全 文 ：染料废水中含有多种具有生物毒性或“三致”
性能的有机物，可能造成水生生物群落的毁坏。合
成染料通常具有复杂的芳香分子结构，这些结构使
染料分子更加稳定，难于被生物降解。因此，染料废
水的有效治理对人类健康和环境保护都有着重要的
意义。处理染料废水的方法主要有絮凝沉降、离子
交换、膜处理、微生物降解和催化氧化等。虽然这些
方法已成功展示了对染料废水的处理效果，但大都
存在一定的缺点。吸附法是使印染废水脱色的简便、
有效的物化方法，常用的吸附剂为活性炭；但活性炭
存在价格高、再生困难等问题，限制其广泛应用。近
来，寻找来源广、性价比高的生物质吸附材料成为研
究者关注的领域。
水葫芦（Eichhornia crassipes Solm.）为多年生
漂浮水生草本植物，原产美洲，在世界大部分地区和
中国境内也有大量分布。近年来，人们常利用水葫
芦适应性广、抗逆性强、生长繁殖速率快等特点，将
其用于吸收富营养化水体中的氮、磷等营养元素，同
时也富集污染水体中的Cd、Pb、Cu等重金属以改善
水质。利用水葫芦干体对染料废水吸附的研究未见
报道。因此，试验以水葫芦干体作为生物吸附剂，研
究其对模拟染料废水中亚甲基蓝（MB） 的吸附性
能，从而为进一步研究吸附机理和固定化水葫芦干
体处理MB废水技术提供依据，并为利用植物吸附
剂治理染料废水提供参考资料。
1 试验部分
1.1 吸附材料的制备
水葫芦取自潮州市郊区。使用前先用自来水反
复浸泡冲洗，再用蒸馏水多次冲洗干净后，于80℃
烘箱中烘干至恒重，然后粉碎，过筛，分别得到0.850～
0.425、0.425～0.250、0.250～0.180、0.180～0.150mm
的颗粒，置于干燥器中备用。
1.2 仪器与试剂
FZ-102型植物粉碎机；Cintra10紫外可见分光
光度计；7700xICP-MS电感耦合等离子体质谱仪；
DZF-6020型真空干燥箱；pHS-3C型pH计。
亚甲基蓝，市售染料；其它试剂均为分析纯试剂。
1.2 试验方法
1.2.1 模拟废水的配制
准确称取亚甲基蓝1.00克，用蒸馏水溶解配成
1000mg/L的贮存液，使用时再按比例稀释成相应
质量浓度的溶液。不同初始pH的溶液通过调节浓
水葫芦干体对亚甲基蓝的生物吸附
邱 罡，林少敏，陈少瑾
（韩山师范学院环境化学应用技术研究所，广东 潮州 521041）
摘 要：以水葫芦干体为吸附剂将其用于模拟废水中亚甲基蓝（MB）的生物吸附，考察吸附时间、初始pH、水葫芦
干体投加量、干体粒径以及摇床转速等因素对MB的吸附影响。结果表明，MB初始质量浓度为50mg/L、溶液初始
pH为6.0、粒径0.425～0.250mm的水葫芦干体用量为0.5g/40mL、于(25±1)℃的恒温振荡摇床中以150r/min振荡
吸附反应120min后，吸附率可达76.5%。在一定范围里，吸附率随初始pH、干体投加量和摇床转速等增大而升高，
随干体粒径增大而降低。准2级动力学模型比准1级动力学模型能更好地描述水葫芦干体对MB的吸附过程；温度
升高，平衡吸附量减少。水葫芦干体对MB的吸附过程较好的符合Freundlich吸附等温方程。在水葫芦干体及其浸
出液中砷、镉、铅等常见的有毒重金属含量远远低于国标限量，所以将水葫芦干体做为吸附剂应用在染料废水处理
中，不会带入有毒金属物质。
关键词：水葫芦干体；亚甲基蓝；生物吸附
中图分类号：TQ424；X788 文献标识码：A 文章编号：1000-3770(2012)11-0039-004
收稿日期：2012-04-10
基金项目：潮州市科技引导计划项目（2012S11）
作者简介：邱 罡（1979－），男，硕士，助理研究员，从事环境污染物降解分析工作；联系电话：0768-2318853；E-mail：chiukang@hstc.edu.cn
第38卷 第11期
2012年 11月
水处理技术
TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT
Vol.38No.11
Nov.,201239
度0.1mol/L的HCl和NaOH的加入量实现。
1.2.2 静态吸附试验
准确称取一定量水葫芦干体置于锥形瓶中，加入
40mL不同浓度的亚甲基蓝溶液，用浓度0.1mol/L的
HCl和NaOH调节溶液初始pH。在（25±1）℃恒温
振荡摇床中以150r/min转速振荡吸附。一定时间后
取清液用光度法在亚甲基蓝最大吸收峰波长（668
nm）处测定。试验设置3个平行。
1.2.3 干体及其浸出液中重金属含量测定
参照国家环保标准HJ557－2010固体废物浸
出毒性浸出方法-水平振荡法，制备水葫芦干体浸
出液。于室温以120r/min水平振荡8h，静置16h
后，分离出滤液即浸出液，摇匀后进行分析，同时分
析浸出空白（蒸馏水）和原样品。利用电感耦合等离
子质谱仪测定水葫芦及其浸出液的重金属含量。
1.3 数据处理
吸附率(%)=(ρ0-ρt)/ρ0×100%； （1）
吸附量：Qt=(ρ0-ρt)V/W；Qe=(ρ0-ρe)V/W。 （2）
式中，Qt、Qe为 t时间和吸附平衡时水葫芦干体
对亚甲基蓝的单位吸附量；ρ0为溶液初始质量浓度；
ρt和 ρe分别为为 t时间和吸附平衡时溶液中亚甲基
蓝的质量浓度；V为溶液体积；W为水葫芦干体的干重。
2 结果与讨论
2.1 时间对亚甲基蓝吸附的影响及吸附动力学
40mL亚甲基蓝（MB）初始质量浓度为50mg/L
的溶液中水葫芦干体用量为0.5g、于（25±1）℃的
恒温振荡摇床中以150r/min转速振荡吸附反应，不
同吸附时间对MB吸附的影响如图1所示。
由图1可以看出，水葫芦干体作为吸附剂对水
中的MB有较好的去除效果。反应初期，干体对MB
的去除非常迅速；10min时的吸附率已超过 50%；
随后反应速率减慢，但吸附率仍缓慢上升，45min
后达到吸附平衡，吸附率保持在76%左右。故后续
试验均以45min作为反应时间。
在相同的时间间隔内，水葫芦干体对MB的吸
附随温度升高吸附率有所下降，如在15、25、35℃条
件下，45 min时相对应的吸附率分别为 87.3%、
75.9%和70.7%，随着温度的升高而吸附率有所下降
低，这和文献[1-2]中利用其它生物材料吸附水中染料
得到的结论相似，吸附率随温度升高而降低表明温
度能影响其解吸过程，且吸附由放热过程控制；但温
度从15℃升高到35℃，吸附率只减少了约17%，这
表明温度对水葫芦干体吸附MB的影响不大。
时间对吸附的影响可用动力学方程来预测。常
用于描述吸附动力学的数学模型有准1级动力学方
程和准2级动力学方程。其非线性形式分别为：
Qt=Qe(1-ek1·t)； （3）
Qt=k2·Q2e·t/(1+k2·Qe·t)。 （4）
式中，k1为准1级动力学方程速率常数；k2为准
2级动力学方程速率常数。
将25℃时得到的试验数据通过origin软件进
行非线性拟合，如图2和表1所示。拟合后的数据表
明，两种动力学模型与试验数据均有较好的拟合性，
但准2级动力学方程的相关数据要优于准1级动力
学方程。因此，水葫芦干体对MB的吸附动力学过程
更适合用准2级动力学方程来描述。
2.2 溶液初始pH对亚甲基蓝吸附的影响
固定其它反应条件，反应45min后，不同初始
pH（2.0～12.0）对MB吸附的影响见图3。由图3
可见，pH为2.0～9.0时，吸附率上升明显，对MB的
吸附率从48.5%相应升高到88.2%。而当pH从9.0
升至12.0时，吸附率也随pH上升而稍有增加，但变
图2 MB吸附动力学曲线
Fig.2 AdsorptionskineticscurvesofMB
0 20 40 60 80 100 120
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Q
/
m
g
g
t/min
0 20 40 60 80 100 120
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
/%
t/min
图1 时间对亚甲基蓝吸附的影响
Fig.1 EffectoftimeonMBbiosorption
准2级动力学模型
R2 R2 k2/(g·mg-1·min-1)
0.965 0.298 0.978 0.129
k1/min-1
准1级动力学模型
表1 准1级和准2级动力学模型参数
Tab.1 Pseudo-first-orderandpseudo-second-orderkinetic
modelparameters
水处理技术 第38卷 第11期40
化非常缓慢。
pH是影响生物吸附的重要因素，不仅影响生物
吸附剂的表面电荷、溶液中物质的电离程度以及吸
附剂活性位点官能团的解离，还直接决定着染料在
溶液中存在的形体结构[3]。当溶液初始pH较低时，
溶液中大量存在的水合氢离子可能使水葫芦表面带
正电荷，而MB是一种阳离子染料，在水溶液中是
以阳离子形式存在，造成两者间的静电引力减弱，从
而导致吸附率降低。随着溶液pH的升高，吸附剂表
面的负电荷增加，受静电吸引力的作用，MB的吸附
率逐渐增加。桔子皮、小麦壳对MB的吸附研究也
曾得出类似的结果[4-5]。鉴于上述试验结果，加之前
期试验测试的溶液初始pH为6.0左右；因此，后续
试验均未对溶液初始pH进行调节。
2.3 水葫芦干体投加量对亚甲基蓝吸附的影响
固定其它反应条件，改变水葫芦干体用量反应
45min后，比较用量多少（0.1～ .0g）对MB吸附
的影响，试验结果如图4所示。
由图4可知，MB浓度一定时，增大水葫芦干体
用量能有效提高吸附率。吸附剂用量从0.1g增加到
1.0g时，吸附率从66.5%升高到87.3%；但吸附量却
随着投加量的增加而减小，从 13.3 mg/g降低到
1.74mg/g。这是因为随着干体量的增加，吸附的活
性位点增多，能提高吸附率；但随着吸附趋于平衡，
同时单位质量的水葫芦干体上吸附 MB质量的减
少，所以会导致吸附量减小。综合上述因素，本试验
条件下选择的吸附剂用量为0.5g。
2.4 水葫芦干体粒径对亚甲基蓝吸附的影响
一般而言，吸附材料粒径越小其比表面积就越
大，吸附量也越大。从表2可以看出，其它条件不变
反应45min后，吸附量和吸附率随粒径的减小而略
微有些增加，但变化都不大。可见粒径减少不能大幅
度增加吸附位点，所以水葫芦作为吸附颗粒在
0.850～0.150mm时对吸附效果影响不大。Gong等[6]
在研究大头菜对MB的吸附时也获得类似的结果。
由于颗粒太小对吸附材料的粉碎、过筛以及吸附后
处理（吸附剂与吸附质的分离）均有所不利，所以试
验选用水葫芦干体的粒径为0.425～0.250mm。
2.5 摇床转速对亚甲基蓝吸附的影响
固定其它初始反应条件，改变摇床的转速，分别
设置为0、50、150、250r/min反应45min，考察摇床
转速对MB吸附的影响，结果见图5。
由图5可知，摇床转速的增大可以适当增加
MB的吸附率。这是因为振荡增加了水葫芦干体与
MB接触的几率，有利于吸附率的提高；但转速为0
时，吸附率也有14.7%以上，这可能与水葫芦干体经
过研磨后有相对较大的比表面积，在水溶液中易与
MB接触而发生吸附有关。因此在推广该技术，大规
模利用水葫芦干体吸附MB时，可考虑采取低速搅
拌，以节约能源。
2.6 平衡吸附研究
固定其它反应条件，在不同初始质量浓度（5、
10、20、40、50、80mg/L） 的MB溶液中加入水葫芦
图5 摇床转速对亚甲基蓝吸附的影响
Fig.5 EffectoftheshakersrotatingspeedonMBbiosorption
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
/%
/rmin
0 50 150 250
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
/%
pH
图3 初始pH对亚甲基蓝吸附的影响
Fig.3 EffectofinitialpHonMBbiosorption
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
/g
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Q/
m
g
g
/%
图4 水葫芦干体投加量对亚甲基蓝吸附的影响
Fig.4 EffectofamountsofEichhornia crassipes Solm.
onMBbiosorption
表2 水葫芦干体粒径对亚甲基蓝吸附的影响
Tab.2 Effectofparticlesizeonbiosorption
粒径/mm 吸附量/(mg·g-1) 吸附率/%
0.850～0.425
0.425～0.250
0.250～0.180
0.180～0.150
2.84
3.04
3.49
3.59
70.9
76.0
87.1
89.7
邱 罡等，水葫芦干体对亚甲基蓝的生物吸附 41
干体反应45min，考察吸附热力学过程。
常用来描述固-液系统中等温吸附过程的等温
吸附方程有Langmuir和Freundlich两种模型，其线
性表达式分别如式（5）和式（6）所示[7]。
Qe-1=Qm-1+KL-1·Qm-1·ρe-1。 （5）
式中，Qm是最大吸附量；KL是Langmuir吸附平
衡常数。
lgQe=lgKF+n-1·lgρe。 （6）
式中，n、KF是Freundlich吸附平衡常数。
水葫芦干体对MB的吸附等温数据见表3，分
析表明，水葫芦干体对MB的吸附符合Freundlich
方程，而与Langmuir方程存在偏差。
2.7 水葫芦干体及浸出液中重金属含量
粘土[8]、钢渣[9]、粉煤灰[10-11]等工业废弃物或天然
矿物也能吸附印染废水中染料，并具有较好的效果。
但这些物质中含重金属污染物易发生二次污染[12]。
为确定在水环境中广泛存在的水葫芦及其浸出液是
否具有毒性，会不会在吸附染料过程中带入其他金
属物质，试验对水葫芦干体颗粒及其浸出液进行了
重金属含量分析，结果见表4。可见水葫芦干体及其
浸出液中砷、镉、铅等重金属含量都远低于国家危险
废物鉴定标准（GB5085.3－2007）中重金属含量浓
度限制。同时也远远低于国家纺织染整工业水I类
水质污染物排放标准中对铬0.5mg/L、铜0.5mg/L
的限制。由此可以确定水葫芦作为吸附剂不会带入
有毒金属污染物。
3 结 论
水葫芦干体作为生物吸附剂，可有效吸附去除
水中的MB。当MB初始质量浓度为50mg/L、溶液
初始pH为6.0、粒径0.425～0.250mm水葫芦干体
用量为 0.5 g/40 mL、于（25±1）℃的恒温振荡摇床
中以150r/min振荡吸附反应120min后，吸附率可
达76.5%。
在一定范围里，初始pH的升高、干体投加量的
增加、干体粒径的增大以及摇床转速的增高都会导
致水葫芦干体对MB吸附率的升高。
对水葫芦干体吸附MB的过程建立动力学、热
力学模型发现：准2级动力学模型比准1级动力学
模型能更好地描述水葫芦干体对MB的吸附过程，
温度升高，平衡吸附量减小；吸附过程能较好的符合
Freundlich吸附等温方程。
水葫芦干体及其浸出液中砷、镉、铅等常见重金
属含量远远低于国家危险废物鉴定标准（GB
5085.3－2007） 重金属含量浓度限度以及国家纺织
染整工业水I类水质污染物排放标准。所以将水葫
芦做为吸附剂应用在染料废水处理中，不会带入有
毒金属物质。
参考文献：
[1] GulnazO,KayaA,DincerS.Thereuseofdriedactivatedsludgefor
adsorptionofreactivedye[J].JournalofHazardousMaterials,2006,
134(2):190-196.
[2] Ozer A, Akkaya G, Turabik M. Biosorption of acid blue(AB290)
andacidblue324(AB324)dyesonSpirogyrarhizopus[J].Journalof
HarzardMaterials,2006,135(2):355-364.
[3]贾海红,王学松,韩宝平.壳聚糖吸附酸性品红的平衡及动力学研
究[J].环境工程学报,2011,5(8):1800-1804.
[4]范琼,张学亮,张弦,等.桔子皮对水中亚甲蓝的吸附性能研究[J].
中国生物工程杂志,2007,27(5):85-89.
[5] YaseminBulut,HalukAydm.Akineticsandthermodynamicsstudy
ofmethyleneblueadsorptiononwheatshells[J].Desalination,2006,
194:259-267.
[6] R Gong, X Zhang, H Liu, et al. Uptake of cationic dyes from
aqueous solution by biosorption onto granular kohlrabi peel[J].
BioresourceTechnology,2007,98:1319-1323.
[7]蒋新宇,黄海伟,曹理想,等.毛木耳对Cd2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+生物吸
附的动力学和吸附平衡研究 [J].环境科学学报,2010,30(7):
1431-1438.
[8]尹奋平,何玉凤,王荣民,等.粘土矿物在废水处理中的应用[J].水
处理技术,2005,31(5):1-6.
[9]谢复青,李建章.钢渣吸附-高温再生处理活性翠蓝染料废水[J].
化工技术与开发,2006,35(9):42-44.
[10]王静,李玉江,张晓瑾.粉煤灰去除水中活性紫KN-B[J].山东大学
学报:工学版,2006,36(6):100-103.
[11]LLi,SWang,ZZhu.Geopolymericadsorbentsfromflyashfordye
removalfromaqueoussolution [J].JournalofColloidandInterface
Science,2006,300:52-59.
[12]陆朝阳,沈莉莉,张全兴.吸附法处理染料废水的工艺及其机理研
究进展[J].工业水处理,2004,24(3):12-16.
表4 水葫芦干体及浸出液的重金属含量
Tab.4 ThemetalconcentrationofEichhornia crassipes Solm.
andit,slixivium
重金属 原材料/(mg·kg-1) 浸出液/(mg·L-1)
Cr
Mn
Ni
Cu
As
Cd
Pb
1.67
134.56
0.73
0.91
0.10
0.02
0.28
0.06
1.64
0.19
0.03
未检出
未检出
未检出
表3 Langmuir和Freundlich模型吸附等温常数
Tab.3 IsothermconstantsofLangmuirandFreundlichmodels
Freundlich
Qmax/(mg·g-1)KL/(L·mol-1) n KF/(L·g-1) R2
15.87 0.019 0.718 1.269 0.392 0.981
R2
Langmuir
（下转第46页）
水处理技术 第38卷 第11期42
DESIGNMETHODSOFTHEBACKWASHCYCLEOFCERAMICMEMBRANCEDIVICE
DengFeifan,WuKehong,LvDan,LuZhao,MaYiwei,ShenTong
（PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China）
Abstract:Duringtheoperationoftheceramicmembrancedevice,regularbackwashforthemembranceunitsisrequired,soastoensurethequalityand
quantityoftheprocessedwaterandtolengthenthemembranceunitslife.Thisarticlestartedfromconstantfluxfiltrationandconstantpressurefiltration,
withmaximum water permeabilityand economicefficiencyastheir goal respectively,considered thevalueofthebackwash cycleobtained in practical
experiment,proposed the computation and definition of the optimum value of backwash cycle under the condition of the proper functioning of the
ceramicmembrancedevice.Theresultsofthisarticlecanbeareferenceinpractice,andwillbeusefulinoptimizingtheoperationandinstructingcontrol
automationoftheceramicmembrancedevice.
Keywords：ceramicmembrance;cycleofbackwash;constantpressurefiltration;constantfluxfiltration
件的使用寿命，对于系统的正常高效运行十分重要。
在恒压操作中，最佳的反冲洗周期 t1可以以取
得系统最大有效透水率为最终目的，通过建立函数
关系式计算而获得，再结合试验，选择每次冲洗前膜
通量都在 Qmin以上，冲洗后膜通量都能恢复到 Q0以
上的试验组，确定最佳值 t1，最终的反冲洗周期取
t=min{t1，t1}。
在恒通量操作中，最佳反冲洗周期可以以取得
系统最大经济效益为最终目的，建立函数关系式计
算获得。
本文计算所得的最佳反冲洗周期为理论值，可
作为实际应用中的参考。确定陶瓷膜的最佳反冲洗
周期有利于实现膜设备的优化运行，指导膜设备的
自动化控制。
参考文献：
[1] Smith P, Vigneswaran S, Ngo H H, et al. Design of a generic
control system for optimising back flush durations in a submerged
membranehybridreactor[J].JMembrSci.,2005,255:99-106.
[2]刘文峰,杨凤林,柳丽芬,等.一种确定超滤在线反冲洗周期的新方
法[J].膜科学与技术,2009,29(1):13-18.
[3]樊耀波,王菊思,姜兆春.膜生物反应器中膜的最佳反冲洗周期[J].
环境科学学报,1997,17(4):439-444.
[4]杨文贵,吴克宏,丁志斌,等.纳米级陶瓷膜通量衰变实验研究[J].
净水技术,2004(2):7-9.
[5]李会海,郝晓地,陈新华,等.污水直接膜过滤中操作方式对膜通量
的影响[J].水处理技术,2007,33(5):67-70.
BIOSORPTIONOFMETHYLENEBLUEDYE(MB)INWASTEWATERBYDIRED
EICHHORNIA CRASSIPES SOLM.BIOMASS
QiuGang,LinShaoming,ChenShaojin
（Research Institute of Environmental Chemistry and Technology, Hanshan Normal University, Chaozhou 521041, China ）
Abstract:The driedEichhornia crassipes Solm. biomass was used as a biosorbent for the removal of methylene blue dye (MB) from in simulated
wastewaterundertheexperimentalconditions,suchascontacttime,initialpH,sorbentdosage,particlesizeandshakersrotatingspeed.Resultsshowed
thatMBinthewatercouldberemovedupto76.5%atpHvalueof6.0, biosorbentdosageof0.5g/40mL, particlesizeof0.425～0.250mm, hak rs
rotatingspeedof150r/min, adsorptiontimeof120min, andinitialconcentrationofMBof50mg/L, andambienttemperatureof (25±1)℃. Ina
appropriaterange, theadsorptioncapacityincreasedwithinitialpHofsolution, biosorbentdosageandrotatingspeedwhiledecreasedwithincreasing
particle size. The pseudo-second-order kinetics model could better characterize the biosorption processes of the metals than the pseudo-first-order
kinetics model. The adsorption capacity decreased with increasing temperature. The adsorption data showed a good fit with Freundlich adsorption
isothermmodel. NormaltoxicheavymetalsintheEichhornia crassipes Solm.. suchasarsenic, cadmiumandleadetc. werefarbelowthenational
standardlimit.ThustheEichhornia crassipe Solm.biomasstookasadsorbentsinwastewatertreatmentwouldnotbringintotoxicmetals.
Keywords：Eichhornia crassipes Solm.biomass;methyleneblue(MB);biosorption
（上接第42页）
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水处理技术 第38卷 第11期46