深海微生物Wangia profunds SM-A87胞外多糖固定化吸附及其条件优化

摘要

Wangia profunda SM-A87所产胞外多糖(Exopolysaccharide，简称EPS)SM-A87 EPS是一种安全、高效、易于生物降解的吸附剂，对重会属Pb(Ⅱ)的吸附效果较好。为了改善SM-A87 EPS的分离及再生性能，采用固定化微生物技术，以环境友好材料聚乙烯醇(PVA)和海藻酸钠(SA)为载体，对SM-A87 EPS进行了固定化。通过正交试验设计对SM-A87 EPS固定化条件进行了优化；通过静态吸附实验考察了固定化SM-A87 EPS小球吸附Pb(Ⅱ)的影响因素；分析了固定化SM-A87 EPS小球吸附Pb(Ⅱ)的热力学和动力学过程；通过固定床吸附柱实验对固定化SM-A87 EPS小球的动态吸附行为进行了研究。
　　 正交试验设计以PVA、SA、EPS质量分数及硬化时间为因素，以Pb(Ⅱ)去除率为主要指标，以成球性、多糖溶出率、耐酸性为辅助指标，获得了固定化EPS小球的最优配比为ω(PVA):ω(SA):ω(EPS):ω(H2O)=0：2：1：100，最佳硬化时间为16h。固定化EPS小球的微观形貌显示，小球内部孔隙率较高，外表粗糙且有细小狭缝和孔洞不均匀分布在表面，吸附后表面分布变致密。固定化EPS小球的多糖溶出率为2.17％(72h)。
　　 通过静态实验，研究了固定化EPS小球用量、pH和吸附时间对固定化EPS小球吸附Pb(Ⅱ)的影响。结果表明在初始Pb(Ⅱ)浓度为10mg/L，pH=4.0，固定化EPS小球用量为0.2g/L，20℃条件下，固定化EPS小球吸附量达到最大值，为56.25mg/g;固定化EPS小球吸附Pb(Ⅱ)的过程分为三个阶段，即快速吸附阶段(0-120min)、慢速吸附阶段(120-360min)和稳定阶段(360-720min)，360min后吸附逐渐达到平衡。热力学研究表明，固定化EPS小球的吸附量随着初始Pb(Ⅱ)溶液浓度的增加而升高；Langmuir等温线能够较好地拟合固定化EPS小球吸附Pb(Ⅱ)的热力学过程，相关回归系数为0.984，理论最大吸附量为306.7mg/g。固定化EPS小球吸附Pb(Ⅱ)的过程符合准二级动力学模型，颗粒内扩散曲线表明，吸附受两种或两种以上的扩散过程影响。解吸实验表明，0.1M HCl对固定化EPS小球的解吸能力最强，解吸率为98.12％。经过五次循环吸附解吸，解吸率和吸附率均略有下降，表明固定化EPS小球的可重复利用能力较好。
　　 通过固定床吸附柱实验，考察了柱高和流速对固定床吸附柱吸附Pb(Ⅱ)的影响，研究发现吸附柱对Pb(Ⅱ)的吸附依赖于实验条件的变化，较大的柱高(2.5cm)或较低的流速(2.0mL/min)均有利于穿透时间的延长。Thomas模型能够较好地拟合固定化SM-A87 EPS吸附柱吸附Pb(Ⅱ)的动力学过程。柱高对穿透时间的影响较好地服从BDST模型(R2＞0.87)。两次循环吸附解吸实验表明，固定化SM-A87 EPS吸附柱在吸附循环2中的穿透时间增加，耗竭时间减小；两次解吸的初始解吸速率较快，后期解吸速率变慢；吸附-解吸循环1周期较长，吸附柱在实际吸附-解吸超过450h后（耗竭时间+解吸时间），仍然表现出较好的吸附性能(tb=144.78h)，解吸率超过80％。