不同生物质炭对水体污染物吸附特性的研究

技术方法教育与装备研究２０１８年第９期不同生物质炭对水体污染物吸附特性的研究訾芳芳　庄桂玲　王丹摘　要：生物质炭原料来源广、吸附容量大，是一种新型的环境功能材料。为了研究其对水体污染物的吸附能力，选取以苹果、栎木、松木、竹、玉米秸秆为原料制备而成的五种生物质炭为研究对象，通过室内模拟实验，对其吸附水体污染物的特性进行研究。研究结果表明，生物质原料的组织结构不同，生物质炭对水体污染物的吸附能力有所差别；不同生物质炭对水体污染物的吸附特性不同，松木木炭对重金属有吸附效果但吸附速率较慢，而竹炭吸附效果较好但易达到饱和，苹果木炭对有机质的吸附效果较好，苹果木炭和竹炭对水体微生物的吸附效果较好。根据生物质炭对污染物的吸附特性，可按不同配比将各种生物质炭进行组合，选择性去除水中污染物，为净化水质工作提供科学参考。关键词：生物质炭；重金属；蛋白质；微生物；吸附訾芳芳，山东省昌邑市外国语学校，二级教师；庄桂玲，山东省潍坊市峡山区第二中学，二级教师；王丹，山东省昌邑市外国语学校，二级教师。　　初中生物中“生物圈中的绿色植物”是学习的重点和难点内容。学生在学习了植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用之后对绿色植物在生物圈中的作用有了非常深刻的理解，但绿色植物在生物圈中还有很多其他非常重要的作用。通过本实验，学生能够更深刻地理解绿色植物在生物圈中除了是生产者、是生物圈中最基本的成分、能够维持生物圈中的碳氧平衡、参与生物圈中的水循环之外，还能够在净化环境，在包括净化空气、净化水资源等方面也起着非常重要的作用。水是生命的基础物质之一，是我们生活中所不可缺少的物质。但是，随着经济发展、人口增长和城镇化水平的提高，人们在大量消耗能源的同时，将大量的工业废水和城市生活污水等排入水体，使得水资源短缺、污染严重的问题越来越突出。在我国，水污染尚未得到有效遏制，水环境持续恶化与改善人居环境、保证安全供水、提高公共健康服务之间的矛盾日益加剧。如何净化已污染的水资源，保护未污染的水资源，实现水资源可持续利用，已经成为我们亟待解决的问题。在农业生产活动中，对因庄稼收割、树木修剪等产生的大量秸秆树枝等植物废弃物，常用的是焚烧处理法。这不仅浪费资源，还易带来安全隐患、污染空气。利用这些植物废弃物在厌氧或限氧的情况下，经高温慢热解（通常＜７００℃）制备生物质炭［１］，不仅解决了传统处理—６７—２０１８年第９期教育与装备研究技术方法方法的弊端，还可将其变废为宝。生物质炭是一种难熔、稳定、高度芳香化的多孔状富碳固型材料［２］。由于生物质炭含有丰富的表面含氧官能团、发达的孔隙结构及大量的灰分，使其对水体污染物（重金属、有机物、病菌微生物等）有很强的吸附能力［３，４］，进而在去除水体污染物、净化水体等方面具有良好的应用前景。生物炭作为一种较新的环境功能材料，因其原料来源广、吸附容量大而得到全球科学工作者和决策者的广泛关注［５］。本研究以五种生物质炭（分别以苹果木、竹屑、玉米秸秆、松木、栎木为生物质原料制备而成）为研究对象，通过室内模拟实验进行生物质炭对水体污染物（以重金属镍、血红蛋白及大肠杆菌作为典型代表）的吸附特性研究，以期为生物炭在去除水体污染物领域的应用提供基础资料，为水体净化，合理利用水资源提供科学参考。　　一、材料与方法（一）实验材料选用苹果、栎木、松木、竹、玉米秸秆为生物质原料，分别称取１０００ｇ经高温慢热解制备生物质炭。将其分别研磨成粉碎，筛选直径大小在１～２ｍｍ的颗粒备用。利用六水合二氯化镍（ＮｉＣｌ２·６Ｈ２Ｏ）、血红蛋白（Ｈｂ）及大肠杆菌饱和溶液分别制备５００ｍＬ重金属溶液、蛋白质溶液和大肠杆菌培养液，进行模拟生活污水实验。（二）实验方法使用室内模拟实验法。将多种生物质炭分别填充于２０ｍＬ无菌注射器内，以灭菌蒸馏水冲洗湿润。将配制好的溶液（ＮｉＣｌ２溶液、Ｈｂ溶液、大肠杆菌培养液）各１０ｍＬ分别通过该装置，混合均匀，放置１０分钟，分别留取原液通过第１０ｍＬ、２０ｍＬ、３０ｍＬ、４０ｍＬ、５０ｍＬ时的滤过液。分别采用分光光度计法、考马斯亮蓝Ｇ－２５０法、平板计数法测量滤过液中的重金属镍、蛋白质和大肠杆菌的浓度，并与原液比较，以二者的差值表示各种生物质炭对不同污染物的吸附数据。　　二、实验结果与分析（一）不同植物组织结构情况国内外的研究表明，生物炭原料的组织结构决定了生物炭的孔隙特性，使得生物炭对水体污染物的吸附作用有所差别。从植物细胞学角度分析，木本植物多为导管结构，草本植物多为筛管结构，导管和筛管的侧壁会形成纹孔或网状孔隙，尤其是导管有网纹、孔纹等木质化厚壁。因此，由于不同原料组织结构的不同，制成的生物质炭的形态和孔隙特性不同，对水体污染物的吸附能力也不尽相同。图１依次显示了苹果木、栎木、松木、竹、玉米秸秆的内部组织结构。从图中可直观看出，不同生物质炭原料间的组织结构存在很大的区别，这也将导致生物质炭对水体污染物的吸附能力存在着较大差异。图１　植物组织结构图　　（二）不同生物质炭对重金属吸附情况比较（以氯化镍为代表）不同生物质炭对水体中重金属的吸附效果对比如图２所示。由图２分析可知，苹果木炭、秸秆木炭和栎木炭吸附效果较差；松木木炭有吸附效果，但吸附速率较慢；竹炭吸附效果较好但易达到饱和。（三）不同生物质炭对蛋白质吸附情况比较（以血红蛋白为代表）不同生物质炭对水体中有机质（以蛋白质—７７—技术方法教育与装备研究２０１８年第９期图２　不同生物质炭吸附水体重金属特性对比溶液为代表）的吸附效果对比如图３所示。由图３分析可知，苹果木炭对水体中有机质的吸附效果较好；栎木炭和秸秆炭有吸附效果，但易达到饱和；松木炭有吸附效果，但吸附速度慢；竹炭吸附效果差，吸附速率慢。图３　不同生物质炭吸附水体有机质特性对比（四）不同生物质炭对微生物吸附情况比较（以大肠杆菌为代表）不同生物质炭对水体微生物（以大肠杆菌为代表）的吸附效果对比，见图４。由图４，结合五种生物质炭的吸附效果发现，生物质炭对水体微生物具有一定的吸附作用，但随着原液过滤量的增加，生物质炭的吸附量逐渐达到饱和，导致吸附效果逐渐变差。不同生物质炭对水体微生物的吸附特性存在差异，Ａ苹果木炭和Ｄ竹炭对水体微生物的吸附效果较好；Ｃ松木炭和Ｅ秸秆炭有吸附效果但易达到饱和；Ｂ栎木炭吸附效果较差。　　三、结论①生物质原料的组织结构不同，生物质炭对水体污染物的吸附能力有所差别。②不同生物质炭对水体中重金属的吸附能力不同。苹果木炭、秸秆木炭和栎木炭吸附效果较差；松木木炭有吸附效果，但吸附速率较慢；竹炭吸附效果较好，但易达到饱和。③不同生物质炭对水体中有机质的吸附特性不同。苹果木炭对水体中有机质的吸附效果较好；栎木炭和秸秆炭有吸附效果，但易达到饱和；松木炭有吸附效果，但吸附速度慢；竹炭吸附效果差，吸附速率慢。④不同生物质炭对水体微生物的吸附作用不同。苹果木炭和竹炭对水体微生物的吸附效果较好；松木炭和秸秆炭有吸附效果，但易达到饱和；栎木炭吸附效果较差。⑤根据生物质炭对污染物的吸附特性，在实际应用中，可按不同配比将各种生物质炭进行组合，选择性去除水中污染物，为净化水质工作提供科学参考。　　四、结束语学生能够积极地参与本实验，在研究过程中主动和老师交流，并且能够深入思考。我们共同查询研究了很多专业的问题并请教了这方面的专家，专家对我们的实验研究提出了很有价值的指导意见，让学生的生物探究能力有了极大的提高。我们通过复杂的资料查询，严谨的实验操作过程，包括对于菌体的接种和培养的过程，使学生们更好地理解了“绿色植物在生物圈中的作用”，对于“生物圈是一个整体”的概念也有了更深刻的理解。在研究过程中我们看到了学生们对生物的浓厚兴趣和在科学实验方面的潜力。同时，我们及时给予的鼓励和支持，也大大提高了学生们研究的积极性，激起了他们的实验激情，他们甚至还计划着继续做其他方面的科学实验探究。我们在这个过程中也收获颇丰，对于如何组织学生完成实验有了更深刻的体会，和学生在实验的过程中建立了更深的情谊，对处于青春期的学生有了更深的了解，为以后处理与学生的关系提供了更好的实践经验。—８７—２０１８年第９期教育与装备研究技术方法图４　五种生物质炭滤过液稀释１００倍细菌培养Ａ１～Ａ５苹果木炭第１０ｍＬ、２０ｍＬ、３０ｍＬ、４０ｍＬ、５０ｍＬ终末过滤液；Ｂ１～Ｂ５栎木炭第１０ｍＬ、２０ｍＬ、３０ｍＬ、４０ｍＬ、５０ｍＬ终末过滤液；Ｃ１～Ｃ５松木炭第１０ｍＬ、２０ｍＬ、３０ｍＬ、４０ｍＬ、５０ｍＬ终末过滤液；Ｄ１～Ｄ５竹炭第１０ｍＬ、２０ｍＬ、３０ｍＬ、４０ｍＬ、５０ｍＬ终末过滤液；Ｅ１～Ｅ５玉米秸秆炭第１０ｍＬ、２０ｍＬ、３０ｍＬ、４０ｍＬ、５０ｍＬ终末过滤液参考文献：［１］安启坤，唐文竹．秸秆生物炭对土壤功能微生物生长及吸附的影响［Ｊ］．沈阳农业大学学报，２０１７，４８（４）：４１１－４１７．［２］匡崇婷，江春玉，李忠佩等．添加生物质炭对红壤水稻土有机碳矿化和微生物生物量的影响［Ｊ］．土壤，２０１２，４４（４）：５７０－５７５．［３］王向前，胡学玉，陈窈君等．生物炭及改性生物炭对水环境中重金属的吸附固定作用［Ｊ］．环境工程，２０１６，３４（１２）：３２－３７．［４］杜勇．生物炭固定化微生物去除水中苯酚的研究［Ｄ］．重庆大学，２０１２．［５］杨晶晶．竹屑生物炭吸附典型芳香性有机物的机制及规律［Ｄ］．浙江大学，２０１６．—９７—