环境科学研究  2018, Vol. 31 Issue (8): 1439-1449  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2018.06.02

引用本文  

陈利华, 王欣, 成家杨. 硅藻类粗多糖生物剂的制备及其对Cd2+的吸附性能[J]. 环境科学研究, 2018, 31(8): 1439-1449.
CHEN Lihua, WANG Xin, CHENG Jiayang. Preparation of Crude Polysaccharide Biological Agent from Diatom and Its Adsorption of Cadmium Ions[J]. Research of Environmental Sciences, 2018, 31(8): 1439-1449.

基金项目

海洋公益性行业科研专项(No.201305022);广东省自然科学基金项目(No.2014A030310326)
Marine Nonprofit Industry Research Subject, China (No.201305022); Natural Science Foundation of Guangdong Province, China (No.2014A030310326)

责任作者

王欣(1985-), 女, 海南临高人, 讲师, 博士, 主要从事海洋活性物质开发用于废水处理研究, wangxin@pkusz.edu.cn.

作者简介

陈利华(1984-), 女, 辽宁大连人, sweet060525@126.com

文章历史

收稿日期:2017-12-07
修订日期:2018-05-04
硅藻类粗多糖生物剂的制备及其对Cd2+的吸附性能
陈利华 , 王欣 , 成家杨     
北京大学深圳研究生院环境与能源学院, 广东 深圳 518055
摘要:为了考察粗多糖对Cd2+的吸附性能,采用不同方法(稀酸法、稀碱法及超声-冻融-加热法)由海洋硅藻提取粗多糖,并进一步揭示硅藻粗多糖对Cd2+的吸附潜力.通过对比不同方法下粗多糖的组分质量分数(总糖、蛋白质和硫酸基)及其对Cd2+的吸附量,筛选出优质的粗多糖吸附材料,利用FTIR(傅里叶变换红外光谱)和SEM(扫描电镜)浅析粗多糖对Cd2+的吸附机制,采用吸附动力学和吸附等温模型详细探讨其对Cd2+的吸附特性.结果表明:①超声-冻融-加热法比稀酸法、稀碱法所提取的粗多糖的总糖质量分数高,分别为31.39%(480 nm)、26.74%(490 nm);蛋白质杂质质量分数为7.09%,硫酸基质量分数为2.86%.②硅藻类细胞壁具有微孔结构,主要是由硅藻壳、多糖、蛋白质和脂肪组成,提取出的粗多糖表面均含有氨基、酰胺基、羰基、羟基等官能团,为其吸附重金属离子提供可能性.③超声-冻融-加热法在3倍体积乙醇沉淀时提取的粗多糖对Cd2+吸附量最大,为353.12 mg/g;该粗多糖对Cd2+的吸附更符合伪二级动力学模型,表明吸附过程有化学吸附参与;相比于Freundlich等温吸附模型,吸附数据更符合Langmuir等温吸附模型,表明该粗多糖对Cd2+的吸附主要为单层吸附.研究显示,利用超声-冻融-加热法提取出的硅藻粗多糖对Cd2+的吸附量为353.12 mg/g,是一种很有应用潜力的生物吸附材料.
关键词粗多糖    海洋硅藻    Cd2+    吸附    
Preparation of Crude Polysaccharide Biological Agent from Diatom and Its Adsorption of Cadmium Ions
CHEN Lihua , WANG Xin , CHENG Jiayang     
School of Environment and Energy in Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China
Abstract: Crude polysaccharides were extracted from mixed marine diatoms by different methods using dilute acid, dilute alkali and ultrasonic-thawing-heating respectively, and adsorption capacities of Cd2+ by those crude polysaccharides were investigated to reveal potential use of marine diatom crude polysaccharides for Cd2+ removal from aqueous solution. The optimal crude polysaccharides adsorption material was screened by comparing components (total sugar, protein and sulfate), while Cd2+ adsorption capacities of crude polysaccharides using different extraction methods. Mechanism of Cd2+ adsorption by the crude polysaccharides was simply analyzed by FTIR and SEM. The adsorption properties of the crude polysaccharides were fully analyzed by adsorption kinetics and adsorption isotherms. Results suggested that:(1) The total sugar content using ultrasonic-thawing-heating was 31.39% (480 nm) and 26.74% (490 nm), which was higher than that by dilute acid and dilute alkali methods. The protein impurity content was 7.09%, and the sulfate group content was 2.86%. (2)The diatom cell wall possessed porous structure and composed of silica frustule, polysaccharides, protein and lipid. The surface of extracted crude polysaccharide contained amino amide, carbonyl and hydroxyl groups which is able to provide an adsorptive possibility of heavy metal ions. (3) The crude polysaccharide obtained by ultrasonic-thawing-heating with 3 times volume of ethanol precipitation possessed the highest adsorption capacity of Cd2+, 353.12 mg/g. The kinetic process of Cd2+ adsorption on the crude polysaccharides was well fitted by the pseudo-second-order model, suggesting involvement of chemical adsorption. The isothermal adsorption properties of Cd2+ adsorption on the crude polysaccharides could be better described by the Langmuir isothermal adsorption model than by Freundlich model, indicating that the adsorption process of Cd2+ is a monolayer adsorption process. The maximum adsorption capacity of the crude polysaccharides extracted by ultrasonic-thawing-heating was 353.12 mg/g. Therefore, the crude polysaccharides of marine diatom would be a great alternative adsorbent for Cd2+ removal from water.
Keywords: polysaccharide    marine microalgae    Cd2+    adsorption    

海洋硅藻作为海洋浮游生物的主要类群,是海洋生态系统中主要初级生产者,其种类数和生物量在沿海水域浮游植物中一般都占80%以上,具有种类多、繁殖快、分布广等特点,是海洋硅藻多糖的主要来源之一[1].海洋硅藻粗多糖是海洋硅藻的生物活性物质之一[2],由多个相同或不同的单糖基通过糖苷键相连而形成的高分子碳水化合物[3].目前关于海洋微藻类藻多糖的研究远不及陆地植物和大型藻类[4-9],大多数以海洋硅藻为对象,开展硅藻多糖的抗肿瘤、抗病毒、抗辐射等活性方面的研究,包括羽纹藻、舟形藻等[10-13].近年来,硅藻作为一种新型的生物吸附剂被人们所关注,其对有毒及放射性重金属的吸收有高效、经济、简便、选择性好的优点,成为一种独特的吸附材料[14-15],开始应用于重金属废水的处理中,为重金属废水的处理提供了新的方法和工艺.

在对藻类吸附重金属离子的机理研究中,藻多糖被认为是主要的活性吸附物质.藻类细胞壁主要是由多糖、蛋白质和脂肪组成的网状结构,具有一定的负电荷,较大的表面积与粘性的高度选择性半透膜[16],这些结构决定了藻类对金属离子的吸附的可能性和选择性[17-18]. Raize等[19]对非活性马尾藻细胞壁上褐藻酸和硫酸多聚糖(结合重金属的主要成分)的研究发现,羧基、氨基、巯基、磺酸酯等化学基团通过螯合、离子交换、还原反应等与金属离子起作用.李建宏等[20]通过对极大螺旋藻富集重金属的机理研究发现,细胞外壁多糖对Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+的吸附量为藻体的8倍左右,说明藻细胞中多糖对4种离子起主要吸附作用.赵玲等[21]在通过对海洋原甲藻(Prarocentrummicans)吸附重金属离子研究发现,原甲藻中分离出来的多糖对金属的吸附量是藻体对金属吸附量的5倍,说明海洋原甲藻多糖对金属离子吸附起主要作用.

已报道的海洋硅藻多糖提取过程主要包括冷水或热水提取、稀酸、稀碱或稀盐溶液提取[22-25],添加有机沉淀剂(如乙醇等),离心去除蛋白及残渣,最后用冷冻干燥法获得粗多糖[26].随着对提取工艺的不断改进,出现一些新的提取工艺,包括酶辅助提取法、超声波辅助提取法、超临界流体萃取法、冻融破碎法及加压液体萃取法等[27],可以在浸取过程中使海洋硅藻干粉更好地溶解出多糖[28],提取细胞内多糖.这些方法在近些年的研究中常被用作提取前预处理.利用上述方法得到硅藻多糖为粗多糖,含有较多的核酸、蛋白质和少量的无机盐等杂质,需要进行下一步提纯[29].

Cd作为一种剧毒性物质,在自然界中以硫酸盐形式出现,其主要污染源来自于染料、电池、电镀、采矿、冶炼和化学工业等排放的废水. Cd进入人体后,在人体内累积,通过协同作用使进人体内的其他毒物的毒性增大,致使骨胳、消化道、血管发生病变,引起癌症、畸形、突变,日本的“痛痛病”是由于人体内Cd质量分数积累过多引起的.

该研究以海洋混合硅藻为试验对象,比较稀酸法(0.1 mol/L HCl)、稀碱法(0.1 mol/L HCl),超声-冻融-加热法(加热温度为90 ℃) 3种方法提取的粗多糖的提取率、总糖、蛋白质及硫酸基质量分数,以此多糖作为吸附剂吸附Cd2+.利用乙醇分级沉淀法进行提纯,获得不同组分粗多糖.在对其吸附特性研究的基础上,结合FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy, 傅里叶变换红外光谱)和SEM(Scanning electron micrograph, 扫描电镜),探讨其对Cd2+吸附机制,优选出最好的粗多糖生物吸附剂,以期为粗多糖生物剂去除水体中的重金属提供技术参考.

1 材料与方法 1.1 试剂与仪器

试验试剂:无水乙醇、氢氧化钠(粒)、无水葡萄糖、苯酚、硫酸钾、氯化钡、明胶、三氯乙酸、浓盐酸、浓硫酸,均为分析纯. Cd2+储备溶液(1 000 mg/L)是将其硝酸盐溶于去离子水中配制,其他质量浓度则由储备液稀释配得.需要配制试剂有1 mol/L HCl、0.5%明胶、1%氯化钡-明胶、3%三氯乙酸.

试验所用海洋硅藻藻粉由深圳市大鹏新区海洋微藻培养基地提供,该藻粉组成为约80%(细胞数比例)为角毛藻,其余20%为舟形藻、菱形藻、海链藻及茧形藻.

试验所需的仪器详见表 1.

表 1 试验仪器 Table 1 Experimental Apparatus
1.2 试验方法 1.2.1 样品预处理

将混合硅藻粉研磨,过粒径为47 μm滤筛,得到均匀的硅藻粉,用于后续试验的藻类来源.

1.2.2 硅藻粗多糖提取

分别用稀酸法、稀碱法、超声-冻融-加热法对混合海洋硅藻粉进行粗多糖提取,具体操作方法:①稀酸法,用0.1 mol/L HCl提取后离心获得上清液. ②稀碱法,用0.1mol/L NaOH提取后离心获得上清液. ③超声-冻融-加热法,将藻水混合液超声破碎90 min后,反复冻融4次,恒温90 ℃水浴加热,离心后收集上清液.

每种方法的料液比(g :mL)均为1 :30,反应4 h[30-32],4 000 r/min下离心20 min,将得到的上清液加热浓缩至原体积的1/4,去除溶液中的蛋白质,冷却至室温后,采用乙醇分级沉淀法进行提纯,乙醇体积设定为0.4、1、2、3、4、5倍,考察乙醇体积在提取过程中对粗多糖提取率的影响.将得到的沉淀物冷冻干燥,得到粗多糖干粉.

1.2.3 粗多糖提取率计算方法

粗多糖提取率为提取得到的粗多糖干粉质量相对硅藻干粉质量的百分比,即

$ w = {m_1}/{m_2} \times 100\% $ (1)

式中:w为粗多糖提取率,%;m1m2分别为粗多糖、硅藻粉的质量,g.

1.2.4 粗多糖组成成分分析

糖类物质遇到浓硫酸脱水生成糠醛或其衍生物,可与蒽酮试剂缩合产生蓝绿色物质.将蒽酮-硫酸试剂加入到粗多糖溶液中,溶液呈现蓝绿色,证明提取到的为多糖类物质[33].

1.2.4.1 总糖质量分数测定

采用硫酸-苯酚法测定样品的总糖质量分数[33-34],分别在480、490 nm两个波长测定吸光度.以葡萄糖质量为横坐标、吸光度为纵坐标,绘制标准曲线,根据标准曲线及换算因子计算样品总糖质量分数.

1.2.4.2 蛋白质质量分数测定

采用凯氏定氮法测蛋白质质量分数,粗多糖样品与浓硫酸和催化剂(K2SO4、CuSO4·5H2O)一同加入消解管内加热消化,使蛋白质分解,样品中的有机氮转化为氨与硫酸结全成硫酸铵.将消化液转入凯氏定氮反应器内,用0.1 mol/L HCl吸收后用已经标定过的NaOH溶液进行滴定[35].

1.2.4.3 硫酸基质量分数测定

采用硫酸钡比浊法测定硅藻多糖中硫酸基质量分数[24],以硫酸基质量为横坐标,吸光度为纵坐标.按标准曲线测定方法测定吸光度值(A360 nm),根据标准曲线及换算因子计算硫酸基质量分数.

1.2.5 吸附试验

配制一系列不同质量浓度的Cd2+溶液,25 ℃恒温下,180 r/min振荡,使体系达到平衡,取样时需要在4 000 r/min下离心5 min,用0.22 μm滤膜过滤,稀释到指定浓度后,采用ICP(电感偶合等离子体发射光谱仪)测定其金属离子质量浓度.

a) pH对吸附影响.配制一系列1 000 mg/L的Cd2+溶液,各取10 mL加入装有0.01 g的粗多糖10 mL离心管中.试验过程中保持pH恒定及吸附稳定,用0.1 mol/L HNO3或0.1 mol/L NaOH调节溶液pH使其在2.0~8.0之间.吸附条件:温度为25 ℃、转速为180 r/min、吸附时间为24 h.

b) 等温吸附试验.分别配置一定质量浓度梯度Cd2+溶液,各取10 mL加入装有0.01 g的粗多糖10 mL离心管中.吸附条件:温度为25 ℃、转速为180 r/min、吸附时间为24 h、pH为原溶液初始值.吸附完毕后,离心静置,吸取一定体积的上清液,过0.22 μm膜,采用ICP检测吸附前后溶液质量浓度.

1.2.6 数据分析与处理

研究中样品提取及测定均设置2个平行样,采用SPSS 11.5和Excel 2010、Origin 8.6软件进行数据分析和统计分析,P < 0.05表示显著差异,P < 0.01表示极显著差异.

经过某一时间t吸附剂对Cd2+的吸附量计算公式:

$ {q_t} = \frac{{({C_0} - {C_t})V}}{W} $ (2)
$ {q_{\rm{e}}} = \frac{{({C_0} - {C_{\rm{e}}})V}}{W} $ (3)

式中:qtt时间时吸附剂对Cd2+的吸附量,mg/g;qe为吸附平衡时吸附剂对Cd2+的吸附量,mg/g;C0CtCe分别为吸附时间为0、吸附时间为t、吸附平衡时, 溶液中吸附质的质量浓度,mg/L;V为溶液体积,L;W为吸附剂的质量,g.

2 结果与讨论 2.1 不同提取方法的粗多糖提取率

在以往的研究中,虽然对比了同一方法下,不同提取条件(温度、pH等)对粗多糖提取的影响,但仅仅对同一乙醇沉淀体积下得到的多糖结果进行对比[10, 17, 24].相比之下,该研究中考察了不同提取方法下,不同醇沉体积获得的粗多糖提取率,更充分全面反映了不同提取方法对粗多糖提取率的影响.从图 1可以看出,稀酸法或稀碱法提取的粗多糖总量均明显高于超声-冻融-加热法.这可能是由于稀酸和稀碱破坏硅藻的细胞壁结构,溶解出胞内的多糖,纤维素、半纤维素等物质,从而增加了多糖的产量[35].稀酸法提取的粗多糖提取率随着乙醇体积的增加大致呈先升后降趋势,在乙醇体积为2倍时,粗多糖提取率最大,为12.08%,但稀碱法、超声-冻融-加热法的粗多糖提取率随着乙醇体积的增加变化的显著性不明显(P>0.05).稀碱法在5倍无水乙醇体积下粗多糖提取率为13.99%,超声-冻融-加热法在5倍无水乙醇体积下粗多糖的提取率最高为5.78%,表明冻融过程促使细胞膜的疏水键结构破裂,增加了细胞的亲水功能,加热则进一步破坏硅藻细胞壁的纳米硅质结构,提高了提取率[36-37].

图 1 不同提取方法的粗多糖提取率对比 Fig.1 The comparison of crude polysaccaride extraction rate under different extraction methods
2.2 单位质量粗多糖成分分析

刘筱潇等[31]仅根据不同提取条件对粗多糖提取率的影响进行研究,筛选出3种硅藻多糖适宜的提取方法,未对每种粗多糖样品的多糖质量分数进行测定.戴军等[32]则仅以多糖提取率(粗多糖中的多糖质量分数)为评价指标,优化杜氏盐藻多糖的提取工艺,未将粗多糖提取率考虑在内.微藻生物质多糖的最终得率与粗多糖的得率及粗多糖中的多糖质量分数同时相关.因此,相比于以往的研究,该研究的结果更能明确反映出不同提取方法的优劣.

试验表明不同提取方法下,硅藻粗多糖的提取率、粗多糖间的成分可能存在差异,简单以多糖提取率为指标衡量提取方法的优劣比较片面.因此,该研究对不同粗多糖的总糖、蛋白质和硫酸基质量分数进行了比较分析.为了便于比较,在提纯过程中,均采用3倍无水乙醇沉淀获得的粗多糖为研究对象.

图 2(a)(b)分别为以葡萄糖为标准品,在490、480 nm下绘制的总糖标准曲线,所得的线性回归方程分别为y=7.533x-0.099 4(R2=0.996)、y=7.614 3x-0.135(R2=0.999 8).从图 3可以看出,在溶解出的多糖中,480 nm总糖质量分数要高于490 nm总糖质量分数.超声-冻融-加热法总糖质量分数最多,分别为31.39%(480 nm)、26.74%(490 nm).粗多糖总糖质量分数顺序为超声-冻融-加热法>稀碱法>稀酸法.

图 2 总糖和硫酸基质量分数测定标准曲线 Fig.2 Standard curve of determination total sugar content and sulfate group

图 3 不同方法提取的粗多糖成分比较 Fig.3 The comparison of polysaccharide components by different extraction methods

经测定,硅藻干粉的蛋白质质量分数为14.40%,说明硅藻干粉中含有一定量的蛋白质.如图 3所示,所有粗多糖样品均检测到蛋白质,质量分数依次为4.98%、6.21%、7.09%,与总糖质量分数呈相似趋势,即超声-冻融-加热法>稀碱法>稀酸法.

硫酸多糖(Sulfated polysaccharide)为多糖的硫酸化衍生物,是多糖分子链中单糖分子的部分羟基被硫酸基取代而形成的一类多功能活性物质[38-39].得到的线性回归方程为y=3.017 5x-0.002 4(R2=0.999 1)〔见图 2(c)〕.

图 3(a)所示,3种方法提取的粗多糖中硫酸基质量分数存在明显差异,质量分数分别为6.58%、1.65%和2.86%.表明稀酸条件使多糖中的硫酸基不受破坏,在碱性条件下硫酸基容易生成3, 6-内醚衍生物或发生Walden转化,导致硫酸基脱落[30, 40].

综合粗多糖提取率与单位质量粗多糖的成分结果计算出单位质量藻粉提取出的物质组成成分〔见图 3(b)〕.总体来看,稀酸法条件下单位质量藻粉获得的总糖量较高,顺序为稀酸法>超声-冻融-加热法>稀碱法.超声-冻融-加热法的单位粗多糖总糖质量分数较高,但由于其单位质量藻粉的粗多糖提取量较稀酸法或稀碱法明显更低,从而经过换算后单位硅藻干粉中总糖质量分数较稀酸法或稀碱法要低.蛋白质杂质质量分数呈相似的趋势,稀酸法条件下的蛋白质杂质质量分数较高,硫酸基质量分数的顺序为稀酸法>稀碱法≈超声-冻融-加热法.结果表明,稀酸法由单位质量硅藻干粉中提取的总糖质量分数和硫酸基多糖质量分数是最高的,但是添加额外的化学试剂一定程度上会降低粗多糖的纯度.酸性条件下某些多糖(糖苷键)发生降解或破坏,而在碱性条件下,粗多糖中的杂质较多,纯度下降.超声-冻融-加热法相比于其他方法具有优势[25-26].

2.3 粗多糖SEM测试分析

试验中对稀酸法、稀碱法、超声-冻融-加热法提取的粗多糖进行表面特征分析,结果见图 4.由图 4可见,硅藻粉表面结构破碎化严重,且多孔结构明显;温度过高破坏硅藻粉的表面结构.说明硅藻类细胞壁主要是由多糖、蛋白质和脂肪组成的网状结构.

图 4 3种提取方法下提取粗多糖的SEM图像 Fig.4 The SEM images of rude polysaccharides for three extraction methods
2.4 粗多糖FTIR测试分析

为了进一步分析海洋硅藻粗多糖提取过程中表面基团的变化情况,利用FTIR对稀酸法、稀碱法、超声-冻融-加热法用3倍乙醇体积沉淀提取的粗多糖,作红外光谱分析,结果如图 5所示.

图 5 3种提取方法下提取粗多糖的FTIR图谱 Fig.5 The FTIR images of rude polysaccharides for three extraction methods

稀酸法提取的粗多糖:位于480 cm-1处附近的峰为Si—O—Si弯曲振动,说明分子为有机硅化合物;在1 125~1 085 cm-1有吸收峰,说明C—O收缩振动,根据峰所在位置可能是二级醇、烯丙型三级醇、环三级醇;同理在1 429.31 cm-1和3 200~3 600 cm-1处有几个不明显的吸收峰,说明可能有—OH伸缩振动,但—OH面内变形振动在吸收位置与醇的类型、缔合状态、浓度有关;1 240 cm-1有吸收峰,表明分子中含有C=S伸缩振动,可能是硫代羰基;1 645.35 cm-1有一个吸收峰,说明中能含有2个C=S(醌)伸缩振动,且2个C=S在2个环上.

稀碱法提取的粗多糖:在1 080 cm-1附近的峰为Si—O伸缩振动, 说明该分子为有机硅化合物;1 800 cm-1(强)收缩振动如C=S与不饱和基共轭,可能为不饱和脂肪醛;在2 560 cm-1附近的峰,S—H键振动,可能为脂肪族硫醇.

超声-冻融-加热法提取的粗多糖:在1 070 cm-1附近的峰为Si—O伸缩振动;在2 560 cm-1附近的峰,含有—OH伸缩振动;在1 080 cm-1附近的峰,C—O收缩振动,可能是叔醇,根据峰所在位置可能是一级醇、烯丙型二级醇、环二级醇.

因此,这3种方法提取出的物质均为含有碳、氢、氧、少量氮、硫的多糖类含硅化合物.它们可提供氨基、酰胺基、羰基、羟基等官能团与金属离子结合,为藻类作用重金属离子提供吸附可能性和选择性.

2.5 吸附特性研究 2.5.1 3种提取方法

分别用稀酸法、稀碱法、超声-冻融-加热法在3倍乙醇沉淀时获得的粗多糖进行Cd2+的吸附试验.由图 6可知,吸附量随反应进行不断增加,30 min达到吸附平衡,吸附量分别为166.49、228.83、352.12 mg/g,通过比较可知,超声-冻融-加热法>稀碱法>稀酸法.根据SEM、FTIR结果显示,不同的提取方法得到的粗多糖含有的不同的官能团,其中含有的杂质也不同.稀酸法、稀碱法提取的多糖的糖苷键发生降解或破坏,不能提供更多的孤对电子与金属离子络合或离子交换,稀酸法提取多糖溶于反应溶液时,含有H+将与目标离子发生竞争吸附,使可参加吸附的活性吸附位点减少,影响金属离子的吸附容量;稀碱法提取得到的粗多糖中的杂质较多[25-26],其提取粗多糖溶于反应溶液后pH较高,金属离子与OH-离子生成沉淀,金属离子将处于被负离子包围的氛围中,不利于和吸附剂进行反应.因此,超声-冻融-加热法在3倍乙醇沉淀下获得的粗多糖对Cd2+吸附量要高于稀酸法、稀碱法,相对具有优势.

图 6 不同方法提取的粗多糖对Cd2+吸附量随时间的变化 Fig.6 The changes of Cd2+adsorption crude polysaccharides with time for differentextraction methods

对于超声-冻融-加热法,试验中亦考察了不同倍乙醇提纯后获得的粗多糖对Cd2+的吸附量(见图 7).因为不同倍数的乙醇体积沉淀获得的粗多糖的分子量不同[28],吸附量随着乙醇体积的变化呈现出不同的趋势,在3倍乙醇提取下获得的粗多糖对Cd2+的吸附量最大.

图 7 不同乙醇体积获得的粗多糖对Cd2+吸附量随时间变化 Fig.7 The changes of Cd2+adsorption with time for different ethanol precipitation volumes
2.5.2 pH对吸附量的影响

吸附过程中pH不仅影响吸附剂的表面电荷,而且影响金属离子的离子化和吸附剂活性位点上功能团的质子化[41]. pH较低,硅藻的细胞壁中的杂多糖中一些氨基,羧基硫酸基团被质子化[15],阻碍Cd2+对细胞壁的靠近,pH越低,其阻力越大,对Cd2+的吸附量越低.当pH从2增至3时,Cd2+的吸附量显著增大;当pH从3增至5时,随着pH的升高,会暴露出更多的吸附基团,且吸附剂表面带负电,有利于Cd2+的接近并吸附在细胞表面上[30, 42].因此,Cd2+的吸附量迅速增大,而pH>5时,总体有下降的趋势,可能是因为pH过高,金属离子在水中被各种阴离子包围,形成负电基团,不易被吸附.当溶液pH超过8.0时,在溶液中的大量Cd2+会以氢氧化物微粒的形式存在,从而吸附过程无法进行.但粗多糖作为吸附剂放入Cd2+溶液时pH为5左右,随着反应的进行,反应达到平衡后pH为10左右.

图 8 pH对Cd2+吸附量的影响 Fig.8 The effect of pH on Cd2+adsorption by crude polysaccharide
2.5.3 吸附动力学分析

伪一级动力学模型与伪二级动力学模型是两种常用的吸附动力学模型[43].伪一级动力学模型的假设是吸附位点的占据速率是与未被占据的吸附位点的数量成正比的.伪二级动力学模型的假设是吸附位点的占据速率与未被占据的吸附位点的数量的平方成正比.

伪一级动力学方程:

$ {q_t}/{q_{\rm{e}}} + \ln ({q_{\rm{e}}} - {q_t}) = \ln {q_{\rm{e}}} - {K_1}t $ (4)

伪二级动力学方程:

$ t/{q_t} = t/{q_{\rm{e}}} + 1/({K_2}{q_{\rm{e}}}^2) $ (5)

式中:qeqt分别为吸附平衡及t时刻的吸附量,mg/g;t为吸附时间,h;K1为伪一级吸附速率常数,h-1K2为伪二级吸附速率常数,g/(mg·h).

图 9可以看出,伪二级动力学模型拟合曲线与试验数据点非常吻合.由表 2可知,伪二级动力学模型的R2更接近于1,而且由该模型计算得到的理论平衡吸附量(361.01mg/g)与试验平衡吸附量(358.29 mg/g)基本吻合,证明超声-冻融-加热法提取出的粗多糖对Cd2+吸附动力学行为化学吸附(吸附剂与重金属离子之间的电子共价和电子交换).

图 9 粗多糖吸附Cd2+伪一级、二级动力学拟合曲线 Fig.9 The Pseudo-first-order kinetic model and Pseudo-second-order kinetic model for Cd2+ adsorption by crude polysaccharides

表 2 混合硅藻粗多糖对Cd2+动力学模型系数 Table 2 The fitting parameters of kinetic models for Cd2+ adsorption by crude polysaccharides
2.5.4 吸附等温分析

初始质量浓度可以提供金属离子克服水溶液与固体物质传质阻力的动力,因此初始质量浓度对吸附具有一定的影响.设置Cd2+初始质量浓度分别为100、200、400、600、800、1000 mg/L(见图 10).在相同的反应条件下,随Cd2+初始质量浓度的增大,粗多糖对Cd2+的吸附量逐渐增大,吸附速率逐渐降低[44].这是因为投加相同量的粗多糖,Cd2+初始质量浓度越大,与吸附剂接触的机会就越多,因此对Cd2+吸附量增大,吸附速率就越快,达到平衡所需时间就越短;对低质量浓度的Cd2+溶液,硅藻粗多糖表面可提供的吸附表面相对较多,且吸附速率可不受质量浓度的影响,但当Cd2+质量浓度较高时,其吸附速率就会受到限制,因此吸附速率随质量浓度的升高逐渐降低[34],Cd2+质量浓度为600 mg/L时达到最大值.

图 10 不同初始质量浓度下粗多糖对Cd2+吸附量的影响 Fig.10 The effect of polysaccharide under different initial concentrations on Cd2+adsorption

常见的吸附等温模型为Langmuir等温式〔见式(6)〕和Freundlich等温式〔见式(7)〕.

$ q = \frac{{{q_{\rm{m}}}b{C_{\rm{e}}}}}{{1 + b{C_{\rm{e}}}}} $ (6)
$ \frac{1}{q} = \frac{1}{{b{q_{\rm{m}}}}} \times \frac{1}{{{C_{\rm{e}}}}} + \frac{1}{{{q_{\rm{m}}}}} $ (7)
$ {q_{\rm{e}}} = {K_{\rm{F}}}{C_{\rm{e}}}^{\frac{1}{n}} $ (8)
$ \ln {q_{\rm{e}}} = \ln {K_{\rm{F}}} + \frac{1}{n}\ln {C_{\rm{e}}} $ (9)

式中:qm为最大吸附容量,mg/g;b为Langmuir的吸附平衡常数,可用于判别吸附过程的难易程度; qe为对应于平衡质量浓度(Ce)时的吸附量,mg/g;KF为Freundlich常数,L/mg;n为经验常数,一般来说,n大于1,当n介于2~10之间时表示吸附反应容易进行.

图 11可知,Langmuir等温吸附模型比Freundlich等温吸附模型拟合的相关系数较高,即用Langmuir方程模拟的效果较好,而用Freundlich方程模拟的结果较差.说明粗多糖对Cd2+吸附为单层吸附.

图 11 粗多糖吸附Cd2+的Langmuir、Freundlich等温吸附模型拟合 Fig.11 The Langmuir and Freundlich adsorption isotherm model fitting for Cd2+ adsorption
2.6 经济效益分析

吸附剂一定程度决定了吸附效能高低、反应快慢等关键因素,因此在选择吸附剂时,应选择具有良好的选择吸附性、较高的吸附容量、较大比表面积、优良的机械强度和热稳定性、材料来源广泛的吸附剂[45-49].粗多糖是吸附处理过程中被具有广泛应用前景的吸附剂,因此选择试验中提取的粗多糖和其他吸附材料进行吸附效果和经济效益对比分析(见表 3).

表 3 各类吸附剂材料对Cd2+吸附效果和经济效益分析对比 Table 3 Analysis of adsorption capacities and economic benefits for various Cd2+ adsorption materials

表 3表明,超声-冻融-加热法所获得的混合硅藻粗多糖生物吸附剂对Cd2+的吸附容量高于其他吸附剂,原因可能是该方法提取的粗多糖表面暴露更多的官能团,有较多的吸附位点,以及较强的表面电负性.因此,超声-冻融-加热法提取出的粗多糖可以作为一种优质的Cd2+的吸附剂.

3 结论

a) 超声-冻融-加热法单位质量粗多糖的总糖质量分数要高于稀酸法、稀碱法,其顺序为超声-冻融-加热法>稀碱法>稀酸法,超声-冻融-加热法总糖质量分数最多,分别为31.39%(480 nm)、26.74%(490 nm), 蛋白质杂质质量分数为7.09%, 硫酸基质量分数为2.86%.

b) SEM、FTIR结果可知,硅藻类细胞壁主要是由多糖、蛋白质和脂肪组成的网状结构,且有较大的表面积与粘性. 3种方法提取出的物质均为含有碳、氢、氧、少量氮、硫的多糖类含硅化合物.它们可提供氨基、酰胺基、羰基、羟基等官能团与金属离子结合,为藻类作用重金属离子提取吸附可能性和吸附的选择性.

c) 稀酸法、稀碱法、超声-冻融-加热法提取的粗多糖对Cd2+的最大吸附量分别为166.49、228.83和352.12 mg/g.超声-冻融-加热法提取下,不同体积乙醇沉淀获得的粗多糖对Cd2+的吸附能力不同,其中3倍乙醇沉淀提纯获得的粗多糖对Cd2+的吸附量最大,吸附动力学和吸附等温线分析结果表明,其对Cd2+吸附过程为单层化学吸附.

d) 从经济效益分析,超声-冻融-加热法提取的粗多糖吸附单位质量重金属成本低,制备步骤难度低,使用周期长,投加量少,吸附容量高等特点,在Cd2+吸附方面具有一定的应用潜力.

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