全 文 ：第 9期
紫萍干体对镉离子的生物吸附
戴灵鹏， 宋锡园， 曹琦， 潘克俭， 金小博
（温州大学生命与环境科学学院,浙江 温州 325027）
摘 要：研究不同的吸附时间、pH值、紫萍干体量以及 Cd2+初始浓度下紫萍干体对 Cd2+的吸附特性。结果表明，紫萍干体吸附 Cd2+是一个
快速的过程，前 5min的吸附量达到最大吸附量的 59.6%，30 min达到吸附平衡；pH值对紫萍干体吸附 Cd2+有显著的影响，最适 pH值为 7.0；
随着干体量的增加，吸附率逐渐提高而吸附量则降低；随着 Cd2+初始浓度的增加，吸附率逐渐降低而吸附量则提高。紫萍干体对 Cd2+的吸附符
合 Langmuir和 Freundlish吸附等温线方程，最大吸附容量达 52.6mg/g。
关键词：Cd2+；紫萍；生物吸附
中图分类号：X712 文献标志码：A 文章编号：1003-6504(2009)09-0009-04
Biosorption of Cd(Ⅱ) by Dried Biomass of Spirodela polyrrhiza
DAI Ling-peng, SONG Xi-yuan, CAO Qi, PAN Ke-jian, JIN Xiao-bo
(School of Life and Environment Science, Wenzhou University, Wenzhou 325027, China)
Abstract：Biosorption of Cd2+ by dried S. polyrrhiza biomass was investigated under the experimental conditions of various
time, pH, sorbent dosage and initial Cd2+ concentration. Results showed that the kinetics of biosorption was relatively fast,
about 59.6% of biosorption occurred within 5min and equilibrium was attained within 30min. Initial pH of solution was the
important factor affecting biosorption and optimal pH was 7.0. The adsorption capacity increased with the increase of initial
Cd2+ concentration of the solution, while decreased with the increasing of sorbent dosage. The adsorption isotherm conformed
well to Langmuir and Freundlich model and maximum adsorption capacity onto S.polyrrhiza was 52.6mg/g for Cd2+.
Key words：Cd2+; Spirodela polyrrhiza; biosorption
生物吸附法是一种成本低、吸附效率高、吸附速
度快的新型治理重金属离子废水的方法[1-2]。可以用作
吸附剂的生物材料很多，主要包括海藻、酵母、细菌、
霉菌等[2-4]。近年来大型水生植物材料作为一种有潜在
竞争力的生物吸附剂开始受到关注[4-5]。
浮萍科植物可以吸收累积水中的多种重金属，从
而达到去除水中重金属的目的[6]。已有研究表明，活性
生物体及非活体生物体均有较强的生物吸附性能[5]，
但相比较而言，活体生物具有更大的应用局限性，因
为过量的重金属能导致生物体生长受阻甚至死亡。目
前国内外除用紫萍(Spirodela polyrrhiza L.) 干体作为
吸附剂从废水中吸附亚甲蓝染料外[7]，尚无利用紫萍
干体吸附金属离子的研究报道。因此，本文以常见重
金属 Cd2+为研究对象，研究紫萍干体对 Cd2+的吸附效
果及其影响因素，初步评价紫萍干体对 Cd2+的吸附效
果和吸附能力，为进一步研究吸附机理和固定化紫萍
干体处理含 Cd2+废水技术提供依据，并为利用植物吸
附剂治理重金属废水提供参考资料。
1 实验材料和方法
1.1 实验材料的制备
紫萍采自温州市市郊。将紫萍先用自来水清洗数
次，再用去离子水冲洗 3次，然后在烘箱中 80 ℃下烘
干，研磨，筛分至所需粒径（≤2mm），存于干燥器中备
用。
1.2 实验仪器
Z-5000原子吸收分光光度计，日本 Hitachi（日
立）公司；CS101-3E电热鼓风干燥器，重庆四达实验
仪器有限公司恒达仪器厂；BS224S电子天平，北京赛
多利斯仪器系统有限公司；WSZ-200A 回旋振荡器,
上海一恒科学仪器有限公司；PHS-3C型精密 pH计，
上海精密仪器有限公司。
收稿日期：2008-11-04；修回 2009－02－12
基金项目：国家自然科学基金项目（30800159）；温州市科技计划项目（S20080041）
作者简介：戴灵鹏（1975-），男，讲师，博士，研究方向为环境生物技术，（手机）13738372305（电子信箱）lpdai@wzu.edu.cn。
Environmental Science & Technology
第 32卷 第 9期
2009年 9月
Vol. 32 No.9
Sep. 2009
第 32卷
1.3 吸附实验
准确称取一定量紫萍干体（0.1～1.0g）置于 300mL
锥形瓶中，加入一定浓度的 Cd2+溶液（25～800mg/L），
用 0.1mol/L HCl和 0.1mol/L NaOH溶液将镉溶液调
至一定 pH值(pH =1.0～9.0)，溶液最终体积为 100mL。
在 25℃下以 120r/min 下振荡吸附一定时间（5min～
120min），用定性滤纸过滤除去紫萍干体，滤液中 Cd2+
浓度用 Z－5000型原子吸收分光光度仪测定。按下式
计算干体对 Cd2+的吸附率和吸附量。
吸附率(%)=(C0－C ) /C0×100%
吸附量(mg/g干体)=(C0－C)V/W
式中 C0和 C分别为 Cd2+的吸附起始浓度和终浓
度(mg/ L)，W为紫萍干体干重(g)，V为溶液体积（L）。
1.4 吸附模型
为了研究紫萍干体对 Cd2+的最大吸附量和吸附
等温曲线，采用 2种最常用的吸附等温式 Langmuir
和 Freundlish模型来拟合吸附过程。
Langmuir模型是根据气固二相间的单分子层吸
附的假设而推导得出的[8]，可适用于短时间的单组分
重金属的生物吸附。其方程表达式如式（1）:
qe= qmkace1+kace
（1）
式（1）可写成以下线性表达式如式（2）:
1
qe
= 1qm
+ 1kaqmce
（2）
式中，ce是重金属初始浓度, qe是生物吸附量, qm
是最大吸附量, ka是吸附平衡常数。以 1/qe 对 1/ce 做
图，运用最小二乘法进行线性拟合，根据斜率和截距
可求出吸附参数 qm和 ka。
Freundlish方程是一个半经验方程，可以用于各
种非理想条件下的表面吸附以及多分子层吸附 [8]。
Freundlish方程表达式如式（3）:
qe=kf ce1/n （3）
等式两边分别求对数可得其线性表达式如式（4）:
lgqe=lgkf+ 1n lgce （4）
式中，ce是重金属初始浓度,qe是生物吸附量, kf
和 1n 是常数。同样可以根据截距和斜率求出吸附参数
1
n 和 kf。
2 结果与讨论
2.1 吸附时间对紫萍干体吸附 Cd2+的影响
在 Cd2+初始浓度为 100mg/ L、紫萍干体量为 0.5g、
pH为 7.0和 25℃条件下进行吸附试验。从图 1可以
看出，紫萍干体对 Cd2+的吸附呈先快后慢的趋势。前
5min的吸附非常迅速，5min时的吸附量可达到最大
吸附量的 59.6%。在 30min时,吸附已基本达到吸附平
衡，这与轮叶黑藻干体对 Cd2+的吸附[5]及金鱼藻干体
对 Zn2+、Pb2+和 Cu2+的吸附[4]规律相似。
生物材料对重金属的快速吸附由其独特的细胞
结构决定。生物细胞的细胞壁主要由多糖、蛋白质
和脂类等组成，可以提供氨基、羧基、羟基、醛基以
及硫酸根等官能团，它们能通过络合、离子交换、吸
附、微量沉淀等作用使金属离子快速吸附或沉淀于
细胞表面[9-10]。
2.2 pH对紫萍干体吸附 Cd2+的影响
在 Cd2+初始浓度为 100mg/L、紫萍干体量为 0.5g，
吸附时间为 60min和 25℃的条件下，在溶液 pH 为
1.0～9.0范围内，考察 pH对吸附的影响。如图 2所示，
紫萍干体吸附 Cd2+的最佳 pH值为 7.0，达到最大吸附
量 17.8mg/g。当吸附 pH值从 7.0降到 1.0时，重金属
的吸附量急剧下降。当 pH为 9.0时，紫萍干体对 Cd2+
的吸附量呈下降的趋势。
大量的研究表明，溶液的 pH值对溶液中金属的
化学状态、生物体上官能团的解离状态以及金属离子
对结合位点的竞争活力都会产生影响。在低 pH值时，
溶液存在大量的 H+或水化的氢离子 H3O+，它们可能
与重金属阳离子竞争生物吸附剂上的结合位点，使干
体对重金属的吸附量随 pH值的降低而减少。当 pH
10
第 9期
升高时，溶液中 H+浓度降低，会暴露出更多的吸附基
团，则有利于金属离子的接近并吸附于细胞表面。当
pH值为 9.0时，Cd2+的吸附量又有所降低，这是由于
pH值对 Cd2+的溶解性有显著影响，在高 pH值时，Cd
形成 Cd(OH)2。而重金属形成氢氧化物沉淀，可降低重
金属的生物可利用性[11]。
2.3 紫萍干体量对干体吸附 Cd2+的影响
在 Cd2+初始浓度为 100mg/L、pH为 7.0、吸附时
间为 60min和 25℃的条件下，考察不同的紫萍干体量
(0.1～1.0g)对吸附的影响，结果如图 3所示。
由图 3可见，当干体量＜0.5g时，随着干体量的提
高，干体对 Cd的吸附率提高，而吸附量则降低。这是
由于紫萍干体表面吸附位点的数量随干体量的增加
而增加，有利于金属离子在干体表面的吸附。当干体
量＞0.5g时，由于干体聚集使得部分活性吸附位点不
能暴露出来，导致金属离子吸附率增加缓慢并趋于不
变。同时，随着干体量的增加，使得体系可接受金属离
子的吸附位点增多，使干体的结合位点不能充分利
用，导致单位质量的吸附量下降[12]。
2.4 Cd2+初始浓度对紫萍干体吸附 Cd2+的影响
在紫萍干体量为 0.5g、pH 为 7.0、吸附时间为
60min和 25℃的条件下，考察不同的 Cd2+初始浓度
(25～800mg/L)对吸附的影响，结果如图 4所示。
由图 4可知，当起始 Cd2+浓度＜200mg/L 时，随
着 Cd2+初始浓度的提高，吸附率降低，而吸附量增
加。当起始 Cd2+浓度为 25mg/ L时，吸附率高达 93.6%，
说明紫萍干体用于低 Cd2+浓度废水的处理，有很好
的吸附效果。当 Cd2+起始浓度＞200mg/L 时，吸附
量增加缓慢，说明此时干体上的吸附位点已接近
饱和 [ 13]。
2.5 紫萍干体对 Cd2+的吸附等温曲线
评价吸附剂吸附能力最好的方法是将整个吸附
过程用吸附等温线来描述。将实验数据拟合 Langmuir
和 Freundlish方程，拟合结果如图 5、图 6所示，拟合
参数见表 1。结果表明，无论是 Langmuir方程还是
Freundlish方程的线性拟合，其结果均为理想。但从直
线相关系数 R2来看，R2(L)=0.991>R2 (F)=0.934，说明
用 Langmuir 方程拟合更合适。从表 1还可以看出，根
据 Langmuir常数，紫萍干体对 Cd2+的最大吸附容量
(qmax)为 52.6mg/g，说明紫萍干体对 Cd2+有较好的吸附
能力。
Langmuir
qmax ka R2 qe= qmax ce / (ka + ce)
52.6 250.3 0.991 qe= 52.6ce / (250.3 + ce)
Freundilsh
n kf R2 qe= kf ce (1/ n)
2.51 2.48 0.934 qe= 2.48ce0.398
表 1 Langmuir与 Freundlish吸附等温式的吸附参数及回归方程
Table 1 Langmuir and Freundlish adsorption coefficients and regression equations
注: R2表示拟合程度；qmax表示干体对 Cd2+的最大吸附量 mg/g；Ka、Kf 、n表示吸附常数。
3 结论
（1）紫萍干体对 Cd2+有良好的吸附能力，并且对
Cd2+的吸附是一个快速的过程，前 5min的吸附量可达
到最大吸附量的 59.6%，30min达到吸附平衡。pH对
紫萍干体吸附 Cd2+有显著的影响，pH值为 7.0时达到
戴灵鹏，等 紫萍干体对镉离子的生物吸附 11
第 32卷
最大吸附量 17.8mg/g。
（2）在一定范围内，随着紫萍干体量的提高，干体
对 Cd2+的吸附率提高，而吸附量则降低。随着 Cd2+起
始浓度的提高，吸附率降低，而吸附量增加。当 Cd2+起
始浓度超过 200mg/L时，吸附量增加缓慢，说明此时
干体上的吸附位点已经接近饱和。
（3）在本研究条件下，紫萍干体对 Cd2+的吸附特
征符合 Langmuir和 Freundlish吸附等温线方程，但以
Langmuir方程拟合效果更好。根据 Langmuir常数，紫
萍干体对 Cd2+的最大吸附容量为 52.6mg/g。
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