全 文 ：江蓠藻渣及其膳食纤维对 Pb2+和 Cd2+吸附研究
杨　磊 1 , 刘生利 2 , 宋康丽 2 , 李思东 2 , 蔡　鹰2 , 梁广亮 3
(1广东海洋大学理学院 ,广东 , 湛江 524088;2广东海洋大学食品科技学院 ,广东 湛江 524088;
3廉江市台兴海洋生物科技有限公司 , 广东 廉江 524431)
摘要:江蓠提取琼胶后的藻渣如直接废弃将污染环境。江蓠藻渣中富含纤维素 、半纤维素和木质素 , 利用废
弃的藻渣提取膳食纤维进行高值化利用 ,不但可以解决环境污染问题 , 还可以变废为宝。本文研究了江蓠藻
渣及其膳食纤维对 Pb2+、Cd2+的吸附作用 , 探讨了 pH值 、温度 、吸附时间 、金属离子初始浓度等因素对其吸
附性能的影响。研究表明:藻渣粉末和经过酶法活化的膳食纤维在 pH=7时对 Pb2+、Cd2+的吸附能力最强 ,
吸附容量随着 Pb2+、Cd2+初始金属离子浓度的增大而增大。藻渣粉末和经过酶法活化的膳食纤维对 Pb2+、
Cd2+的吸附动力学和热力学分别符合 Lagergren方程二级吸附模型和 Langmuir吸附方程;单一金属溶液中藻
渣粉末和经过酶法活化的膳食纤维对 Pb2+的吸附量大于 Cd2+, 当金属离子浓度为 500 mg/L时 , 藻渣对
Pb2+和 Cd2+吸附量分别为:19.12 mg/g和 12.25 mg/g;膳食纤维对 Pb2+和 Cd2+吸附量分别为:21.93 mg/g
和 12.63mg/g。
关键词:江蓠;江蓠藻渣;吸附;重金属
中图分类号:S985.4　　　文献标识码:A　　　文章编号:1007-9580(2011)03-01-06
收稿日期:2011-05-18　修回日期:2011-06-08
基金项目:广东海洋大学 2010年创新实验资助项目
作者简介:杨磊(1961—),男 ,教授 ,主要从事天然高分子材料加工及海洋资源利用方面研究。 E-mail:yanglei2218@yahoo.com.cn
通讯作者:刘生利(1984—),女 ,硕士研究生 ,研究方向:水产品加工与贮存。 E-mail:316434881@qq.com
　　重金属镉(Cd2+)和铅(Pb2+)对人体及其他
生物的健康具有很大危害 。铅对神经系统具有毒
害作用 ,饮用水即使含有极少量的铅也会引起诸
如贫血 、肝炎等疾病 [ 1-4] 。据报道 ,当水中镉含量
超过 0.2 mg/L时 ,居民长期饮水可引起 “骨痛
病 ”。另外 ,镉对鱼类和水生物都能产生致死作
用 ,氯化镉对农作物生长危害也很大 ,灌溉水中含
镉 0.04 mg/L时可出现明显污染 ,水中镉浓度为
0.1mg/L时 ,就可抑制水体自净作用 [ 5-7] 。
琼胶主要从大型海藻 ———江蓠中提取 ,生产
上提胶后遗留的藻渣量十分惊人 ,平均每处理 1 t
江蓠产生 1.2 ～ 2.0t的凝胶状藻渣 ,严重污染环
境 。江蓠藻渣的加工利用不但可减少环境污染 ,
还可以变废为宝 ,提高江蓠的利用率 。江蓠藻富
含的膳食纤维 ,对体内 、体外 Cd2 +、Pb2+的清除效
果显著 [ 8-10] ,江蓠藻渣的纤维素含量达 40%以上 ,
半纤维素含量也达到 18%, 木质素含量约为
9%[ 11] ,它们对重金属有良好的吸附性能[ 12] 。本
文采用江蓠藻渣和膳食纤维吸附 Pb2+、Cd2 +,研
究其吸附机理 ,确定较优吸附条件和最大吸附量 ,
建立其吸附动力学和热力学模型。
1　材料与方法
1.1　原料与试剂
原料:新鲜江蓠残渣取自廉江市台兴海洋生
物科技有限公司 。
剂:氯化镉 , AR(广州化学试剂二厂);醋酸
铅 , AR(广州化学试剂厂);硝酸 , AR(广州化学试
剂厂);氢氧化钠 , AR(广州化学试剂厂)。
1.2　仪器设备
主要仪器设备:电子分析天平 , AUY120(日
本 SHIMADZU公司);原子吸收光谱仪 , Thermo
M6(美国 ThermoFisher科技有限公司);恒温摇
床(SKY-1120C,苏坤实业有限公司)。
1.3　试验方法
(1)江蓠藻渣的漂白 、酶法活化膳食纤维前
处理　江蓠藻渣※去杂※冷冻※40 ℃洗涤※挤
压脱水※干燥※粉碎※过 80目筛※得到粉末 1
1《渔业现代化 》2011年第 38卷第 3期　
(P1)※碱性 2%H2O2漂白(pH=8.5, 60 ℃, 3 h)
※干燥※粗制江蓠膳食纤维※45 u/g纤维素酶 ,
60 u/g木聚糖酶 50℃, pH4.9 ,活化 2h※干燥※
得到粉末 2(P2)
(2)pH值对 P1和 P2吸附 Cd2+和 Pb2+的影
响　量取 7份 50 mLPb2+、Cd2+溶液(500 mg/
L),分别置于锥形瓶中 。用 0.1mol/LHCl和 0.1
mol/LNaOH溶液依次调节 pH值分别为 2.0、
3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0,加入 1 gP1和 P2,在
摇床中恒温振荡反应 2.5h,温度为 25℃,振荡速
度为 100 r/min,反应后 4 000r/min离心 10 min,
取上清液稀释后采用火焰原子分光光度法进行测
定 ,使用公式(1)计算吸附率 。
吸附率 =(C0 -C)/C0 ×100% (1)
式中:C0 、C—分别为吸附前后反应溶液中 Pb2+、
Cd2 +浓度 , g/L。
(3)温度对 P1和 P2吸附 Cd2+和 Pb2+的影
响　采用试验(2)中吸附率最大的溶液 pH值 ,温
度分别为 25、 30、 35、 40、50、60 ℃,其它条件同
(2)。
(4)时间对 P1和 P2吸附 Cd2+和 Pb2+的影
响　采用试验(2)中吸附率最大的溶液 pH值 ,分
别在摇床中恒温振荡反应 10、 20、 30、 60、 150、
180、240 min,其它条件同(2)。
(5)初始金属离子浓度对 P1和 P2吸附 Cd2+
和 Pb2+的影响　分别量取 7份 50 mLPb2+、Cd2+
溶液 , 浓度为 100、200、 300、 400、 500、600、 700、
800、1 000mg/L置于一系列锥形瓶中 。采用上述
试验确定的 pH值 ,其它条件同(2)。
(6)吸附动力学　试验(4),以吸附量 Q对时
间 t的关系作图 ,可得到 Pb2+、Cd2+的吸附动力
学 Q—t曲线 。吸附容量测定:依下式(2)计算吸
附容量 Q:
Q=V(C0 -C)/W (2)
式中:V—金属离子溶液体积 , mL;W—吸附剂干
重 , g;C0—吸附前溶液中离子浓度 , mg/mL;C—
吸附后溶液中离子浓度 , mg/mL;Q—吸附容量 ,
mg/g。
(7)吸附热力学　试验(5),按公式(2)计算
吸附量 。以饱和吸附量 Qe对平衡时 Pb2+、Cd2+
浓度 Ce作图 ,可得到 Pb2+、Cd2+的吸附等温 Qe—
Ce曲线。
2　结果与讨论
2.1　pH值的影响
由图 1可知 , 在较低 pH值时 , P1、 P2对
Pb2+、Cd2+的吸附率相对于高 pH值的小。原因
是在 pH值较低条件下 ,溶液中 H+抑制了羟基 、
羧基氢的离子化 ,从而不利于金属离子的络合吸
附 ,对 Pb2+和 Cd2+的吸附率较低;随着 pH值的
升高 , P1、P2中的-COOH、-OH离解受到的抑制变
小 ,从而对 Pb2+、Cd2+的络合能力增加 ,吸附率增
大 。在相同的 pH条件下 , P1、P2对 Pb2 +的吸附
率大于对 Cd2+的吸附率 ,这一现象与杨贤庆等[ 8]
试验结论一致。 Pb2+、Cd2 +溶液在 pH8时就呈
现白色沉淀 ,故后续单因素试验选择溶液 pH=7
作为 Pb2 +、Cd2 +吸附的 pH值 。
图 1　pH值对 P1, P2的 Pb2 +、Cd2 +吸附率影响
　Fig.1　EfectofpHonadoptionrateofP1, P2
forPb2+ andCd2+
2.2　温度的影响
由图 2可知 , P1、P2对 Pb2+、Cd2+的吸附率
受温度的影响较轻微 ,随着温度升高 , Pb2 +的吸附
率是先增大后降低 ,而 Cd2+的吸附率呈增加的趋
势 ,原因可能是温度的升高促进了活性基团的吸
附反应 。
2.3　初始金属离子浓度的影响
由图 3可知 ,随着重金属 Pb2+、Cd2 +溶液初
始浓度的增大 , P1、P2对其的吸附率下降。这是
因为参加反应的金属离子初始浓度增大 ,增加了
金属离子与活性基团的接触几率 ,吸附总量增加 ,
而溶液中残留的金属离子也相应地增多 ,吸附率
呈下降的趋势。
2 《渔业现代化》2011年第 38卷第 3期　
图 2　温度对 P1 , P2的 Pb2+、Cd2+吸附率影响
Fig.2　EfectoftemperatureonadoptionrateofP1, P2 for
Pb2+andCd2+
　图 3　初始离子浓度对 P1 , P2的 Pb2+、Cd2+
吸附率影响
Fig.3　Efectofinitialionconcentrationonadoptionrateof
P1, P2 forPb2+andCd2+
2.4　吸附动力学分析
由图 4可知 , P1、P2吸附量曲线趋势基本一
致 , P2的吸附量相对较大。 P1、P2对 Cd2+的吸附
在 60 min时达到较大值 ,对 Pb2 +的吸附在 30 min
时就达到最大值 ,并且 P1、P2对 Pb2 +的吸附量较
Cd2 +大 。
用 Lagergren速率方程对吸附速率进行处
理 [ 13] 。
一级动力学方程线性表达式为:
lg(Qe-Q)=lgQe= k1
2.303t (3)
二级动力学方程线性表达式为:
t
Q=
1
k2Qe2 +
t
Qe (4)
图 4　P1, P2吸附 Pb2+、Cd2+容量曲线
Fig.4　CurveofadoptiondoseofP1, P2 forPb2+andCd2+
式中:t—吸附时间 , min;Q和 Qe—分别为吸附时
间 t和吸附平衡时的吸附量 , mg/g;k1—一级反应
速率常数 , 1/min;k2—二级反应速率常数 , g/(mg
· min)
利用图 4中的 Q—t曲线数据 ,分别以 lg(Qe
-Q)和 t/Qe对 t作图可得到图 5和图 6,同时可
获得 P1、P2对 Cd2+、Pb2+溶液的一 、二级吸附速
率线性方程。结合式(3),由此方程的斜率和截
距可分别计算出模型平衡吸附量 Qee以及一级吸
附速率常数 k1;结合式(4),由此方程的截距和斜
率可算出 Qee和二级吸附速率常数 k2。表 1列出
了 P1、P2对 Cd2+、Pb2+溶液吸附的一级和二级反
应动力学参数。
图 5　P1, P2吸附 Pb2+、Cd2+一级吸附速率模拟
Fig.5　Pseudofirst-orderkineticmodelofadoptionofP1, P2
forPb2+andCd2+
3《渔业现代化 》2011年第 38卷第 3期　
图 6　P1, P2吸附 Pb2+、Cd2+二级吸附速率模拟
Fig.6　Paeudosecond-orderkineticmodelofadoptionofP1,
P2 forPb2+andCd2+
由表 1可知 , P1、P2对 Cd2+、Pb2+溶液吸附
的二级模型的平衡吸附量 Qee更接近于试验数据 ,
且相关系数 R2均大于 0.98 ,这表明二级吸附机
制起主要作用。
2.5　吸附热力学
由图 5得初始离子浓度为 500 mg/L时 P1、
P2对 Pb2 +、Cd2 +的最大吸附容量(表 2)。其 P1、
P2对 Cd2+的吸附容量小于 Pb2+的吸附容量 ,即
Pb2+更易于与 P1、P2结合 ,这一现象与杨贤庆
等 [ 8]试验结论一致。 P2对两种金属离子的吸附
量都略大于江蓠藻渣 P1,且后续试验表明 P2较
P1更易于分散于水中 ,可能是过氧化氢处理后
P2表面极性改变所致[ 14] ,而且电镜观察显示 P2
表面疏松 、多孔 ,从而暴露更多的活性基团如羟基
等 ,结合更多的 Pb2 +、Cd2 +。
表 1　P1, P2吸附 Cd2+、Pb2+的动力学参数
Tab.1　ThekeniticparametersofP1, P2adorptionforPb2+andCd2+
金属离子 一级反应动力学Qe/mg· g-1 Qee/mg· g-1 k1 /min-1 R2
二级反应动力学
Qee/mg· g-1 k2 /g· (mg.min)-1 R2
Cd2+ P1P2
12.25
12.63
1.00
1.00
0.007 4
0.041 5
0.007 4
0.041 5
13.31
13.81
-0.251
-0.241
0.998 8
0.997 6
Pb2+ P1P2
19.12
21.93
0.99
0.98
0.535 6
0.034 0
0.535 6
0.034 0
19.35
21.94
0.013
0.016
0.998 8
0.996 0
表 2　P1, P2的 Pb2+、Cd2+吸附容量
Tab.2　AdoptiondoseofP1, P2forPb2+andCd2+
吸附剂 金属离子 吸附容量 Q/mg· g-1
P1 Pb2+Cd2+
19.12
12.25
P2 Pb2+Cd2+
21.93
12.63
图 7　P1, P2对 Cd2+、Pb2+的吸附等温线
Fig.7　TheadoptionisothermofP1, P2 forPb2+andCd2+
图 7以平衡吸附量 Qe对吸附平衡时的浓度
Ce作图所得 ,由图得随着 Pb2+浓度的增加 ,平衡
时的吸附量呈增加的趋势;P1, P2对 Cd2+的吸附
容量 ,整体也随浓度的增加而增大。
Langmuir等温式是进行吸附热力学描述的理
论依据 ,它描述的是一定温度的平衡状态下 ,溶液
中金属离子的含量 Ce与被吸附的金属量 Qe的关
系 [ 15-16] 。
Langmuir方程的线性化形式为:
Ce
Qe=
Ce
Qm +
1
KbQm (5)
式中:Ce—吸附平衡浓度 , mg/L;Kb— Langmuir常
数 , L/mg;Qm—单分子层饱和吸附量 , mg/g;Qe—
平衡吸附量 , mg/g。其中 , Qm和 Kb值可以从 Ce/
Qe对 Ce作出的图中的直线的截距和斜率计算出
来 。
4 《渔业现代化》2011年第 38卷第 3期　
图 8　P1, P2对 Pb2+、Cd2+等温吸附速率模拟图
Fig.8　Linerizationofisothermconstantofadoptionof
P1, P2 forPb2+andCd2+
由公式(5)Ce/Qe对 Ce作图得到图 8,由图 8
直线的截距和斜率分别计算 Langmuir常数 Kb和
Qm。由表 3中数据知 , Cd2+在较低浓度范围
14.66 ～ 691mg/L内和 Pb2 +在 2 ～ 550mg/L试验
浓度范围内的线性回归方程的相关系数 R2均在
0.9以上 ,说明该吸附过程符合 Langmuir型吸附 ,
表明 Pb2 +、Cd2 +与 P1、P2之间通过配位键形成络
合结构 ,发生单分子层吸附 。
3　结论
试验结果显示 ,藻渣粉末和经过酶法活化的
藻渣膳食纤维对 Pb2+、Cd2+的吸附动力学和热力
学分别符合 Lagergren方程二级吸附模型和 Lang-
muir吸附方程;当金属离子浓度为 500 mg/L时 ,
藻渣对 Pb2+和 Cd2+最大吸附量分别为 19.12mg/
g和 12.25mg/g;藻渣膳食纤维对 Pb2+和 Cd2+最
大吸附量分别为 21.93mg/g和 12.63mg/g。
表 3　P1、P2对 Pb2+、Cd2+等温吸附常数
Tab.3　TheadorptionisothermsconstantofP1, P2 forPb2+ andCd2+
吸附剂 Cd
2+
Qm/mg· g-1 Kb/L· mg-1 R2
Pb2+
Qm/mg· g-1 Kb/L· mg-1 R2
P1 15.36 0.298 9 0.965 2 23.53 0.039 3 0.992 9
P2 19.23 0.288 2 0.907 5 25.09 0.033 7 0.996 3
　　　注:T=25 ℃
◆
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(下转第 69页)
5《渔业现代化 》2011年第 38卷第 3期　
Estimationtoquantifythenegativeefecton
the“Low-CarbonFisheries” broughtbythewoodenfishingvesels
ZHANGzhu-li1, 2, 3 , ZHENGYi2, 3
(1 KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering, MinistryofAgriculture,
Shanghai200092, China;2 TheNationalSupervisionandTestingCenterofFisheryMachineryand
Instrument, Shanghai200092, China;3 FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,
ChineseAcademyofFisherySciences, Shanghai200092 , China)
Abstract:Accordingtothedataoffishingboats powerconsumptionandenergy-savingtechnologyduring
2008to2009providedbyFisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute, ChineseAcademyofFishery
Sciences, theestimationtoquantifythenegativeefectonourcountry s“low-carbonfisheries” broughtbythe
constructionandusageofthewoodenfishingveselsaregiven.Henceaconclusioncanbedrawn:thewood
usedforourcountry swoodenfishingvesselsisabout5 600×104 m3 , about42×104 hm2 forestgotde-
stroyed.Theconsumptionofcarbonsinkisabout1 680×104 t.Comparedtosteelvesels, 95×104 taddi-
tionaloilisusedupand81×104 tadditionalcarbonemisionsand297×104 tCO2 emissionsareincreased,
sincethehigherpowerconsumptionofwoodenfishingvessel, rating12% offishingvesselcarbonemision.
AdditionalCO2 emissionshavetobeabsorbedby1.2×104 mu(1mu=667 m2)forestwithin10 years.Based
ontheinvestigation, theconstructionandusageofwoodenfishingvesselhasalotnegativeefecttothedevel-
opmentofour“low-carbonfisheries”.
Keywords:woodenfishingvessel;forestcarbonsink;carbonemision;low-carbonfisheries
(上接第 5页)
StudiesonthePb2+andCd2+ adoptionof
gracilariaresidueanditsdietaryfiber
YANGLei1 , LIUSheng-li2 , LISi-dong2 , CAIYing2 , LIANGGuang-liang3
(1 ColegeofFoodScienceandTechnology, GuangdongOceanUniversity, Zhanjiang524088, China;
2ColegeofScience, GuangdongOceanUniversity, Zhanjiang524088, China;
3 LiangjiangTaixinOceanBiologicalTechnologyCo., Ltd, Liangjiang524431, China)
Abstract:Thegracilariaresiduefromagarprocessingwhichisrichincelulose, hemicelulosesandligninwil
causeenvironmentalpolutionifitisdirectlyabandoned.Extractingdietaryfiberfromtheresidueanditsutili-
zationofhighvaluecannotonlypreventenvironmentalpolution, butalsomaketheresiduebecomethevalued
resource.Inthisarticle, thePb2 +andCd2+ adoptionofgracilariaresidueanditsdietaryfiberwasstudiedto
determinedtheefectofpHvalue, temperature, reactiontimeandinitialionsconcentrationontheproperties
ofadoption.TheresultshowsthatgracilariaresidueanditsdietaryfiberhavethehighestCd2+ andPb2+ ab-
sorptionrateatpH=7, andabsorptionratedecreasewiththeincreaseofconcentrationsofinitialmetalsions.
TheadsorptionkineticsandadsorptionthermodynamicsaccordwithsecondaryadsorptionmodelofLagergrene-
quationandLangmuiradsorptionequation.Insinglemetalionsolution, thePb2+ adsorptionismuchstronger
thanCd2+.At500mg/Lionsconcentration, thePb2+ adsorptionoftheresidueanditsdietaryfiberare19.12
mg/gand21.93 mg/grespectively, andCd2+ are12.25 mg/gand12.63mg/grespectively.
Keywords:gracilaria;gracilariaresidue;adsorption;heavymetal
69《渔业现代化 》2011年第 38卷第 3期