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一、背景

水体重金属污染已成为全球性的环境问题。引起水体污染的重金属主要指汞、铬、铅、镉以及砷类金属等生物毒性显著的元素。治理重金属污染废水日益受到人们的重视， 传统的治理方法分化学法和物理法， 但处理效果常常受到各种条件的限制，且成本较高。

生物吸附法是利用生物体或其衍生物吸附水体中的金属离子， 这种新型的处理方法因具有对环境毒害小、材料来源广泛以及操作成本低等优点受到研究者的关注。实践表明，用取自啤酒等发酵工业的废弃酵母吸附处理废水中低浓度的重金属离子有很好的吸附效果， 该法原料来源广泛，操作简单，而且能达到“以废治废”的目的。

二、酵母菌吸附重金属离子的机理

酵母活细胞吸附重金属离子的过程一般分为2个阶段。第1阶段是细胞表面吸附阶段，即胞外多聚物和细胞壁上的官能团(羧基、磷酰基、羟基、硫酸酯基和酰胺基等)与金属离子发生配位络合。第2阶段是细胞表面吸附的重金属离子在细胞表面相关酶(如水解酶、转移酶等)的作用下转移至细胞内并参与细胞代谢的过程。目前普遍被认可的生物吸附机理主要有离子交换、表面络合、无机微沉淀和静电吸附。

2.1

离子交换作用

酵母菌在吸附重金属离子的同时经常伴随其他阳离子(如K+，Na+，Ca2+，Mg2+等)的释放，因此可以把吸附作用看作一个离子交换过程。酿酒酵母吸附Zn2+，Pb2+和Ag+的过程可以促进酵母细胞释放自身的K+，Na+，Ca2+和Mg2+，这同样说明离子交换机制在酵母吸附重金属离子过程中发挥了重要作用。

2.2

考试注意事项

酵母菌吸附重金属离子的表面络合作用，是指细胞壁上的活性官能团与金属离子螯合或配位的过程。

2.3

无机微沉淀

生物吸附过程中，重金属离子能以硫酸盐、碳酸盐或氢氧化物等形式通过晶核作用在细胞壁或细胞内沉淀下来，从而达到富集重金属离子的目的。

2.4

静电吸附作用

C.D.Aharoni等利用原子力显微镜(AFM)的力－距离曲线方法研究了中性条件下酿酒酵母吸附Cu2+前后细胞表面静电性质的变化，结果表明，该变化促进了细胞与荷负电探针的吸附。

三、影响酵母菌吸附重金属离子的因素

（1）重金属离子的种类：

重金属离子的特性是影响生物吸附效果的本质因素。

（2）重金属离子的初始浓度与菌体浓度之比：

生物吸附法的最大优点是适用于处理含重金属离子浓度较低的废水。重金属离子的初始浓度与菌体添加量对吸附效果有显著影响。

（3）温度：

在酵母吸附重金属离子的过程中，温度对吸附效率也会产生重要影响。

（4）水体pH：

水体pH对细胞表面吸附位点的数目以及金属离子的化学存在状态都有很大影响，其直接影响氧化还原反应、无机微沉淀作用及配位络合作用。

（5）吸附时间：

一般认为，随着吸附时间的延长，吸附容量会增大，吸附效率也将提高；但是，酵母吸附重金属离子的过程通常在较短时间内即可完成，因此，应考虑酵母吸附平衡及解吸现象的发生。

（6）水体中的共存离子：

目前关于水体中共存离子对生物吸附效果影响的研究还处于初级阶段，尚无很好的数学模型来描述。

（7）酵母菌体的预处理：

作为生物吸附材料的酵母菌，其存在状态主要有活性酵母和致死酵母、游离态酵母和固定化酵母、改性酵母和化学修饰酵母。酵母菌体的存在状态不同，其吸附能力也不同。对酵母菌的预处理包括2方面：一方面是将酵母细胞表面去质子化，活化吸附位点；另一方面是改善酵母细胞表面基团的化学性能。

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四、吸附剂的解吸

对吸附重金属离子的吸附剂解吸，不仅使生物吸附剂得以再生，而且还可以达到回收金属离子的目的。常用的解吸剂主要有强酸、强碱、金属盐、螯合剂及络合剂等。

关于解吸机理，目前一般解释为：解吸剂与被吸附重金属离子互相竞争细胞表面的吸附位点，从而将重金属离子从吸附细胞上洗脱下来。

五、吸附动力学与吸附平衡模型

吸附动力学研究是设计生物吸附工艺过程的基础，对探讨吸附机理也很有帮助。用于描述生物吸附过程的动力学方程有准一级速率方程、准二级速率方程、Elovich方程、双常数速率方程等。

对酵母菌吸附重金属离子的过程进行分析归纳，建立吸附平衡模型，有助于吸附机理的探究，还可以解释、预测和评价其吸附性能。

为了描述二元或者多元金属的竞争吸附，已经发展出多种扩展的Langmuir型和Freundlich型吸附模式，如基于Langmuir型的BET方程、Schatchard曲线，以及利用多参数数学模型来描述多种金属离子间的竞争吸附模型和机理模型，其中表面络合模型和离子交换模型是目前提出的2类主要机理模型。

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