向日葵盘低酯果胶对水中重金属铜离子的吸附性能

彭晓夏，逯晓青，高蕊蕊，弓强，张源，包若雯，张翠霞，窦志芳

（山西中医药大学基础医学院，山西晋中 030619）

虽然在发展工业的过程中大力发展环保技术，但工业化带来的环境问题并没有消失，采矿业、印染工业、电池和玻璃制造业都不同程度地造成了重金属污染[1]。而重金属污染具有持久性、难降解、易富集等特点，对环境及人类健康造成了严重危害[2]，如摄入过量的铜离子会抑制多种酶的活性、刺激神经及消化系统，造成腹痛呕吐、记忆力减退等症状[3]；还会导致过量活性氧自由基的产生，破坏DNA及蛋白质的结构，造成毛细血管损伤、肾脏衰竭，甚至引发癌变[4]。因此，包括氧化还原、化学沉淀、膜分离、电解及吸附在内的各种技术均已应用于重金属水污染处理中，以减少废水排放、减轻重金属的危害[5,6]。其中，吸附技术具有操作简便、效率高、成本低等优点，具有不可阻挡的发展趋势[7]。从农、林业废弃物中提取的纤维素[8]、果胶[9]、海藻酸盐[10]、壳聚糖[11]等生物吸附剂具有来源广、成本低、安全无毒的优点，具有广阔的应用前景，特别是果胶具有良好的亲水性使其降解性优于纤维素、海藻酸盐及壳聚糖[12]。

果胶是一类存在于植物细胞壁及胞间层的阴离子杂多糖，主要由D-半乳糖醛酸（D-GalA）通过α-(1→4)糖苷键连接构成[13]。根据主链和支链结构的不同，将果胶分为半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）、I型鼠李半乳糖醛酸聚糖（Rhamngalacturonan I，RG-I）和II型鼠李半乳糖醛酸聚糖（Rhamngalacturonan II，RG-II）[14]。果胶分子中的GalA残基常被甲氧基等基团酯化，并将甲酯化GalA的比例记作果胶的甲酯化度（Degree of Methylation，DM）。DM是果胶的一个重要参数，影响着果胶的溶解性、凝胶性及乳化稳定性。根据DM的差异将果胶分为高酯果胶（DM＞50%）和低酯果胶（DM＜50%）。研究报道，甘薯[15]、橘皮[16]、甜菜粕[17]等农业副产物中的果胶具有较好的重金属吸附作用，且随DM的增加而降低，推测分子中解离的羧基和羟基是其吸附重金属的主要官能团[16,18]。因此，与高酯果胶相比，低酯果胶是更为有效的重金属吸附剂。目前商品果胶主要是从橘皮或苹果渣中提取的高酯果胶，低酯果胶则由酸或碱处理高酯果胶而得，不仅生产成本较高，还会导致果胶降解、影响其性能[19]，而农业废弃物向日葵盘中含有丰富的低酯果胶。我们前期研究显示，采用草酸溶液提取获得的向日葵盘果胶富含GalA（86.34%）、DM较低（23.93%）、分子量较高（257 ku），主要由HG型果胶构成，仅含有少量分支度较低的RG-I型果胶，并且能够较好地吸附水溶液中的Pb2+，吸附量达44.57 mg/g[20-22]。本文在前期研究的基础上，进一步分析向日葵盘果胶对Cu2+的吸附作用，以期为防治重金属水污染提供一种安全有效的天然生物吸附材料。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

向日葵盘（菊科向日葵属白葵杂六号），购自山西省五寨县；低酯果胶由课题组提取制备[20-22]；1 000 mg/L的铜标准品，国家钢铁材料测试中心；0.22 μm一次性针头过滤器，广州洁特生物过滤股份有限公司；五水硫酸铜、氢氧化钠、盐酸、氯化钠、氯化钙等均为分析纯级。

2zebuit700P型火焰原子吸收分光光度计，德国耶拿分析仪器有限公司；Unique-R20实验室纯水仪，沃特世生物工程有限公司；pH酸度计，雷磁分析仪器厂；SN-MS-1D磁力搅拌器，上海尚普仪器设备有限公司；HH-S3电热恒温水浴锅，巩义市予华仪器有限责任公司；HC-2062离心机，中科中佳科学仪器有限公司。

1.2 Cu2+标准溶液和Cu2+待吸附液的配置

准确量取1.00 mL 1 000 mg/L的铜标准品于100 mL容量瓶中，加入去离子水至刻度，混合均匀，即得100 mg/L的铜标准液。依次取0.50、1.00、1.50、2.00和2.50 mL 100 mg/L铜标准液于100 mL容量瓶中，分别加入去离子水至刻度，混合均匀即为0.50、1.00、1.50、2.00和2.50 mg/L的铜标准液。以去离子水为参比，应用2zebuit 700P型火焰原子吸收分光光度计测定0.50～2.50 mg/L铜标准液的吸光度，绘制Cu2+浓度与吸光度A之间的标准曲线[23]：

A=0.181 442 7C+0.006 044 6，R2=0.999 7

Cu2+待吸附液的配置：称取1.18 g五水硫酸铜，加入去离子水溶解，定容至1 L，即为300 mg/L Cu2+贮备液。取50 mL Cu2+贮备液，加去离子水定容至1 L，即为15 mg/L的Cu2+待吸附液。应用原子吸收分光光度法测定待吸附液中的Cu2+准确浓度，为15.44 mg/L。

1.3 果胶用量对其Cu2+吸附能力的测定

将向日葵盘果胶配置成浓度不同（20、40、80、100、120、160、200、240、280、320和400 mg/L）的溶液，并将pH值调整至8.0。取Cu2+待吸附液和果胶溶液各10 mL，混合均匀，并于30 ℃条件下反应40 min。用0.22 μm针头过滤器过滤吸附液，并将滤液稀释5倍，采用原子吸收分光光度法检测其中的Cu2+浓度[23]。

1.4 不同pH值下Cu2+吸附能力的测定

将向日葵盘果胶配置成120 mg/L的溶液，用0.1 mol/L的H2SO4或NaOH溶液将果胶溶液的pH值分别调整至2.0～10.0。取10 mL 15.44 mg/L的Cu2+待吸附液，加入10 mL pH值不同的各果胶溶液，并于30 ℃条件下反应40 min。后续处理、检测方法参照1.3。

1.5 不同温度下Cu2+吸附能力的测定

取15.44 mg/L Cu2+待吸附液和pH值为8.0的120 mg/L果胶溶液各10 mL，混合均匀，分别于20、30、40、50、60及80 ℃下反应40 min。后续处理、检测方法参照1.3。并根据热力学方程计算反应的焓变、熵变和吉布斯自由能。

1.6 不同吸附时间下果胶对Cu2+吸附能力的测定

取10 mL 15.44 mg/L Cu2+待吸附液，加入10 mL pH值为8.0的120 mg/L果胶溶液，混合均匀，分别于30 ℃条件下反应0、5、10、15、20、30和40 min。后续处理、检测方法参照1.3，并进行吸附动力学分析。

1.7 共存离子对果胶吸附作用的影响

取10 mL 15.44 mg/L Cu2+待吸附液，加入不同浓度的NaCl或CaCl2溶液，使Na+或Ca2+的质量浓度分别为10、20和40 mg/L，并加入10 mL pH值为8.0的120 mg/L果胶溶液，混合均匀，于30 ℃条件下反应40 min。后续处理、检测方法参照1.3。

1.8 Cu2+初始浓度对果胶吸附作用的影响

将向日葵盘果胶配置成2.0 g/L的溶液，调节pH至6.0，备用。取10 mL果胶溶液，加入10 mL不同浓度的Cu2+溶液，使其初始质量浓度分别为：5.0、7.5、10、15、20、30、40、50、60、80、100、150和200 mg/L，混合均匀，于30 ℃条件下反应40 min。后续处理、检测方法参照1.3。

1.9 吸附量和去除率的计算

按照式1和2计算各实验组中果胶对Cu2+的平衡吸附量Qe和t时刻的吸附量Qt[20]。

式中：

Qe、Qt——分别为吸附平衡时、t时的吸附量，mg/g；

V——Cu2+溶液的体积，L；

Co、Ce、Ct——分别为吸附前、平衡时、t时混合液中的Cu2+浓度，mg/L；

m——果胶的用量，g。

按照式3计算各实验组中Cu2+的去除率β[20]。

式中：

β——Cu2+的去除率，%；

Co、Ct——分别为吸附前、t时的Cu2+浓度，mg/L。

1.10 数据分析

所有实验均重复进行3次，应用SPSS 20.0进行数据分析，采用t检验进行组间分析，P＜0.05表示两组数据之间具有显著差异，P＜0.01表示两组数据之间具有极显著差异，应用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 向日葵盘果胶用量对其吸附性能的影响

在其他条件不变的情况下，检测了果胶用量对其吸附性能的影响，如图1所示。随果胶用量的增加去除率先增大后不变，当果胶用量低于60 mg/L时，去除率几乎呈线性增大的趋势；当果胶用量高于60 mg/L时，去除率增加逐渐变缓慢；果胶用量高于140 mg/L时，去除率不再增加，说明此时既存在果胶对Cu2+的吸附作用，又有解吸附作用。但吸附量随果胶用量的增加先增大后降低，在果胶用量为50 mg/L时达到最大值，为25.42 mg/g。这与Mata等[24]和周宇等[25]的研究结果一致，随着果胶用量的增加，其中的重金属结合位点不断增多，吸附去除的Cu2+随之增多；但是溶液中Cu2+的总量是不变的，随着果胶的不断添加，单位质量果胶的Cu2+吸附量反而下降，故出现先增大后降低的变化趋势。从充分利用资源的角度考虑，综合去除率和吸附量这两个因素，向日葵盘果胶吸附水相中Cu2+（7.72 mg/L）的最佳用量为60 mg/L，吸附量为24.67 mg/g，去除率为19.73%。

图1 向日葵盘果胶的用量对其吸附性能的影响Fig.1 Effect of pectin dosage on its adsorption properties

2.2 pH值对向日葵盘果胶吸附性能的影响

果胶溶液的pH值显著地影响果胶分子中羧基的解离和带电情况，从而对果胶的重金属结合活性影响较大。如图2所示，吸附量和去除率均随果胶溶液pH值的升高而先增大后迅速降低，当果胶溶液的pH值为8.0时达最大值，该变化趋势与Arachchige等[15]的结果一致。在前期研究中笔者发现果胶分子中的脱质子化羧基为其吸附重金属离子的主要结合位点，果胶与重金属离子形成的“蛋盒”络合结构是其主要的吸附作用机制[20]，而“蛋盒”结构是指一个金属离子与果胶分子中4～6个相近的脱质子化羧基或羟基络合形成的结构[23]。当pH值＜4.0时，果胶分子中的重金属结合位点被H+占据着，较难吸附Cu2+，导致果胶的重金属结合活性较低；随着pH值的升高，羧基不断脱质子化，重金属结合位点逐渐暴露，导致吸附量和去除率都逐渐增大；当pH值高于8.0时，果胶分子开始降解、变得不稳定，且Cu2+也会反应生成溶解度较低的氢氧化物，从而导致吸附量和去除率都迅速降低。因此，采用pH值为8.0的向日葵盘果胶溶液吸附水相中Cu2+（7.72 mg/L）的效果最佳。

图2 pH值对向日葵盘果胶吸附性能的影响Fig.2 Effect of pH value on the adsorption properties of pectin from sunflower heads

2.3 吸附温度对向日葵盘果胶吸附性能的影响

通常工业废水的温度高于室温，明确温度对果胶吸附性能的影响有助于其工业化应用。如图3所示，随温度的升高，吸附量和去除率均先迅速增大后保持不变，40 ℃为最佳吸附温度，此时吸附量为25.32 mg/g，去除率为16.95%。该变化趋势与Zhou等[26]和Desta等[27]的研究结果基本一致，这是因为随着温度的升高，溶液中重金属离子的运动速度不断加快，果胶分子表面吸附基团的电解程度也不断增大，从而有利于果胶与Cu2+的相互作用。

图3 吸附温度对向日葵盘果胶吸附性能的影响Fig.3 Effect of adsorption temperature on the adsorption properties of pectin from sunflower heads

2.4 吸附时间对向日葵果胶吸附性能的影响

吸附时间是应用吸附剂去除重金属的一个重要参数，对后续大规模应用具有重要意义[28]。如图4所示，吸附量和去除率均随吸附时间的延长先迅速增加后几乎不变，10 min即可达到最大值，与Ahata等[29]的研究结果一致。在吸附开始阶段，不仅果胶分子中的吸附官能团大多处于游离状态，溶液中Cu2+的浓度也比较高，有利于反应的发生；然而随着吸附时间的延长，果胶的吸附位点和Cu2+浓度都不断降低，吸附反应趋于平缓直至反应平衡。因此，果胶吸附水相中Cu2+（7.72 mg/L）的最佳时间为10 min。

图4 吸附时间对向日葵盘果胶吸附性能的影响Fig.4 Effect of adsorption time on the adsorption properties of pectin from sunflower heads

2.5 共存离子对向日葵盘果胶吸附性能的影响

在处理重金属污染水样时，还需要考虑其他共存离子对果胶重金属吸附性能的影响，因为共存离子可能会竞争性地抑制果胶与重金属离子的结合，而使果胶的吸附性能降低[30]。添加质量浓度分别为5、10和20 mg/L的一价Na+和二价Ca2+，考察共存阳离子对果胶吸附性能的影响。如图5所示，Na+与少量Ca2+对果胶吸附性能的影响较小，但当Ca2+的添加量高于10 mg/L时，吸附量和去除率均显著降低（P＜0.01），该变化趋势与冯宁川等[31]的结果一致。分析原因，果胶吸附Cu2+的主要作用机制是分子中的脱质子化羧基与Cu2+的静电吸引作用并形成“蛋盒”络合结构[32]，一价的Na+对“蛋盒”结构的形成影响不大，故对果胶的吸附性能影响较小；但二价的Ca2+也能够与果胶形成“蛋盒”络合结构[33]，从而竞争性地抑制果胶与Cu2+的结合，导致吸附量和去除率下降。从而，进一步说明羧基与Cu2+的络合作用是向日葵盘果胶吸附Cu2+的重要驱动力。

图5 共存阳离子对向日葵盘果胶吸附性能的影响Fig.5 Effect of coexisting ions on the adsorption properties of pectin from sunflower heads

2.6 等温吸附分析

25 ℃下Cu2+初始质量浓度为0～200 mg/L范围内向日葵盘果胶对Cu2+的等温吸附曲线如图6所示。可见吸附量随溶液中Cu2+的增大而增加，最后基本达到吸附平衡。采用Langmuir（式4）和Freundlich（式5）吸附等温式对果胶吸附Cu2+的情况进行模拟。

图6 Cu2+初始质量浓度对向日葵盘果胶吸附量的影响Fig.6 Effect of initial concentration of Cu2+ on the adsorption properties of pectin from sunflower heads

式中：

Qm——果胶的饱和吸附量，mg/g；

b——Langmuir吸附常数，L/mg；

Qe——果胶的平衡吸附量，mg/g；

Ce——Cu2+的平衡质量浓度，mg/L。

式中：

KF——Freundlich常数；

n——异质常数。

由表1可知，Langmuir和Freundlich等温吸附模型均能较好地描述向日葵盘果胶对溶液中Cu2+的等温吸附过程。其中Langmuir等温吸附方程的线性关系更好（R2为0.989 5），说明果胶对Cu2+的吸附以化学吸附为主，吸附过程是单分子层吸附[31]。据此等温式计算出向日葵盘果胶对Cu2+的饱和吸附量为29.94 mg/g。与其他天然生物吸附剂如稻米壳、活性炭、咖啡渣相比（表2），向日葵盘果胶对Cu2+的吸附能力更强，其与碱处理的橘皮果胶和榴莲皮果胶的吸附能力基本相当，但比部分果胶与其他吸附剂复合形成的微球或纳米材料的吸附能力低。

表1 向日葵盘低酯果胶吸附Cu2+的Langmuir和Freundlich方程的参数及相关系数Table 1 The parameters and correlation coefficients of Langmuir and Freundlich equations about the adsorption of Cu2+ by pectin from sunflower heads

表2 生物吸附材料对Cu2+吸附容量的比较Table 2 Comparison of adsorption capacities of various biosorption materials for Cu2+

2.7 热力学分析

按照式6～9所示的方程，对实验数据进行处理，计算热力学参数。

式中：

ΔG、ΔH——分别为反应的吉布斯自由能和焓变，kJ/mol；

ΔS——熵变，J/(mol·K)；

Qe——平衡吸附量，mg/g；

Ce——平衡时Cu2+的质量浓度，mg/L；

Kc——某特定温度的吸附常数；

R——摩尔气体常数，8.314 J/(mol·K)；

T——热力学温度，K。

分别以1 000/T、lnKc作为横、纵坐标，绘制拟合曲线，并由拟合线的斜率和截距计算ΔH和ΔS，将20、30和40 ℃拟合的热力学参数列于表3。焓变ΔH是正值，说明果胶吸附Cu2+的反应是吸热的。在实验中也观察到当吸附温度升高时，吸附量和去除率均有所增大，同样也证实了该吸附过程为吸热反应。有文献报道，ΔH在2.1～20.9 kJ/mol范围内说明是物理吸附，而ΔH处于20.9～418.4 kJ/mol范围时说明该吸附过程为化学反应[41]。向日葵盘果胶吸附Cu2+的ΔH为33.15 kJ/mol，即为化学吸附。熵变ΔS＞0，说明果胶吸附Cu2+时，反应体系的自由度及无序性不断增加，这是由于果胶吸附Cu2+后，原本吸附在活性位点的H+和Na+进入水相，而游离出来的H+和Na+比吸附的Cu2+多，导致吸附体系的混乱度增加[42]。

表3 向日葵盘低酯果胶吸附Cu2+的热力学参数Table 3 The thermodynamics parameters for adsorption of Cu2+ by the pectin from sunflower heads

2.8 吸附动力学分析

采用准一级（式10）和准二级动力学方程（式11）对向日葵盘果胶吸附Cu2+的过程进行动力学拟合。

式中：

k1——准一级动力学常数，min-1；

k2——准二级动力学常数，g/(mg·min)；

Qe、Qt——分别为吸附平衡和t时的吸附量，mg/g。

比较拟合图（图7）及其参数（表4）可发现，与准一级动力学方程（R2=0.641）相比，准二级动力学方程能够更好地拟合向日葵盘果胶对Cu2+的吸附反应（R2=0.999），而且通过拟合方程计算出的吸附量Qe.cal（26.178 mg/g）与实验测定值（25.798 mg/g）更相近。说明，化学作用是果胶吸附Cu2+的限速步骤，特别是离子交换作用在吸附过程中发挥着重要作用[43]。结合吸附条件对果胶重金属吸附作用的影响及吸附热力学、动力学的研究结果，推测向日葵盘果胶吸附Cu2+的作用机制如图8所示。首先，果胶分子中带负电荷的羧基通过静电相互作用与Cu2+结合，随后脱质子化的羧基和羟基这些富电子官能团作为络合基团与Cu2+形成“蛋盒”样的络合结构。可见，果胶分子中羧基、羟基的含量决定了其对重金属离子的吸附能力[44]，在后续研究中可通过化学改性的方法增加这两种官能团的含量，进一步改善果胶的重金属吸附能力。

图7 向日葵盘低酯果胶对Cu2+的吸附反应与准一级（a）和准二级（b）动力学方程的拟合线Fig.7 The fitting lines of Cu2+ adsorption reaction by pectin with quasi-first-order (a) and quasi-second-order (b) kinetic equations

图8 向日葵盘低酯果胶吸附Cu2+的作用机制Fig.8 The proposed mechanism of adsorption of Cu2+ on the pectin from sunflower heads

3 结论

向日葵盘中的天然低酯果胶能够吸附水溶液中的Cu2+，并且果胶用量、果胶溶液的pH值、吸附温度、吸附时间等均显著影响果胶的重金属吸附性能。共存离子在一定程度上影响果胶的Cu2+吸附性能，其中一价金属离子（Na+）的影响较小，而一定浓度的二价金属离子（Ca2+）将导致吸附性能的显著下降。Cu2+初始质量浓度在0～200 mg/L范围时，利用Langmuir等温方程拟合得到向日葵盘果胶对Cu2+的最大吸附量为29.94 mg/g。热力学分析表明该吸附反应是一种熵值增加的、自发的吸热反应，动力学研究证明该吸附反应符合准二级动力学模型。推测果胶分子中脱质子化的羧基与Cu2+之间的静电吸引作用和羧基、羟基与Cu2+之间的络合作用是向日葵盘果胶吸附Cu2+的主要作用力。本文的研究为处理重金属水污染问题提供了思路，为开发重金属生物吸附剂提供了依据，但对向日葵盘果胶吸附Cu2+作用机制的研究还不够深入，其构效关系也有待进一步的研究。