1 引言
随着煤矿、冶金、电池和色素生产等现代工业的发展，重金属在水生生态系统中的污染日益严重.重金属等有毒污染物最终将沿食物链进入人体，引起多种疾病.人体摄入过量的铜，会引起新陈代谢紊乱、肝和胆等脏器损伤，导致肝硬化、肝腹水甚至死亡.处理重金属废水的传统方法有化学沉淀法、离子交换法、吸附法、电解法和膜分离法等，这些方法过程繁琐、易造成二次污染，主要用于高浓度废水的处理.生物吸附法去除废水中低浓度的研究已有大量报道，该法以其原材料来源丰富、成本低、吸附速度快、吸附量大、选择性好等优势受到越来越多的重视.生物吸附是污染物或有效性养分通过物理化学作用吸附到生物表面或生物膜表面的现象.目前，国内外研究大多集中于真菌菌丝体或木屑两种单独的物质对重金属的吸附，主要利用细胞壁上的化学基团对重金属离子进行吸附，例如：鸡枞菌、毛木耳、霉菌;黑胡桃木、山毛榉、枫树等对铜、锌、锰、铅等的吸附.
黑龙江为食用菌生产第三大省，主栽品种黑木耳年产量约为250万t，菌糠量约为600万t.除少数菌糠用于还田，大量菌糠用作燃料或直接丢弃，既浪费了资源又污染了环境.菌糠是食用菌的子实体形成后，已不具有或较少具有养分的培育基质，内含大量菌丝体、纤维素和半纤维素等成分，表面则富含羟基、氨基及羧基等活性基团，可以配位、络合金属离子，也可以利用菌丝和木屑之间的多孔结构对其进行物理吸附.本研究制备了一种菌糠吸附剂，用于去除模拟废水中铜离子，并对其吸附特性和吸附机理进行了初步研究，旨在解决低浓度重金属难处理的问题，又可使农业废弃物有效资源化.
2 材料和方法
2.1 吸附剂的制备
黑木耳菌糠废料来自哈滨香坊木材食用菌厂，将菌糠在80 ℃烘干至恒重，粉碎，过40目筛，经高压蒸汽灭菌，置于干燥环境下备用.
2.2 响应面方法优化反应条件
采用模拟污水，首先通过单因素试验确定响应面的高水平条件，用去离子水将CuSO4母液(1 g · L-1)，稀释至所需浓度.取100 mL一定浓度的Cu2+溶液至150 mL锥形瓶中，调节其它单因素条件为：投加量5、10、15、20、25、30、35、40 g · L-1;pH 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0;初始浓度10、25、50、75、100、125、150 mg · L-1;吸附时间5、10、30、60、90、120、150、180、210、240 min;温度10、15、20、25、30 ℃;转速80、 120、 150、 180、210 r · min-1.取5 mL稀释后溶液用原子吸收分光光度计(AA-6800型，日本岛津-GL)测定剩余Cu2+浓度，每组3次重复，另设对照.然后根据Plackett-Burman试验设计原理，综合单因素试验结果，利用Design-Expert进行回归分析对吸附条件进行优化.
2.3 吸附等温模型
采用Langmuir等温吸附模型对黑木耳菌糠吸附铜离子的试验数据进行拟合.根据响应面分析结果配制初始浓度为10、25、50、75、100、125、150 mg · L-1的铜离子溶液100 mL，调节pH 7.0，加入菌糠31.6 g · L-1，至25 ℃、150 r · min-1的摇床中吸附134 min.Langmuir 等温吸附方程:
式中，qe为重金属平衡吸附容量(mg · g-1);qmax为理论饱和吸附容量(mg · g-1);Ce为吸附平衡时溶液中铜离子浓度(mg · L-1);b为Langmuir方程吸附平衡常数(L · mg-1).
计算吸附率(R)和吸附容量(Q)，公式为：
式中，C0为铜离子初始质量浓度(mg · L-1);C1为铜离子剩余质量浓度(mg · L-1);v为铜离子溶液体积(0.1 L)，m为菌糠投加量(g).
2.4 吸附机理
将吸附前后的菌糠，分别用戊二醛固定，酒精脱水，喷金后在扫描电镜上观察菌糠的表面结构，利用EDX(energy dispersive X-ray analysis，QuANTA200型，美国FEI)进行元素分析.
将吸附前后的菌糠样品及KBr(光谱纯)干燥处理，傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR，ALPHA-T型，德国布鲁克)分析菌糠表面官能团变化，扫描范围4000～400 cm-1.
X射线衍射仪(XRD，D/max2200型，日本理学)分析菌糠吸附剂吸附前后的晶型结构变化.操作条件为：Cu Kα辐射源，2θ扫描区间5°~80°，扫描速率4° · min-1，步距0.02°，波长0.154 nm，电压40 kV，电流30 mA.
3 结果与分析
3.1 响应面优化反应条件
单因素试验结果表明，当吸附剂投加量为30 g · L-1、pH 7.0、初始浓度75 mg · L-1、吸附时间120 min、温度25 ℃、转速150 r · min-1，吸附效果最佳，吸附率为77.96%.PB 试验选取投加量、pH、初始浓度、吸附时间、温度、转速为变量，吸附率为响应值，考察各因素对模型的显著情况.每个因素分高低两个水平，以单因素试验的最佳条件为高水平;以最佳条件低一个梯度的水平为低水平，确定试验的显著条件，即投加量25 g · L-1、pH 6.0、初始浓度50 g · L-1、 吸附时间90 min、温度20 ℃、转速120 r · min-1.由表 1知投加量、吸附时间、pH为显著因素.由表 2可见，失拟性不显著，变异系数(C.V.)值为0.89%较低，模型p值<0.05，显著，试验数据有效，用Design-Expert8.05b进行回归分析及回归拟合，得到响应值Y与因子A、B、C之间的回归方程：
式中，A代表投加量(g);B代表吸附时间(h); C代表pH.
表1 PB试验结果及其显著性分析
表2 响应面二次模型方差分析
对方程求一阶倒数，得到最佳条件是菌糠投加量31.6 g · L-1，吸附时间134 min，pH 6.99(因为实际操作中不容易控制，所以最优条件按pH=7.0处理)，吸附率可达80.51%，在此条件的基础上进行试验验证，平均值为80.32%，与理论值十分接近.比单因素最佳条件的吸附率提高了2.55%.
投加量过少，菌糠表面的活性基团数量有限，不能充分吸附铜离子，当投加量增加至31.6 g · L-1时，可以充分吸附铜离子，吸附率最高，超过31.6 g · L-1，吸附剂开始堆积，使菌糠之间粘连，导致吸附剂的净表面积减小，进而Cu2+的吸附率降低.pH值低于7.0时，H+含量较高，导致H+和Cu2+竞争生物剂上的结合位点.pH大于7.0时会产生Cu(OH)2沉淀影响吸附率，所以，试验最高pH设为7.0.随着吸附时间的延长，菌糠对铜离子的吸附率先增大后减小，在134 min时完成吸附，0~30 min期间是一个快速吸附过程，主要发生在中、高亲和力的吸附位点上;而30~134 min速度减慢，吸附主要发生在低亲和力的吸附位点上;在134 min吸附率达到最大后，菌糠表面的吸附位点饱和，亲和力较低的吸附位点上的铜离子脱离下来，发生解吸附，吸附率下降.
通过Design-Expert8.0.5b软件分析，得到各因素之间相互影响的响应面曲线图，如图 1所示.
图 1 三维曲面和等高线图
3.2 Langmuir等温吸附方程
吸附平衡所得数据用Langmuir方程进行拟合，得到的吸附等温线见图 2，说明菌糠吸附剂对铜离子的吸附容量qe与平衡浓度Ce的双倒数呈线性关系，拟合效果良好，符合单分子吸附模型.
图 2 qe与Ce的双倒数
3.3 菌糠表面表征 3.3.1 扫描电镜分析
菌糠吸附前后扫描电镜观察结果如图 3所示.吸附前(图 3a)菌糠表面可见纵向切面的导管腔及其上蓬松的菌丝，菌丝与木屑之间疏松多孔，错综复杂，提供较大的吸附面积.吸附后(图 3b)，木屑的导管腔管壁变薄，且可见明显腐蚀现象，表明长时间浸泡、振荡导致细胞壁不同程度破损，菌丝体变得紧密，且沉积在空隙之间，使菌糠表面变得紧密厚实，团聚状态良好不易再进行吸附.从吸附前后的变化可以推测，存在物理吸附行为，而物理吸附主要靠比表面能来实现.菌糠上，木屑与木屑之间，木屑表面本身，木屑与菌丝体之间都是多微孔，比表面积很大，能够满足物理吸附，而且在微孔中，吸附分子受到周围孔壁的叠加相互作用，吸附势能高于单一的平面吸附.
图 3 吸附前后扫描电镜下菌糠表面特征(a. 吸附前，b. 吸附后)
3.3.2 EDX能谱分析
菌糠吸附铜离子前后的X射线能谱图见图 4，各种元素的质量比及原子比见表 3.吸附前(图 4a)铜元素谱线峰处没有吸收峰，但从表 3中可见有微弱的吸收值，可能是因为食用菌生长时需要微量元素，也可能是浇灌食用菌的水中含有微量铜离子所致.吸附后(图 4b)，铜元素谱线峰处出现吸收峰，铜元素的质量和原子比重分别比吸附前增加10.19%和3.24%(表 3)，表明菌糠表面络合了铜离子.菌糠吸附铜离子后氧元素原子比重增加(表 3)，可能是发生了氧化反应，菌丝体生长所需的Na、Mg、Al、Ca元素在吸附后比吸附前原子比重下降，Cu元素原子比重增加，表明菌糠表面存在离子交换.Mg、Ca元素在吸附后质量和原子比重比Na、Al元素下降急陡，可能是Mg、Ca和Cu元素都为+2价离子，比较容易发生离子交换.在研究蓝绿螺旋藻吸附Cr3+，Cd2+和Cu2+时也报道了离子交换作用在吸附时起到的关键作用.
图 4 菌糠吸附前后的X射线能谱分析
表3 菌糠吸附前后的X射线能谱分析
3.4 红外试验分析(FTIR)
将吸附铜离子前后的两种菌糠，进行红外光谱分析，结果见图 5.菌糠吸收峰主要集中在—OH/—NH、C O、C—O等处，3415.40 cm-1、3360.11 cm-1处为—OH/—NH伸缩振动峰，吸附后吸收峰波数变化，表明—OH/—NH在吸附铜离子时发生反应，结合能谱分析结果，推测是氨基发生氧化作用，因为氨基活性大、极易被氧化成氮氧化合物;1631.80 cm-1、1646.18 cm-1为C O伸缩振动吸收峰，峰值吸附前后移动14.38 cm-1，表明羰基在吸附时发生反应;1238.00 cm-1、1243.58 cm-1是饱和脂肪酸的吸收峰，吸附后比吸附前移动5.58 cm-1，表明羧基在吸附时与铜离子发生配位反应;1507.58 cm-1为单环芳烃的C C伸缩振动峰，在吸附铜离子后，出现1462.68 cm-1C—H弯曲振动吸收峰，可能是芳烃环发生氧化，生成C—H键.可见菌糠吸附铜离子时起作用的有氨基、羟基、羰基、羧基和单环芳烃C C键，真菌细胞壁的几丁质和木屑的纤维素及多糖上富含这些基团.Gilbert等在用番木瓜种子吸附Pb2+和Cd2+时，也报道了氨基、羟基、羰基和羧基在吸附时的配位作用.
图 5 菌糠吸附铜离子前后的红外光谱(a. 吸附前; b. 吸附后)
3.5 X射线衍射分析(XRD)
由图 6 XRD图谱可知，在吸附前的能谱图上没有出现铜元素的衍射峰，吸附后出现铜元素的衍射峰.根据X射线衍射原理，所有物相无论处于何种状态都有其相应状态下的衍射特征曲线，结晶质的衍射峰尖锐，而非晶质的峰明显宽化.从图中可以看出吸附后比吸附前多出许多尖锐的吸收峰，菌糠吸附铜离子后出现了结晶态，由MDI Jade5.0软件检索分析，对照JCPDS PDF Card No.420663，衍射峰主要是铜元素谱线峰，其主要成分为Cu(NH3)3NO3，表明Cu2+与黑木耳菌糠中氨基发生配位络合反应，吸附前溶液中没有铵根离子，吸附后出现铵根及硝酸根离子，结合红外光谱分析发现氨基在吸附时发生了反应，更加确定氨基的络合反应，另有—OH、C—O—O、C—H等基团为铜离子的吸附提供了结合位点.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。
图 6 菌糠吸附铜离子前后的X射线衍射图(a. 吸附前; b. 吸附后)
4 结论
1)黑木耳菌糠吸附铜离子的最佳单因素条件是菌糠投加量30.0 g · L-1、pH 7.0、Cu2+初始浓度75 mg · L-1、吸附时间120 min、温度25 ℃、转速150 r · min-1，吸附率77.96%，优化后菌糠投加量31.6 g · L-1，吸附时间134 min，pH 7.0，吸附率可达80.51%，比单因素吸附率提高2.55%，吸附铜离子的模型符合Langmuir等温吸附方程，吸附效果显著，可作为新型离子吸附剂的良好材料，还可以达到“以废治废”的目的.
2)黑木耳菌糠的菌丝体与木屑之间疏松多孔，错综复杂，容易进行物理吸附.菌糠吸附铜离子时菌糠表面的羟基、氨基、羰基、羧基和单环芳烃C C键与铜离子发生配位络合作用、铜离子和菌糠表面的Mg、Ca等金属离子发生离子交换反应.