CN101337731B - 一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，将植物马来眼子菜用甲醇和氯仿的混合液浸泡20-30小时后，清洗，烘干并粉碎制成吸附剂，用来吸附工业废水中的镉。本方法利用了水生植物独特的表面结构和特殊的化学成分，高效分离出工业废水中的镉，使得废水处理后其中的镉含量能达到排放标准。并且吸附后的材料还可通过焚烧获得生物矿砂用于回收镉，减少了矿产资源的浪费，实现了废水处理的资源化，对环境没有任何影响，因此，能产生良好的经济效益与环境效益，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物吸附分离技术，具体地说，是用沉水植物马来眼子菜分离提取工业废水中镉的方法。
背景技术
镉是日常生活中广泛接触的重金属，电镀、印染、制革、纺织及矿产品的采选、冶炼、加工等工业企业，每天都会排放大量的含镉废水，这些废水进入环境后不仅影响水生生物的生长，破坏水生生态系统，而且还可能通过食物链的富积与传递危害人类健康。重金属离子的沉积、氧化、还原、萃取、交换、渗透、吸附等方法和技术都已应用于水污染控制与治理。其中吸附法是已得到公认的一种方法，而活性炭则是最为常用的一种吸附剂，但成本太大，长期以来难于实施。因此寻找合理、廉价、高效、安全、环保的吸附剂已成为人们关注的焦点。
吸附是一种低能耗的固相萃取分离技术。生物吸附是指利用生物材料(活的，死的或它们的衍生物)分离水体中有毒污染物的方法。生物吸附剂是指具有选择性吸附并去除水体中有毒污染物能力的生物体及其衍生物。目前对生物吸附剂的研究大多集中在对微生物研究领域，以至于有人定义“生物吸附”为利用“微生物”去除水体中金属离子的过程。事实上，生物吸附剂还可以是有机物、动植物死的或活的生物体。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸附分离技术，将经过处理的水生植物马来眼子菜作为一种生物吸附剂吸附工业废水中的镉，本发明的方法可以最大限度地实现镉的高效吸附，能使废水中的镉含量达到排放标准，具有高效低耗的特点，克服了传统处理重金属废水方法的缺陷。
本发明的目的是通过下述方式实现的：
将植物马来眼子菜用甲醇和氯仿的混合液浸泡20～30小时后，清洗，烘干并粉碎制成吸附剂，用来吸附工业废水中的镉。
发明人研究发现，甲醇和氯仿的混合液的优选的体积比为1∶1.5～2.5。
甲醇和氯仿的混合液的最优选的体积比为1∶2。
工业废水中的镉初始浓度范围为0.35～49.2mg/L，废水的pH值为3～7。
吸附剂加入量按3.5～4.5g/L的比例加入到含镉的工业废水中。
吸附剂加入量按4g/L的比例加入到含镉的工业废水中。
将吸附剂加入到装有含镉的工业废水的吸附容器中，封闭，振动转速为100～120转/分，温度为5～40℃，吸附时间为20～60分钟。
将吸附剂加入到装有含镉的工业废水的吸附容器中，不封闭，振动转速为100～120转/分，温度为20℃，吸附时间为40分钟。
将吸附后的含镉生物吸附剂焚烧，然后获得生物矿砂，再通过酸浸出和电解，可以回收镉。
由于本发明采用甲醇和氯仿的混合液浸泡处理马来眼子菜，从而使制成的吸附剂能够更高效去除废水中的镉，使得含镉废水的处理能达到排放标准，该技术具有高效低能耗的特点，所以应用前景十分广阔。
所述的含镉工业废水进入吸附容器前，进行一些常规预处理，如过滤、调节pH值等简单的物理和化学方法。搅拌可采用摇床振动。
本发明较佳的实施方式为：本发明涉及的生物吸附剂是由马来眼子菜经甲醇和氯仿的混合液(V甲醇∶V氯仿＝1∶2)浸泡24小时后，再清洗、烘干、粉碎而获得的一种碎屑状物质；吸附方法采用静态处理法，将要处理的含镉工业废水输送至吸附容器进行吸附，吸附容器封闭，镉的初始浓度范围为0.35～49.2mg/L，振动转速为100～120转/分，废水的pH值为6，温度范围为5～30℃，吸附时间为40分钟。
从结构上来讲，植物材料都是由细胞构成，马来眼子菜也不例外，细胞则是由细胞壁和原生质体构成，植物体死后细胞的原生质体结构被破坏，但完整的细胞壁结构和一些复杂的有机物还存在。细胞壁将植物材料分成很多“小室”，形成很多微小的空间，水分和离子可以自由通过。细胞壁是由纤维素、半纤维素、果胶、糖蛋白等组成，含有大量的阴性基团并交织成网状，为金属离子的吸附提供了大量的空间。从成分上来讲，植物细胞中含有多种复杂有机物，其中主要的有多糖、核酸、蛋白质、多肽、氨基酸、有机酸、脂肪酸等等，它们的分子结构上都存在大量带负电荷的极性基团如羧基、巯基等，能吸附金属离子，所以在水溶液中能吸附并去除金属离子。植物材料不同，细胞壁的结构和成份也不同，细胞内的化学成份差别更大，尤其是蛋白质和多肽的种类差异很大，因此吸附金属离子的能力也不同，吸附金属离子的种类也不一样，因而表现出选择性吸附的现象。
发明人研究发现，马来眼子菜对镉具有强的吸附和积累能力，因此用来吸附分离工业废水中的镉。但是由于植物马来眼子菜中含有一些脂类物质，从而影响其对镉离子的吸附，为更有效地提高马来眼子菜的吸附能力，更利于其工业化应用，发明人针对此研究出，在所用马来眼子菜在使用前用甲醇和氯仿的混合液进行浸泡处理，以便去掉部分脂类物质，从而去除影响其吸附能力的一些障碍因素，极大地增强其吸附能力，提高其处理效率。而这种处理方式也是他人没有尝试过的。经脱脂处理的材料镉吸附能力提高了15-30％。
通过发明人研究所得到的经处理过的生物吸附剂，对镉的具有了更强的吸附能力。本发明可用于处理含镉浓度低于49.2mg/L的工业废水，对镉的去除效率达95％以上，能使废水中的镉能达到排放标准，具有高效低耗的特点，克服了传统处理重金属废水方法的缺陷。同时，该生物吸附剂无毒、无味，吸附后的废料还可以通过焚烧，获得生物矿砂，用于回收镉，减少资源的浪费，实现了废水处理的资源化，不产生二次污染，对环境没有任何影响。该生物吸附剂对温度、酸碱度、盐度的适应范围也很广，因此，本发明用于处理含镉的工业废水具有良好的经济效益与环境效益。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明，而不是对本发明的进一步限定。
实施例1：用马来眼子菜的新鲜材料(不破碎)处理CdCl2配制的人工废水。镉的初始浓度为379μg/L，模拟废水的pH值为5.5，吸附剂加入量按20g/L的比例，吸附容器封闭，在温度为25℃条件下，静置5小时。对镉的去除效率为90％，镉的回收率为87％。
实施例2：实施例1中，将马来眼子菜的新鲜材料改为用甲醇和氯仿的混合液浸泡处理过的马来眼子菜(不粉碎)，吸附剂加入量按4g/L的比例，镉初始浓度为346μg/L，其他条件不变。对镉的去除效率为99％，镉的回收率为94％。
实施例3：用马来眼子菜的干料(粉碎成碎屑状)处理CdCl2配制的人工废水。镉的初始浓度为243μg/L，模拟废水的pH值为5.5，吸附剂加入量按4g/L的比例，吸附容器封闭，振动转速为100～120转/分，温度范围为25℃，吸附时间为40分钟。对镉的去除效率为95％，镉的回收率为90％。
实施例4：实施例3中，将马来眼子菜的干料(碎屑状)改为用甲醇和氯仿的混合液浸泡处理过的材料(即新鲜马来眼子菜经混合液(V甲醇 ∶V氯仿＝1∶2)浸泡24小时后，再清洗、烘干、粉碎)，其他条件不变。对镉的去除效率为100％，镉的回收率为96％。
实施例5：实施例4中，镉的初始浓度为49.2mg/L，其他条件不变。对镉的去除效率为96％，镉的回收率为91％。
实施例6：实施例5中，所有条件都相同，分别用马来眼子菜的干料(碎屑状)和用甲醇和氯仿的混合液浸泡处理过的材料(碎屑状)同时进行吸附，没用甲醇和氯仿处理过的材料对镉的去除效率和回收率都较低，比用甲醇和氯仿处理过的材料分别要低26％和22％。
实施例7：实施例5中，吸附剂不粉碎，其它条件不变，对镉的去除效率为95％，镉的回收率为89％。
实施例8：实施例4中，吸附时间改为20、30分钟，其它条件保持不变，该生物吸附剂对镉的去除效率没有显著变化。
实施例9：实施例4中，pH值改为3、4、6或7，植物材料使用前不破碎，吸附时间为20分钟，其它条件保持不变，对镉的去除效率影响不显著。
实施例10：实施例4中，温度为5℃、10℃和30℃，分别吸附20分钟，其它操作条件保持不变，对镉的去除效率没有显著影响。
实施例11：实施例1中，取吸附后马来眼子菜，分析其中可溶态镉含量，发现可溶态镉占总镉的比例仅为11％，这说明大部分镉在马来眼子菜中都是以结合态形式存在的。
实施例12：实施例1中，取吸附后马来眼子菜在扫描电镜下观察，并加能谱分析，发现大部分镉都分布在靠近细胞壁的范围，表明镉主要吸附在细胞壁上或者细胞壁周围。
实施例13：实施例1中，取吸附后马来眼子菜，提取其蛋白提取液，并进行了凝胶层析，用紫外分光光度计和原子吸收分光光度计对层析液中的可溶性蛋白和镉含量进行分析，结果表明层析液中检测到的两个镉峰、一个蛋白峰，只有第一个镉峰与蛋白峰是吻合，这说明马来眼子菜中有一部分镉是与蛋白结合的，还有一部分镉则是与其他物质结合的。
Claims (8)
1.一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，将植物马来眼子菜用甲醇和氯仿的混合液浸泡20-30小时后，清洗，烘干并粉碎制成吸附剂，用来吸附工业废水中的镉；甲醇和氯仿的混合液的体积比为1∶1.5～2.5。
2.根据权利要求1所述的一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，甲醇和氯仿的混合液的体积比为1∶2。
3.根据权利要求1所述的一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，工业废水中的镉初始浓度范围为0.35～49.2mg/L，废水的pH值为3-7。
4.根据权利要求3所述的一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，吸附剂加入量按3.5～4.5g/L的比例加入到含镉的工业废水中。
5.根据权利要求4所述的一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，吸附剂加入量按4g/L的比例加入到含镉的工业废水中。
6.根据权利要求1所述的一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，将吸附剂加入到装有含镉的工业废水的吸附容器中，容器封闭，振动转速为100～120转/分，温度为5～40℃，吸附时间为20～60分钟。
7.根据权利要求1所述的一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，将吸附剂加入到装有含镉的工业废水的吸附容器中，容器口敞开，振动转速为100～120转/分，温度为20℃，吸附时间为40分钟。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种生物吸附剂去除工业废水中镉的方法，其特征是，将已吸附有镉生物吸附剂通过焚烧，获得生物矿砂，再通过酸浸出和电解，回收镉。
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