5, dosage of the waste beer yeast is 10 g /L.Thus waste beer yeast can be used to remove copper ions from aqueous solutions for it’s simple, low cost and good effect.
∗基金项目：清水塘工业区入江废水中重金属减排和综合整治技术（2009ZX07212-001-03）。

联系人：戴友芝，电话：136****4398，E-mail：********************。

第一作者：李小娜（1986—），女，研究生。

Key words:waste beer yeast; waste water treatment; copper iron;adsorb 5
引言
Cu2+是人体必需的微量元素，但是过量的Cu2+会对人体造成伤害，并且由于Cu2+的不可降解性和能在生物体内逐级富集的特性，给环境和人体健康造成了极大的危害。

目前常用的处理方法有化学沉淀发、离子交换法、膜方法、吸附法等，吸附法作为一种处理重金属的有效方法，可以同时吸附多种重金属，常见的吸附剂如活性炭，其吸附容量大，但价贵，使用寿命短，操作费用高，废弃活性炭不易处置，研究和发展新型的吸附剂，成为治理重金属污染的一条新途径(1)~(3)。

废啤酒酵母是啤酒生产过程产生的废弃物，具有来源丰富，成本低，吸附速度快等优点，本文就废啤酒酵母吸附水中Cu2+的影响因素，包括吸附时间、pH值、废啤酒酵母水洗处理、废啤酒酵母添加量、Cu2+初始浓度等参数进行了分析，这些研究将为重金属废水处理生物吸附剂的开发提供参考。

1 实验材料及方法
1.1 材料
废啤酒酵母：取自湖南某啤酒厂，经水洗处理后，60℃烘干，粉碎机粉碎后过筛，保存于干燥器中备用。

1.2 实验试剂及仪器
主要试剂：CuSO4·5H2O用去离子水配成1g/L的储备液，后续实验所需浓度直接稀释即可；使用NaOH和H2SO4调节pH值。

主要仪器：WYX-9003原子吸收分光光度计；雷磁pH测定计
1.3 吸附实验
准确称取适量的废啤酒酵母于250 ml锥形瓶中，加入100ml一定浓度的Cu2+溶液，至于恒温摇床中振荡吸附。

反应结束后将水样过滤，检测滤液中Cu2+浓度，并计算吸附量或去除率。

1.4 测定及计算方法
铜离子浓度用原子吸收分光光谱仪测定。

生物吸附量
)
(
d
t
i
m
V
m
m
q
ρ
ρ−
=
=(1)
金属离子的去除率为
0t
0ρρ
ρη−
=(2)
其中：t为反应时间；m为质量；ρ为质量浓度；V为反应溶液体积；下角标0代表初始反应0时刻，i代表离子，d表示干啤酒酵母。

2 结果与讨论
2.1 反应时间对吸附的影响
在溶液pH 5.5，温度30℃，Cu 2+初始浓度20 mg/L ，废啤酒酵母添加量10 g/L 的条件下，考察不同吸附时间对Cu 2+吸附效果的影响，结果如图1所示。

图1表明，废啤酒酵母吸附Cu 2+是一个快速吸附的过程，经过5 min 的接触反应，去除率已接近最大去除率，即已基本趋于吸附平衡，之后随着时间的增加，吸附量的增加极其缓慢，当吸附时间为30 min 时，吸附量达到最大；而进一步延长吸附时间吸附量趋于平稳，去除率略有降低，这一现象是由于吸附时间过长，发生了脱附，故后续试验均取吸附时间30 min 。

图1 反应时间对吸附效果的影响 图2 初始pH 值对吸附效果的影响
Fig.1 Effect of contact time on the adsorption Fig.2 Influence of pH on the adsorption 2.2 pH 值对废啤酒酵母吸附Cu 2+影响
向Cu 2+初始浓度为20 mg/L 的溶液中加入1.0g 的废啤酒酵母，用NaOH 和H 2SO 4调节pH=1.5、2、3、4、5、5.5、6、7，放入振荡器中吸附30min ，测定反应结束后的Cu 2+剩余浓度，并计算其去除效率及吸附量，结果如图2所示。

溶液pH 是影响重金属离子吸附的一个重要参数。

由图2可知，啤酒酵母对Cu 2+的吸附效果受pH 值的影响很大。

当pH=1.5~2时，啤酒酵母对Cu 2+的去除几乎没有作用（吸附量为0）；当pH 值从3增至4时，吸附量随着pH 值的升高而急剧增加，去除率达到90.5%；当pH=4~6时，吸附量达到最大，并基本维持稳定；而此后随着pH 值的升高，吸附量出现降低，去除率下降至85%。

出现这种变化趋势的原因可能是由于pH 值偏小时，废啤酒酵母官能团中的质子很难解离，不能实现官能团与Cu 2+的有效结合而使得去除率较低；随着pH 值升高，溶液中H +浓度减小，使更多的吸附基团暴露出来，吸附量则增加；但当pH 值进一步升高，溶液中的OH -增多，OH -本身作为一个配位体可与Cu 2+形成沉淀，从而影响了啤酒酵母的吸附效果(3)~(5)。

由于配制的CuSO 4·5H 2O 模拟水样的pH 值为5.5，故后续实验中可以不进行pH 值的调节。

2.3 水洗对废啤酒酵母吸附效果的影响
溶液的初始Cu 2+浓度为20 mg/L ，分别准确称取经去离子水洗涤和未经去离子水洗涤的废啤酒酵母0.5 g 、0.75 g 、1.0 g 、1.25 g 、1.5 g 放入水样，振荡反应30min ，测定剩余Cu 2+浓度，结果如图3。

图3显示，经过水洗的废啤酒酵母的整体效果优于未经水洗的废啤酒酵母。

水洗后的废啤酒酵母投加量由0.5 g 增至1.0 g 时，吸附量逐渐增大，而再增加废啤酒酵母量，Cu 2+
q (m g /g )
q (m g /g )
的去除率则没有明显提升；未水洗的废啤酒酵母随着投加量的增加吸附量没有很大波动，随着投加量的增加去除率反而有所下降。

这可能由于未经水洗的废啤酒酵母中含有较多的杂质，减少了废啤酒酵母有效吸附成分对Cu 2+的去除，投加量增加，溶液中的杂质浓度也增大，对Cu 2+的吸附效果降低。

图3 水洗对酵母吸附效果的影响 Fig.3 Effect of washing on the adsorption
2.4 废啤酒酵母投加量对吸附效果的影响
分别准确称取过40目筛和80目筛的废啤酒酵母0.25 g 、0.5 g 、0.75 g 、1.0 g 、1.25 g ，加入初始Cu 2+浓度为20mg/L 的溶液中进行吸附实验，实验结果如图4所示 。

由图4可知，在Cu 2+浓度一定的条件下，体系中废啤酒酵母投加量由0.25 g 增至0.5 g 时，Cu 2+的去除效率迅速增加至90%以上；当废啤酒酵母投加量增至1.0 g ，去除率增长缓慢；再加大投加量至1.25 g ，去除率基本不变；随着啤酒酵母投加量的增加，单位质量的啤酒酵母的吸附量逐渐下降。

其原因可能是废啤酒酵母投加量的增加导致了吸附位点间的相互作用，因为啤酒酵母细胞的组成物质大多属两性基团，高浓度的情况会加大它们之间相互结合的几率，这就占据了一部分有效的吸附位点，造成单位质量的啤酒酵母对Cu 2+的吸附量降低(4),另一方面，废啤酒酵母投加过量，单位质量上存在不饱和吸附，使吸附量降低。

图4 废啤酒酵母投加量对吸附效果的影响
Fig.4 Effect of dosing quantity of the waste beer yeast on the adsorption
η/(%)
q /(m g /g )
2.5 Cu 2+浓度对吸附的影响
分别用不同浓度（10，20，30，40，50和60 mg/L ）的Cu 2+溶液在pH 为5，废啤酒酵母投加量为1.0g ，温度30℃的条件下吸附实验30 min ，实验结果如图5所示。

实验结果表明，废啤酒酵母投加量一定的条件下，当Cu 2+浓度为10 mg/L 时去除率为88%，在10~40 mg/L 范围内，去除率出现缓慢升高，达到92%，随着Cu 2+浓度的再升高，去除率开始降低。

随着Cu 2+浓度增加，单位重量酵母菌吸附量增大，在10~60 mg/L 范围内，吸附量从0.88 mg/g 增加到5.54 mg/g 。

在初始Cu 2+浓度(60 mg/L)条件下得到的酵母菌最大吸附量为5.54 mg/g ，这可能是因为初始Cu 2+浓度的增加导致Cu 2+与废啤酒酵母的吸附位点的碰撞几率增大，从而单位质量的废啤酒酵母的吸附量增大，但同时吸附量增长的强度比Cu 2+浓度增长的强度小，去除率降低。

图5 初始Cu 2+浓度对吸附效果的影响 图6 废啤酒酵母吸附Cu 2+的吸附等温线 Fig.5 effect of Cu(Ⅱ)concertration on the adsorption Fig.6 Isotherm curves of Cu(Ⅱ) onto waste beer yeast
2.6 吸附等温曲线
用Langmuir 吸附等温方程对图5的数据进行了拟合，结果如图6所示，从图1曲线可以看出废啤酒酵母对铜的吸附等温线呈接近直线的上升趋势， 初始溶液的铜离子浓度越高，吸附量越大，用Langmuir 吸附模型评价啤酒酵母的吸附行为，得剩余铜离子浓度C e 和吸附量q e 基本呈线性关系，拟合等温吸附方程为e
e
e C C q 133.01710.0+=
，相关系数R 2为0.9937，表明废啤酒酵母
对Cu 2+的吸附符合Langmiur 模型，pH 值为5.5的情况下，废啤酒酵母对Cu 2+的理论最大吸附量为8.1085 mg/g 。

3 结论
(1) 废啤酒酵母生物吸附含Cu 2+废水是一个快速吸附的过程，吸附反应在5~30 min 基本达到吸附平衡；偏酸性条件利于吸附反应的进行，吸附的最适pH 值为4~6。

(2) 啤酒酵母投加量在2.5~12.5 g/L 范围内增加，Cu 2+吸附量由6.19 mg/g 降至1.59 mg/g ；溶液初始Cu 2+浓度的在10~60范围内增加，Cu 2+吸附量由0.89 mg/g 升至5.55 mg/g ；
(3) Langmuir 吸附等温方程可以很好地描述废啤酒酵母对Cu 2+的等温吸附过程，拟合等温吸附
q e /(m g /g )
方程为e
e
e C 133.01C 710.0q +=
，pH 值为5.5，废酵母投加量为10 g/L 的情况下，废啤酒酵母对Cu 2+
的理论最大吸附量为8.1085 mg/g 。

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