全 文 ：均匀设计法在寻找汉氏菱形藻对
钯吸附最佳条件中的应用
赵逸云a＊　袁冬梅a 　王若南b 　鲍慈光a
(云南大学a 应用化学系;b 生物学系　昆明 650091)
关键词　汉氏菱形藻 ,钯 , 吸附 ,均匀设计
中图分类号:O614.122;Q949.27　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1000-0518(2003)11-1105-03
2003-02-24收稿 , 2003-07-02修回
云南省自然科学基金项目(2000B0005M)
通讯联系人:赵逸云 ,女 , 1957年生 ,教授 ,博士;E-mail:yiyunzh@public.km.yn.cn;研究方向:超声化学
藻类是各种重金属离子的有效吸附剂 ,富集系数可高达数百至数千倍 ,因而可用于废水处理[ 1] 。藻
类对重金属离子的吸附取决于许多物理 、化学和生物因素 ,如光 、温度 、吸附时间 、pH 值 、重金属离子的
质量浓度及化学形态 、有无共同离子 、藻的生长周期以及生理活性等 。本文利用均匀设计法[ 2]进行了汉
氏菱形藻(Nitzschia hantzschiana Rabh.)对Pd2+离子的吸附实验 ,研究了该藻的不同生长期 ,不同吸附
时间 、Pd2+离子浓度及 pH 值等对吸附效率的影响规律 。
Z-800 原子吸收分光光度计(日本日立)、EPMA-1600 电子探针(日本岛津)、LRH-250-G 光照培养
箱(广东省医疗器材厂),ASAP-2000型比表面测定仪(美国 Micromeritics公司)。所用试剂均为市售分
析纯 。
汉氏菱形藻(Nitzschia hantzschiana Rabh.),来自中国科学院水生生物研究所藻种库 ,培养基为该
藻种库提供的硅藻 1号(D1)培养基:每 100 mL 中含 NaNO3 12 mg , CaCl2·2H2O 2 mg , MgSO4·7H2O
7 mg ,K2HPO4 4 mg , KH2PO4 8 mg , NaCl 1 mg ,Na2SiO3·9H2O 10 mg ,1%柠檬酸高铁溶液 0.5 mL ,土
壤萃取液 2 mL ,A5溶液 0.1 mL 。培养条件:温度 25 ℃,光照强度 2 000 lx 。
取在 3 000 r/min离心 5 min后所得的一定量汉氏菱形藻(质量为 m),加入一定量的水 ,用 28 kHz
超声波处理 2.5 min ,使其分散为均匀的悬浮液 ,然后加入不同浓度的 PdCl2溶液 ,调整 pH 值 ,定容。在
25 ～ 27 ℃下置于摇床上避光振摇吸附一定时间 ,离心分离 ,取上清液用原子吸收光谱仪测定其 Pd2+离
子含量[ 3] 。藻的吸附量 Q按下式[ 4]计算:
Q=(c0-c)V
m
吸附量 Q 指每克藻上吸附 Pd2+离子的质量(g/g), c0为吸附前 Pd2+溶液的质量浓度(g/L), c 为吸附平
衡后 Pd2+溶液的质量浓度(g/L), V 为溶液的体积(L), m 为藻的质量(g)。
结果与讨论
吸附条件对 Pd2+离子吸附量及吸附效率的影响:均匀设计法是一种供多因素 、多水平实验用 ,可有
效地减少所需实验次数的实验设计法 ,本文采用 U ＊6 (64)表来安排实验 ,研究了汉氏菱形藻的不同生长
期 、吸附时间 、Pd2+离子的浓度及酸度等条件对汉氏菱形藻吸附效率的影响 ,实验方案及结果如表 1所
示。
最优条件的选取:用 Microcal Origin 5.0软件对实验结果中的吸附量进行多元线性回归分析 ,建立
数学模型:
Ln Y 1 =-6.182 7 +2.229(X 1)1/2 +0.042 3(X 2)1/2 +0.757 8Ln X 3 +17.474 X 4 (1)
第 20 卷 第 11 期 应 用 化 学 Vol.20 No.11
2003 年 11 月 　 　CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY　 　 Nov.2003
表 1　按 U＊6(64)表设计的实验方案及实验结果
Table 1　The U＊6(64)table and results of the experiments
No.
X 1
grow n
period/D
X 2
adsorption
time/h
X 3
[ Pd++] /
(g·L-1)
X 4
[ H+] /
(mol·L -1)
Y 1
Adsorpt ion quanti ty
Q/(mg·g -1)
Y 2
adsorpt ion
ef ficiency/ %
1# 6 4 0.105 0.25 7.59 28.69
2# 9 8 0.255 0.20 21.53 33.50
3# 12 12 0.055 0.15 8.32 60.00
4# 15 2 0.205 0.10 21.33 41.27
5# 18 6 0.005 0.05 1.26 99.87
6# 21 10 0.155 0.00 15.70 40.18
　　Based on 2 runs.
对所得数学模型(1)进行方差分析 ,得 F =4 027 ,因为 F(4 027)>F 0.01(4 ,1)(21.2),所以数学模型
(1)是可信的。
综合考察 4个因素 ,利用 Excel的规划求解功能 ,在实验范围内对方程(1)求极值 ,得最优条件为:
X 1=12 , X 2=6 , X 3=0.01 , X 4=0.16 ,即:生长期为 12 d ,吸附时间 6 h ,Pd2+质量浓度为 0.01 g/L ,H+
浓度为 0.16 mol/L。按此理论最优条件进行实验 ,实际所得吸附量为 2.57 mg/g ,与理论计算值相吻
合。
各因素对吸附效率影响的分析:将各因素从方程(1)中逐一删除后产生的偏回归平方和分别为:
Sc(234)=5.59 ,Sc(134)=5.71 , Sc(124)=0.27 ,Sc(123)=5.61 。因此 ,各因素对吸附量的影响大小顺序为:
X 3>X 1>X 4>X 2 ,即 Pd2+质量浓度>生长期>H+质量浓度>吸附时间 ,4 个因素对吸附量的影响都
是正向的 ,即随着吸附时间 、H+质量浓度 、生长期和 Pd2+质量浓度的增大 ,吸附量都有所增加 ,其中以
Pd2+浓度的影响最大。
Freundlich方程的导出:把吸附效率最高的 5#实验中的条件 X 1=18 、X 2=6 、X 4=0.05代入(1)式
中计算可得:Q =70.2[ Pd2+] 0.76 。可见 ,在所研究范围内 ,汉氏菱形藻对 Pd2+离子的吸附基本是物理
吸附 ,符合 Freundlich方程(1/ n =0.76),即随着质量浓度的增加 ,吸附量呈对数增长。这一结论与
Marios等[ 5]的发现相符。
图 1　钯/汉氏菱形藻的形貌
F ig.1　Morphology of Pd2+adso rbed on diatom
图 2　钯/汉氏菱形藻上的分布图
Fig.1　Distribution of Pd on dia tom(EP)
EP=electric probe
钯在藻上分布情况的表征:经测定 ,未吸附钯的汉氏菱形藻的比表面为 34 m2/g ,吸附了钯的汉氏
菱形藻的比表面为 21 m2/g 。吸附了 Pd2+离子的藻经甲醛还原后 ,用电子探针显微分析仪测定其上面
钯分布的均匀性 、颗粒尺寸和含量。结果(图 1 、图 2)表明 ,Pd粒子主要集中分布在汉氏菱形藻壁上 ,藻
细胞中间较少 ,钯的粒径在 1μm 左右 ,质量浓度最小的 5#实验所得的 Pd粒子粒度较小 ,分布较为均
匀。
1106 应 用 化 学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 20卷　
参　考　文　献
　 1　LIU Zhi-Li(刘志礼), LI Peng-Fu(李朋富).J Nanjing Univ(南京大学学报)[ J] , 1999 , 35(2):246
　 2　FANG Kai-Tai(方开泰).Unifo rm Design and Uniform Design Array(均匀设计与均匀设计表)[ M] .Beijing(北京):
Science Press(科学出版社), 1994:17
　 3　JIN Shan(金珊).Oil Chem Ind(石油化工)[ J] , 1999 , 28(9):626
　 4　Adamseng A W , Auth(著).GU Ti-Ren(顾惕人)T rans(译).Physical Chemistry on Surface(表面的物理化学)(2)
(下册)[ M] .Beijing(北京):Science Press(科学出版社), 1985:400
　 5　Tsezos M , Vilesky B.Biotech Bioeng[ J] , 1981 , 23:583
Application of Uniform Design in Adsorption of
Pd2+ Ion by Nitzschia hantzschiana Rabh.
ZHAO Yi-Yuna＊ , YUAN Dong-Meia , WANG Ruo-Nanb , BAO Ci-Guang a
(aDepartment of Applied Chem istry ;bDepartment of B iology ,
Y unnan University , Kunming 650091)
Abstract　Studies on the adsorpt ion of Pd2+ ion by Nitzschia hantzschiana Rabh., a diatom w ere carried
out.Uniform design w as used to arrange the experiment.The g row th period of diatom , adso rption time ,
concentration of Pd2+ and pH were found to have positive effects on the adso rption amount of Pd2+ on di-
atom.The optimum conditions are:the grow th period of diatom 12 days , adsorption time=6 h , [ Pd2+] =
0.01 g/L and [H+] =0.16 mol/ L.EPMA analysis showed that the diameter of the reduced adso rbed Pd
w as about 1μm.A mathematical model w as found to describe experimental data , that the adsorption fits to
Freundlich equation , Q =70.2[ Pd2+] 0.76.The adso rption amount of Pd2+on diatom increased logarithmi-
cally w ith the increase of Pd2+ concentration.
Keywords　Nitzschia hantzschiana Rabh , palladium , adso rption ,uniform design
1107　第 11 期 赵逸云等:均匀设计法在寻找汉氏菱形藻对钯吸附最佳条件中的应用