全 文 ：书污水处理
木莲木屑去除溶液中重金属的研究＊
李晓娜1，2，3 龙明忠4 田兴军1
(1．南京大学生命科学学院 南京 210093; 2．贵州师范大学中国南方喀斯特研究院 贵阳 550001;
3．贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地 贵阳 550001;
4．贵州民族大学党委宣传部 贵阳 550025)
摘 要 采用批量实验方法并引入 23 析因实验设计，研究 NaOH预处理的木莲(manglietia fordiana)木屑
去除水体中的铜、铅、镉的能力及特性，并通过分析 pH、初始重金属浓度、吸附剂投入量对吸附的影响来探寻
最佳吸附条件。研究结果表明，木莲木屑表面具有丰富的活性基团如羟基、氨基、羧基等，可能是其与重金属
离子进行离子交换的主要作用位点;它对单金属溶液中 Cu2 +、Pb2 +和 Cd2 +的吸附能力强，在 pH 5、初始重金
属浓度 1． 574 mmol /L、木屑投入量 10 g /L(+，+，－)的条件下达到最大吸附量，分别为 0． 262 0，0． 263 6 和
0． 216 6 mmol /g;木莲木屑成本低、量大、易获取、去除能力高，对 Cu2 +、Pb2 +和 Cd2 +具有较好的吸附特性，为
其进一步在重金属废水处理中的应用提供基础数据。
关键词 生物吸附 重金属 木莲木屑 析因实验设计
Heavy Metal Ｒemoval from Aqueous Solutions by Manglietia Fordiana Sawdust
LI Xiaona1，2，3 LONG Mingzhong4 TIAN Xingjun1
(1． School of Life Science，Nanjing University Nanjing 210093)
Abstract A 23 factorial experimental design and the batch experiments are conducted to investigate Cu2 +，Pb2 + and
Cd2 + removal from solutions by NaOH － pretreated manglietia fordiana sawdust and discover the optimum removal con-
ditions by analyzing the influences of pH，initial metal concentration and biosorbent dose on biosorption． The FTIＲ
results show that the functional groups (such as amino，hydroxyl and carboxyl)on the surface of the sawdust biomass
might be the main active sites where ion － exchange happens． On conditions of pH 5，initial metal concentration of 1．
574 mmol /L and biosorbent dose of 10 g /L(+，+，－) ，the maximum removal amounts reach 0． 262 0，0． 263 6 and
0． 216 6 mmol /g for Cu2 +，Pb2 + and Cd2 + respectively． Being low cost，in large quantity，easy to obtain and with
high biosorption capacity，NaOH pretreated M fordiana sawdust possesses nice characteristics on removing Cu2 +，
Pb2 + and Cd2 +，which provides basic data for removing heavy metals from urban effluents．
Key Words biosorption heavy metal Manglietia fordiana sawdust factorial experimental design
0 引言
重金属污染是水污染的一个重要方面，已经成
为世界性的环境问题［1］。传统的去除水体重金属
的方法包括活性炭吸附、离子交换、化学沉淀、膜滤
法、电化学法、反渗法等，但这些技术往往仅在重金
属浓度较低时有效，并且成本很高［2 － 4］。上个世纪
末，越来越多的研究者将目光转移至生物吸附方法
上来，主要因为它是以各种生物材料(如木质素、壳
质、生物残体、藻类、菌类等)来吸附废水中的重金
属离子，具有效率高、吸附量大、成本低、易操作等优
点［2，4 － 7］。本文采用三因子析因设计法，检验木莲
(manglietia fordiana)木屑废料对重金属铜、镉和铅
的吸附能力及吸附特性，有利于拓展木屑废料的应
用范围、变废为利，并最终为其在重金属废水处理中
的应用提供基础数据。
1 材料与方法
1． 1 吸附剂的处理
将木莲木屑用粉碎机粉碎后过筛，筛取直径在
0． 25 ～ 0． 50 mm之间的粉末，用去离子水反复冲洗。
将冲洗后的木屑粉末浸泡于 0． 5 mol /L的 NaOH溶
* 基金项目:国家重大水专项项目(2012ZX07204004 － 003) ，中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050204) ，国家自然科学
基金(41003037) ，贵州省科技支撑计划项目(黔科合 SY 字［2013］3144 号) ，贵阳市科技计划项目(筑科合同［2012103］82
号) ，贵州省科学技术基金(黔科合 J字［2009］2284 号)。
·1·
2014 年第 40 卷第 6 期
June 2014
工业安全与环保
Industrial Safety and Environmental Protection
液中大约 4 h 后，滤出木屑并用去离子水反复冲洗
去除残留的 NaOH。将碱处理过的木屑置于烘箱
中，于 45 ℃条件下烘干，最后将其装入密封干燥的
玻璃瓶中常温储存备用。
1． 2 傅立叶变换红外光谱(FTIＲ)实验
取 NaOH处理的木莲木屑材料 2 mg，与 200 mg
的 KBr一同放入玛瑙研钵中研磨并混合均匀，将混
合物倒入压模中均匀堆积，用压杆略加压使之完全
铺平;装配好后，在真空条件下缓慢加压至约 15
MPa，持续 1 min后即可得样品薄片。将所得到的薄
片置入傅立叶变换红外光谱仪(NEXUS － 870 型，美
国尼高力公司)测定系统中测定红外光谱数据。
1． 3 重金属溶液的制备
Cu(NO3)2、Pb(NO3)2 和 Cd(NO3)2 储备液分
别由 Cu(NO3)2·3H2O、Pb(NO3)2 和 Cd(NO3)2·
4H2O(分析纯)配制，而实验用溶液则由稀释相应的储
备液配制。配制溶液过程中，应用酸度计(PHS － 3C
型，上海虹益仪器仪表有限公司)测定溶液 pH值。
1． 4 析因设计及批量实验
本研究采用 23 析因实验设计(表 1) ，选择了溶
液 pH、重金属初始浓度和吸附剂投入量 3 个因素各
2 个水平(高水平用 + 1 表示，低水平用 － 1 表示)。
实验结果的统计分析应用软件 SPSS Version13 和
MINITAB Version15 进行。
表 1 木莲木屑去除水体重金属实验的 23 析因设计
因子 代码
水平
－ 1 + 1
pH值 pH 3 5
初始离子浓度(mmol /L) C0 0． 157
(0． 052)a
1． 574
(0． 525)a
吸附剂浓度(g /L) D 4 10
a:括号中的数字为混合实验中各重金属的初始浓度(mmol /
L)。
批量实验中，向 250 mL 的三角瓶中加入 100
mL溶液和吸附剂，在室温下以 150 r /min 的转速震
荡反应 12 h。利用微孔滤膜抽滤法将反应后的重金属
溶液分离出来，稀释后采用原子吸收光谱仪
(AA320CＲT型，上海分析仪器总厂)测定溶液浓度。
2 结果与讨论
2． 1 木莲木屑吸附剂的傅立叶变换红外光谱特征
生物吸附剂去除重金属的两个主要机理是:①
重金属离子与吸附剂表面活性基团(如羟基、羧基、
羰基、巯基等)之间的离子交换作用;②直接的物理
化学吸附现象;普遍认为前者是最主要的机理［8］。
据此，将 NaOH预处理的木莲木屑的红外光谱图(图
1)与其他木屑或木质素材料的红外光谱图对比后
发现，木莲木屑表面起主要吸附作用的可能是氨基
(3 500 ～ 3 200 和 1 508 cm －1)、羟基(3 500 ～ 3 200
cm －1)、羰基(1 599 cm －1)、羧基(1 460 cm －1)和膦
酸酯(1 159 和 1 080 cm －1)等基团［9 － 10］。
图 1 NaOH处理的木莲木屑的红外光谱
2． 2 单金属吸附量
从表 2 可以看出，木莲木屑对 Cu2 +、Pb2 + 和
Cd2 +离子的最大去除量分别为 0． 262 0、0． 263 6 和
0． 216 6 mmol /g，具有较高的吸附能力。3 种离子的
最大去除量均发生在 pH 5、初始重金属浓度 1． 574
mmol /L、吸附剂投入量 10 g /L(+，+，－)的条件
下。由于不同的重金属离子与吸附剂的亲和力不
同，因此即使在完全相同的条件下木莲木屑对 3 种
重金属的吸附能力仍然不相同。而亲和力则与重金
属离子的水化半径、电负性以及软度等特性相关。
表 2 NaOH处理的木莲木屑对
Cu2 +、Pb2 +和 Cd2 +离子的去除量
分组
因子
pH C0 D
平均去除量 /(mmol·g －1)
Cu2 + Pb2 + Cd2 +
1 － 1 － 1 － 1 0． 021 9 0． 039 5 0． 014 2
2 － 1 － 1 + 1 0． 012 1 0． 014 0 0． 009 5
3 － 1 + 1 － 1 0． 150 5 0． 149 9 0． 141 7
4 + 1 + 1 + 1 0． 109 1 0． 138 6 0． 080 6
5 + 1 － 1 － 1 0． 034 8 0． 037 5 0． 037 4
6 + 1 － 1 + 1 0． 013 4 0． 016 0 0． 015 7
7 + 1 + 1 － 1 0． 262 0 0． 263 6 0． 216 6
8 + 1 + 1 + 1 0． 142 6 0． 152 6 0． 131 9
将 NaOH处理的木莲木屑对 Cu2 +、Pb2 +和 Cd2 +
的最大吸附量与其他一些生物材料吸附剂进行对
比，发现木莲木屑的吸附能力虽然较部分吸附剂
(如活性炭、大型褐藻等)弱，但较很多真菌、细菌和
其他高等植物强。这说明，作为一种木材加工中产
生的废料，用 NaOH 处理的木莲木屑去除水体中
Cu2 +、Pb2 +、Cd2 +既经济又高效，是一种较有潜力的
生物吸附剂。
2． 3 单金属吸附的析因分析
·2·
经过对饱和模型的方差分析、Student’s t － 检
验、F － 检验，去掉没有显著统计学意义的主效应
和 /或交互效应;对简化模型进行方差分析、失拟检
验、残差分布检验后，去掉界外值，最后进行分析并
得到以下结论:影响木莲木屑对水体中任何一种重
金属(Cu2 +、Pb2 +或 Cd2 +)的去除量的最大条件因
子都是初始重金属溶液浓度，这与大部分重金属生
物吸附剂的研究结果相似［11 － 13］，主要原因是在浓度
较高的溶液中，吸附剂用来结合金属离子的活性位
点也相对更多［14］，因此重金属的去除量便更大(未
饱和状态下) ;由于 pH值能影响吸附质的化学特性
和吸附剂的表面特征［15］，所以 pH 对重金属去除的
影响也较大，并且在达到吸附饱和以前，吸附量随着
pH的增高而增大。
pH与初始重金属浓度之间、pH 和吸附剂投入
量之间、初始重金属浓度和吸附剂投入量之间均有
一定的交互作用(见图 2)。传统的吸附实验设计常
常忽略了条件因子之间的相互作用，但由于 pH 值
对吸附剂和吸附质的化学性质均会有所影响，而相
同 pH值条件下的不同的吸附质初始浓度亦会因吸
附剂浓度不同而呈现不同的吸附量(未达到吸附饱
和状态的情况下) ，因此在重金属生物吸附的实验
结果和讨论中必须考虑到条件因子的交互作用，引
入析因设计便可以解决以上问题。
2． 4 混合金属的去除量
NaOH预处理的木莲木屑对 3 种金属混合溶液
的去除量与各单金属溶液的去除量有显著差异
(P ＞ 0． 05，图 3)。与 Loac［16］的结果不同，本研究
中，在总金属浓度相等的条件下，加入另一种重金属
会显著降低木莲木屑对被测重金属的吸附量(P ＞
0． 05) ，这是由于不同金属离子之间对活性位点存
在竞争作用。事实上，混合金属吸附实验所得的总
吸附量大多情况下远远小于 3 种单金属的吸附量之
和，可能是不同重金属离子竞争吸附位点、离子和 /
或官能团之间的相互作用等的综合作用结果。总而
言之，虽然 NaOH处理的木莲木屑对单重金属废水
的处理能力较高，但对浓度优势不太明显的混合金
属废水的处理能力并不是很强。
3 结论
生物吸附法处理重金属废水已成为世界上公认
的水环境治理的有效方法，除了急需解决生物吸附
工业化的工艺问题以外，寻找优良的生物吸附剂也
是水治理的一个重要课题。本研究所选用的 NaOH
预处理的木莲木屑材料具有较好的去除重金属的特
性:表面具有丰富的活性基团如羟基、氨基、羧基等，
(a)Copper
(b)Lead
(c)Cadmium
图 2 木莲木屑吸附 Cu2 +、Pb2 +和 Cd2 +过程中
的交互作用(A － pH;B － C0;C －D)
可用以与重金属离子进行离子交换;对单金属溶液中
Cu2 +、Pb2 +和 Cd2 +的吸附能力较强，在 pH 5、初始重金
属浓度 1． 574 mmol /L、木屑投入量 10 g /L(+，+，－)
的条件下达到最大吸附量，分别为 0． 262 0、0． 263 6
和 0． 216 6 mmol /g;且其去除量大小受初始重金属
浓度影响最大，其次为溶液 pH 值;虽然其对浓度优
势不太明显的混合金属废水的处理效果不强，但其
量大、成本低、易获取、高效吸附 Cu2 +、Pb2 +、Cd2 +的
·3·
能力，说明 NaOH预处理的木莲木屑材料对单金属
或浓度优势较强的混合金属废水有着不错的吸附特
性，有潜力成为去除水环境中重金属污染的生物吸
附剂之一。
［实验条件(pH，C0，D) :1—(－ 1，－ 1，－ 1) ;
2—(－ 1，－ 1，+ 1) ;3—(－ 1，+ 1，－ 1) ;4—(－ 1，+ 1，+ 1) ;
5—(+ 1，－ 1，－ 1) ;6—(+ 1，－ 1，+ 1) ;
7—(+ 1，+ 1，－ 1) ;8—(+ 1，+ 1，+ 1) ］
图 3 木莲木屑对单金属溶液及混合金属溶液中
Cu2 +、Pb2 +和 Cd2 +的去除量散点
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作者简介 李晓娜，女，博士，副教授，山东招远人，主要从
事污水重金属处理和喀斯特环境生态方面的研究。
(收稿日期:2013 － 05 － 14)
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