改性黃曲霉A5P1對染料酸性藍25的吸附效果與機理研究

郭世琦，覃 雯，李青云，2，唐愛星，2，劉幽燕，2

（1.廣西大學化學化工學院，廣西南寧 530004；2.廣西生物煉制重點實驗室，廣西南寧 530004）

合成染料是一種廣泛應用于紡織、造紙、皮革的有機試劑〔1-2〕。據統計，每年生產的70萬t染料中，約有2%～50%的染料隨廢水直接排放到河流中〔3〕。染料廢水阻止光線穿透水體，導致水中植物無法進行正常的光合作用，對水環境造成嚴重影響〔2〕。染料直接接觸人體還會損傷腎臟、肝臟等〔4〕。目前，從廢水中完全去除合成染料，仍然是工業廢水處理中最具有挑戰的任務之一。

去除水中染料的方法包括物理法、化學法和生物法，具體包括好氧和厭氧微生物降解〔5-6〕、吸附〔7〕、膜分離〔8-9〕、化學氧化〔10〕和光催化〔11〕等。其中，吸附法是廢水處理中最可靠、用途最廣的方法之一。吸附法具有快速去除染料、不會二次生成有毒的中間產物、操作簡單、對有毒物質不敏感等特點〔3〕。

大量研究表明，真菌可作為各類污染物吸附劑，是一種良好的生物吸附材料〔12〕。Shuhui LI等〔1〕發現黑曲霉對200 mg/L酸性染料的脫色率達到98%。V.KARTHIK等〔13〕研究發現木霉對210.92 mg/L的活性黑B脫色率可達97.42%。但由于天然吸附材料吸附位點有限，導致其吸附效果較差，一些學者通過改性天然吸附劑提高其吸附效果〔14〕。改性工藝可以通過改變生物質的表面積、孔隙率、pH和表面官能團的量等方式提高吸附能力〔15〕。E.AZIN等〔16〕利用毛霉吸附剛果紅染料，經過氫氧化鈉處理毛霉，對染料的去除率提高了19%。M.Y.AR?CA等〔17〕研究發現經鹽酸處理的真菌吸附劑比天然真菌更親水，對染料活性紅120的吸附作用更大。

黃曲霉A5P1是由本實驗室從污染土壤中篩選出來的一株具有較好染料吸附效果的真菌。蒽醌類染料含有蒽醌發色團，是僅次于偶氮染料的第二大類染料，對生物體的毒性也高于偶氮染料〔18〕。酸性藍25（Acid Blue 25，AB25）是陰離子蒽醌染料的典型代表，常在脫色研究中作為模型化合物〔19〕。本研究擬用天然菌體A5P1和鹽酸處理菌體A5P1acid作為吸附劑，探討其應用于吸附染料AB25的影響因素，并結合動力學、熱力學和等溫線模型解析其吸附機理，為陰離子染料的高效去除提供一種經濟環保的方法。

1 材料與方法

1.1 主要實驗材料

酸性藍25（AB25，純度45%，上海麥克林生化科技有限公司）；馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA，分析純，海博生物技術有限公司）；吐溫80（分析純，北京索萊寶科技有限公司）；酵母提取物（分析純，北京拜爾迪生物技術有限公司）；蔗糖（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；磷酸二氫鉀（KH2PO4，分析純，成都市克隆化學品有限公司）；七水合硫酸鎂（MgSO4·7H2O，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；黃曲霉菌Aspergillus flavusA5P1（CGMCC 4292），由實驗室自行篩選并保存于-80 ℃冰箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 生物吸附劑的制備

基礎 培 養 基：蔗 糖 25 g/L、酵 母提取物 1 g/L、KH2PO41 g/L、MgSO4·7H2O 0.5 g/L。用HCl或NaOH調節pH=6，取60 mL分裝至250 mL錐形瓶，121 ℃滅菌20 min。

取出-80 ℃保存的菌株A5P1，接種至滅菌后的PDA培養基上（質量濃度為4.6 g/L），30 ℃培養5～7 d。用0.5%的無菌吐溫80洗脫孢子傳代培養至第3代，4 ℃冰箱保藏備用。在顯微鏡下對制備的孢子懸液計數，并計算孢子懸浮液含量。以8.6×104mL-1接種量接種孢子液至基礎培養基中，30 ℃，150 r/min條件下培養48 h。將真菌培養物抽濾，去離子水清洗兩次，高溫高壓滅活，冷凍干燥，得到天然菌體吸附劑A5P1。將天然菌體吸附劑A5P1轉移到0.1 mol/L的HCl溶液中，400 r/min攪拌3 h，用去離子水洗滌至濾液為中性，烘干、研磨、過60目篩，得到鹽酸處理菌體吸附劑A5P1acid。

1.2.2 批量吸附實驗

研究天然菌體A5P1和鹽酸處理菌體A5P1acid對AB25吸附過程中吸附劑用量、pH、初始染料濃度、溫度、接觸時間對吸附效果的影響。將一定量的吸附劑加入20 mL AB25溶液中，用0.1 mol/L HCl或NaOH調節溶液pH，在水浴條件下以150 r/min的振蕩速度進行吸附。間隔一定時間吸取上層清液，離心，用紫外-可見分光光度計測定其吸光度。所有實驗均設置3個平行樣。

吸附前后AB25濃度采用可見光分光光度計進行檢測，最大吸收波長為603 nm，吸附劑對AB25的平衡吸附量（qe，mg/g）和染料去除率（R）〔20〕計算公式見式（1）、式（2）。

式中：C0——染料初始質量濃度，mg/L；

Ce——吸附平衡時染料質量濃度，mg/L；

V——染料溶液體積，L；

m——實驗中使用吸附劑質量，g。

1.2.3 循環吸附-解吸實驗

取0.01 g A5P1acid加 入20 mL 100 mg/L AB25溶液中，在30 ℃，150 r/min條件下吸附。吸附完成后抽濾，將吸附劑投入20 mL乙醇中解吸至乙醇中染料濃度不再上升。待解析完成后，抽濾，收集吸附劑并烘干。重復此過程對再生的A5P1acid的吸附性能進行多次循環測試。

1.2.4 FTIR、Zeta電位分析

通過傅里葉紅外光譜儀分析改性前后及吸附前后吸附劑表面官能團的變化情況。采用Zeta電位測試儀對A5P1acid樣品表面電荷性質進行測試。將A5P1acid樣品分散在超純水中，測定不同pH下的Zeta電位。

2 結果與討論

2.1 吸附性能分析

2.1.1 吸附劑用量對吸附性能的影響

分別稱取0.008、0.010、0.012、0.014、0.016 g的A5P1與A5P1acid，加入裝有20 mL、初始質量濃度為100 mg/L的AB25染料溶液中，調節pH為2，在溫度30 ℃，轉速150 r/min條件下進行吸附。圖1顯示了改性前后不同生物吸附劑用量與染料吸附量和染料去除率之間的關系。

圖1 吸附劑用量對吸附AB25性能的影響Fig.1 Effect of adsorbent dosage on adsorption of AB25

由圖1可以看出，隨著生物吸附劑用量的增加，染料的吸附量逐漸下降。A5P1對AB25的吸附量由166.9 mg/g下降到91.8 mg/g，A5P1acid對AB25的吸附量從200 mg/g下降到113.8 mg/g。隨著生物吸附劑量的增加，染料去除率逐漸升高。A5P1對AB25的染料去除率由68.6%升高到75.7%，A5P1acid對AB25的染料去除率由82.5%升高到93.9%。在等量的吸附劑作用下，A5P1acid對AB25去除率高于A5P1。當兩種吸附劑用量高于0.5 g/L之后，染料去除率趨于平緩。這可能是由于隨吸附劑用量增加，可吸附的位點數量增加，被吸附的染料分子也隨之增加。當吸附劑用量繼續增加，會出現多余的吸附位點。由于沒有更多的AB25可以吸附，染料去除率不再上升。因此，選用0.5 g/L的吸附劑用量作為后續實驗條件。

2.1.2 pH對吸附性能的影響

pH是影響吸附劑表面電荷、官能團活性、染料解離等的重要因素之一〔21〕。稱取0.01 g吸附劑加入裝有20 mL、初始質量濃度為100 mg/L的AB25染料溶液中，調節溶液pH分別至2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0（0.1 mol/L的HCl和NaOH溶液），溫度30 ℃，轉速150 r/min吸附染料溶液。實驗考察了pH對A5P1和A5P1acid兩種吸附劑吸附染料效果的影響。在pH=2～9范圍內，吸附劑與染料吸附量和染料去除率之間的關系如圖2所示。

圖2 pH對吸附AB25性能的影響Fig.2 Effect of pH on adsorption of AB25

由圖2可知，兩種吸附劑對AB25的吸附量隨著pH增加而減少。A5P1acid吸附劑的吸附量從184.1 mg/g下降到32.5 mg/g，染料去除率從93.25%下降到16.4%。A5P1吸附劑的吸附量從139.4 mg/g逐步減少為25.6 mg/g，染料去除率也由70.6%下降到12.9%。在pH=3.0條件下，A5P1acid相較于A5P1染料去除率提高了32%。由于電離基團的存在，真菌生物質的表面通常在不同的pH下帶電，帶正電的生物質和帶負電的陰離子染料之間會產生靜電吸引力。有研究報道，當pH低于等電點時，溶液中高濃度質子會在吸附劑表面產生強烈的表面正電荷，吸附劑更容易吸附陰離子染料分子〔22〕。隨著pH的上升，染料的吸附量和去除率均顯著降低，這可能是因為吸附劑表面質子化活性位點發生變化引起的。隨著pH的增加，吸附劑表面存在大量的OH-使吸附劑表面上帶正電荷的位點去質子化，去質子化吸附劑與陰離子分子之間產生靜電排斥削弱了對AB25染料的吸附，導致吸附量和染料去除率顯著下降〔3〕。

如圖3所示，在pH=2～9范圍內，隨著pH升高，電位從15.3 mV降低至-18.3 mV。pH=3.87為固體表面上存在凈零電荷的pH（pHpzc）〔23〕。在吸附過程中，當溶液pH＞pHpzc時，吸附劑表面去質子化帶負電，有利于陽離子染料的吸附，而當pH＜pHpzc時，吸附劑表面存在大量H+，吸附劑質子化程度高，吸附劑帶正電，有利于陰離子染料的吸附〔24〕。在本研究中，A5P1acid吸附的最優pH=2.0，低于凈零電荷點所在的pH（pHpzc=3.87）。這可能是由于AB25是帶負電的陰離子染料，吸附劑A5P1acid在酸性條件下表面帶正電，吸附劑和陰離子染料AB25之間存在較強的靜電引力。因此，在酸性條件下，吸附劑A5P1acid對染料AB25的吸附能力較好〔25〕。

圖3 不同pH下A5P1acid Zeta電位Fig.3 Zeta potential of A5P1acid at different pH

2.1.3 染料初始濃度對吸附性能的影響

稱取0.01 g吸附劑加入裝有20 mL、初始質量濃度分別為50、100、150、200、300、400、500 mg/L的染料溶液中，調節pH為2，溫度30 ℃，轉速150 r/min條件下對染料AB25進行吸附，結果如圖4所示。當AB25染料初始質量濃度由50 mg/L上升至500 mg/L，吸附劑的吸附量逐漸增加，染料的去除率逐漸下降。當AB25質量濃度上升到300 mg/L時，A5P1對AB25吸附量為373.3 mg/g，A5P1acid吸附量為429.3 mg/g，A5P1acid較A5P1提高了15%。這一結果表明，A5P1acid表面吸附位點較A5P1更豐富，能吸附更多的AB25。當染料質量濃度達到300 mg/L，繼續提高染料濃度，兩種吸附劑對染料的吸附量均不再增加。在50 mg/L至300 mg/L染料質量濃度下，溶液中的染料與吸附劑之間存在的濃度梯度為克服吸附質和吸附劑之間分子擴散的傳質阻力提供了重要的驅動力〔26〕。隨著陰離子染料與吸附劑之間碰撞次數的增加，吸附得到增強〔3〕。因此，染料濃度越高，吸附劑吸附量增加。而當染料質量濃度達到300 mg/L時，吸附劑上可結合的位點達到了飽和，染料吸附量不再隨著染料質量濃度的上升而增加。當染料初始質量濃度較低時，吸附劑的表面積和吸附結合位點數都很多，染料分子很容易結合到吸附劑表面。而在高質量濃度染料下，染料分子在吸附劑上的吸附位點不足，導致染料的去除率降低〔21〕。

圖4 染料初始濃度對吸附AB25性能的影響Fig.4 Effect of initial dye concentration on adsorption of AB25

2.1.4 吸附時間的影響

稱取0.01 g吸附劑加入裝有20 mL、初始質量濃度為100 mg/L的染料AB25中，調節pH為2，溫度30 ℃，轉速150 r/min下吸附染料，間隔一定時間取樣測定染料濃度，結果如圖5所示。在吸附的初始階段，溶液體系與吸附劑中的染料含量差異較大，吸附劑具有較多的吸附位點，傳質動力大，吸附速率快。在吸附后期，吸附劑上吸附位點減少，吸附質與吸附劑間染料的含量差變小，傳質動力變小，吸附速率逐漸減慢直至達到吸附平衡。A5P1在120 min達到吸附平衡，A5P1acid在60 min達到吸附平衡。A5P1acid對AB25的吸附量為182 mg/g，A5P1的吸附量為137.7 mg/g，再次證明A5P1acid相比于A5P1有更豐富的吸附位點。

圖5 吸附時間對AB25吸附性能的影響Fig.5 Effect of adsorption time on AB25 adsorption

2.2 吸附動力學研究

通過分析吸附過程中的控速步驟和吸附機理，對吸附過程進行準一級和準二級動力學擬合，計算吸附動力學參數。其中，準一級動力學模型表達式見式（3），準二級動力學模型表達式見式（4）〔27〕。

式中：k1——準一級反應速率常數，min-1；

k2——準二級反應速率常數，g（/mg·min）；

qe——吸附平衡時吸附容量，mg/g；

qt——時間t時的吸附容量，mg/g；

t——吸附時間，min。

利用準一級和準二級動力學模型對數據進行線性擬合，并由擬合得到的斜率和截距計算動力學參數，線性擬合如圖6所示，動力學參數如表1所示。

表1 吸附動力學模型參數Table 1 Adsorption kinetic model parameters

圖6 AB25的吸附動力學擬合曲線Fig.6 Adsorption Kinetic fitting curve of AB25

如表1所示，A5P1acid吸附AB25的準一級反應動力學模型擬合結果的相關系系數R2為0.883，準二級反應動力學模型擬合結果的相關系數R2為0.999。A5P1吸附AB25的準一級反應動力學模型擬合結果的相關系數R2為0.918，準二級反應動力學模型擬合結果的相關度R2為0.998。在準二級反應動力學模型中，A5P1acid對AB25的平衡吸附容量為185.8 mg/g，與實驗結果（182 mg/g）更接近。A5P1對AB25的平衡吸附容量為142.4 mg/g，更接近實驗值137.7 mg/g。兩種吸附劑吸附過程符合準二級動力學模型，吸附受化學吸附機制控制〔28〕。

2.3 吸附等溫線

等溫線可以確定吸附質在固液兩相之間的分布。通過Langmuir和Freundlich模型得到吸附等溫線參數，這些參數提供了關于生物吸附劑的吸附機理、表面性質和親和力的重要信息。Langmuir等溫方程表明，吸附分子在固體表面是單層覆蓋的，當生物吸附位點被染料分子占據時，不會發生進一步的吸附〔29-30〕。線性形式的Langmuir等溫線模型可表示為式（5）。

式中：Ce——吸附平衡時AB25質量濃度，mg/L；

qe——吸附平衡時的吸附容量，mg/g；

qm——最大單分子層吸附量，mg/g；

b——吸附平衡常數，L/mg。

Freundlich吸附等溫方程是基于多相不均勻表面上的吸附〔20〕。Freundlich吸附等溫模型的線性形式可以用式（6）、式（7）表示。

式中：Cf——吸附平衡時金屬離子AB25質量濃度，mg/L；

qe——吸附平衡時的吸附容量，mg/g；

Kf、n——經驗常數。

利用Freundlich和Langmuir等溫模型對兩種吸附劑在30 ℃條件下吸附AB25（50～500 mg/L）的實驗數據進行擬合，得到擬合曲線和參數分別如圖7和表2所示。

表2 吸附等溫線擬合參數Table 2 Fitting parameters of adsorption isotherm

圖7 吸附等溫線Fig.7 Isothermal adsorption line

由表2可知，Freundlich模型預測兩種吸附劑對AB25的吸附過程相關系數R2分別為0.950和0.946，Langmuir模型預測兩種吸附劑對AB25的吸附過程相關系數R2僅為0.932和0.853。Freundlich模型能更好地描述AB25吸附過程，表明A5P1acid與A5P1對AB25染料的吸附為多層吸附。1/n值的大小表示吸附的有利程度。若1/n=1，表示吸附是不可逆的，若0＜1/n＜1，表示對吸附過程有利，若1/n＞1，表示對吸附過程不利〔29〕。經計算，1/n均在0～1之間，說明吸附過程有利于對AB25的吸附。這與S.HUSSAIN等〔31〕報道結果相似，甲基橙染料在殼聚糖復合膜的外部吸附也為多層吸附。E.AZIN等〔16〕利用氫氧化鈉改性的毛霉對剛果紅進行吸附，結果更符合Freundlich吸附。

2.4 吸附熱力學

為了進一步闡明吸附過程機理，對吸附過程進行熱力學分析，計算得到吸附的熱力學參數。其中，熱力學參數計算如式（8）、式（9）所示〔32〕。

式中：Kc——吸附平衡常數；

qe——吸附平衡時吸附劑對AB25的吸附容量，mg/g；

Ce——吸附平衡時染料質量濃度，mg/L；

R——氣體常數，8.314 J（/mol·K）；

T——溫度，K。

若吸附平衡常數與溫度呈線性關系，即Kc～T呈線性關系，ΔG、ΔH和ΔS三者的關系可以用Van’t Hoff 方程表達，如式（10）所示。

圖8為兩種吸附劑在293.15～313.15 K范圍內吸附AB25的熱力學模型。表3為擬合得到的吸附熱力學模型參數。

表3 吸附熱力學參數值Table 3 Adsorption thermodynamic parameters

圖8 熱力學模型Fig.8 Thermodynamic model

從圖8可以看出，Van't Hoff方程對A5P1acid和A5P1吸附熱力學有較好的擬合結果，R2分別達到了0.97和0.99。由表3可知，A5P1acid吸附AB25過程中ΔH=28.201 kJ/mol，ΔS=0.121 8 kJ/（mol·K），A5P1吸附AB25中ΔH=28.954 kJ/mol，ΔS=0.113 4 kJ/（mol·K）。吉布斯自由能數據表明，兩種吸附劑吸附染料的過程為自發過程。ΔG隨溫度的升高而減小，說明溫度越高，吸附的驅動力越大。ΔH＞0，說明吸附AB25是一個吸熱過程，與吸附容量隨溫度升高而增加的規律一致。吸附體系的ΔS＞0，說明吸附過程中固-液界面的隨機性增加〔33〕。

2.5 吸附劑循環使用性能

吸附劑的循環使用是評估實際應用可行性的關鍵因素。吸附劑的循環吸附再解吸是吸附劑穩定性的重要指標。據文獻報道，廖雯琪〔34〕對吸附溴甲酚綠的木屑基吸附劑進行解吸，經過6次循環吸附-解吸，吸附容量下降至初始吸附量的70%，具有良好的穩定性和循環能力。此外，祖林鵬等〔35〕對吸附亞甲基藍的筍殼渣進行解吸，經過5次循環，對染料的去除率由99.5%下降到77.6%。許多生物質吸附劑都具有一定的重用性。

對吸附劑A5P1acid進行了吸附-解吸循環實驗，證明吸附劑A5P1acid具有再生能力。隨著循環次數的增加，A5P1acid的吸附量逐漸下降，經過7次循環，吸附量從178 mg/g逐漸下降到90 mg/g，吸附劑在第二個循環的吸附能力下降了20.7%，這可能是由于A5P1acid吸附在某些部位的親和力較強〔34〕，導致難以解吸。隨著A5P1acid吸附循環次數的增加，對染料的吸附量降低，這可能是由于解吸劑及解吸過程破壞了生物質結構、吸附過程損耗了部分活性位點、解吸不徹底〔36〕。吸附劑A5P1acid連續循環吸附7次仍保持最初吸附量的50.6%，說明該吸附劑在實際廢水處理中具有一定的應用前景。

2.6 FTIR分析

利用FTIR對改性前后及吸附AB25前后的A5P1acid和A5P1進行表征，分析官能團的變化，結果見圖9。

圖9 吸附劑吸附AB25前后的FTIRFig.9 FTIR of before and after AB25 adsorption

如圖9所示，3 300～3 500 cm-1處的譜帶對應于鍵合和非鍵合—OH和水的伸縮振動〔37〕。2 925、2 854 cm-1處的吸收帶為—CH3和—CH2的伸縮振動。1 745、1 656 cm-1處的峰為環烯、酮、醛、和羧酸的C= = C、C= = O、和COO-基 團 的 伸 縮 振 動。1 549～1 533 cm-1處的吸收帶為酰胺的N—H變形振動，對應細胞的蛋白質〔22〕。1 376 cm-1處的峰反映了—CH的彎曲振動〔38〕。1 000～1 300 cm-1為C—O的拉伸振動〔25，39〕。經HCl改 性 后3 325 cm-1移 至3 371 cm-1，1 549 cm-1移至1 543 cm-1且峰強度變強，可以更多地與染料中的基團形成氫鍵。經改性后，620 cm-1附近的峰為蛋白質結構中的C—N—C〔17〕在改性后消失，證明HCl改性破壞了蛋白結構。經改性后，930 cm-1附近酸的O—H面外變形振動峰消失。紅外光譜表明，A5P1acid含有幾個氫鍵能力較強的官能團，如COO-、—OH、C= = O等基團，吸附劑表面的官能 團 可 以與AB25的C= = O、S= = O和—NH2基 團形成偶極和氫鍵相互作用，從而更有效地吸附AB25。

吸附AB25后的紅外光譜3 325、1 549 cm-1處的峰分別移至3 386、1 533 cm-1處，2 925、1 656 cm-1處的峰強度顯著加強。由此證明染料分子與—OH、N—H、C= = C、C= = O、COO-等基團發生了相互作用。

圖10為生物吸附劑與染料分子AB25可能存在的機理。

圖10 A5P1acid吸附AB25可能的吸附機理Fig.10 Possible adsorption mechanism of A5P1acid adsorption of AB25

3 結論

本研究以鹽酸改性A5P1acid和未改性A5P1作為生物吸附劑，AB25為模型底物，探究了不同吸附條件對吸附AB25效果的影響。結果表明，鹽酸改性吸附劑A5P1acid對染料AB25的吸附效果高于未改性吸附劑。通過單因素實驗確定了A5P1acid吸附AB25的最佳工藝條件：吸附劑用量為0.5 g/L，pH為2.0，在60 min達到吸附平衡。在AB25初始質量濃度為100 mg/L，體積為20 mL條件下，改性后吸附劑吸附量從137 mg/g提高到了182 mg/g，染料去除率提高了32%。A5P1acid吸附劑對染料AB25的吸附行為更符合準二級動力學模型和Freundlich模型，吸附過程是以化學吸附為控速步驟，屬于非均勻表面的多層吸附。吸附過程是熵驅動的，在吸附過程中固-液界面之間的混亂度隨溫度上升有所增加。在染料初始質量濃度為100 mg/L條件下焓變ΔH為正，說明吸附過程是吸熱的。FTIR分析表明，A5P1acid有更多的—OH和N—H，可以與染料形成更多氫鍵。黃曲霉A5P1acid對AB25的吸附機理主要包括氫鍵作用和靜電作用。經過7次循環吸附解吸仍保留最初吸附量的50.6%。綜上，酸改性黃曲霉A5P1acid是一種較好的生物吸附劑，可用于水體中陰離子染料的吸附，為染料廢水的處理提供了一個經濟環保的方法。