) 吸附之比較

崑 山 科 技 大 學 環 境 工 程 系

學 生 專 題 製 作 報 告

剛毛藻與水綿藻對水中重金屬鉻(Cr

) 吸附之比較

Biosorption of Cr(III) from Aqueous Solution by Cladophora sp. and Spirogyra sp.

指導教授：李依釗 班 級：四環四 A

專題組員：黃景義、王明仁、方炳勳、李柏緯、

黃億祥、張軒誠、溫建均

中華民國 100 年 5 月

剛毛藻與水綿藻對水中重金屬鉻(Cr

)吸附之比較

黃景義* 黃億祥* 張軒誠* 方炳勳* 李柏緯* 王明仁* 溫建均* 李依釗**

崑山科技大學 環境工程系

摘 要

臺灣現在的工業社會迅速發展，在許多紡織業及電子產業裡，擁有許多 重金屬及染料的使用，導致排放的廢水中含有許多的重金屬和染料色素，不僅危 害到河川的潔淨更危害到生態的發展。

剛毛藻吸附廢水中含鉻離子之重金屬溶液結果顯示，當鉻離子在 pH 值 5 時 吸附量為最大，溶液濃度為 150mg/L、藻粉劑量 0.5g、反應時間為 90 分鐘時，可 得鉻離子之最大去除率 6.4%。

水綿藻吸附廢水中含鉻離子之重金屬溶液結果顯示，當鉻離子在 pH 值 5 時 吸附量為最大，溶液濃度為 150mg/L、藻粉劑量 0.1g、反應時間為 90 分鐘時，可 得鉻離子之最大去除率 6.8 %。

關鍵字：剛毛藻、水綿藻

誌 謝

首先，我們要先感謝我們的指導老師 李依釗老師；感謝老師願 意收我們為專題學生，提供我們可以做研究的研究室，並撥出時間與 我們討論並指導我們，使我們的專題一天比一天更加進步並完整呈現 出來。

再來，我們要感謝實驗室的美瑜 學姐；感謝學姐在老師無法到校 指導我們的時候，適時的提出意見供我們參考並使我們減少實驗錯誤。

然後，我們要感謝環境工程系，因為有您們的課程規劃，使我們 懂得了解我們系上有哪些老師，他們的專長是什麼，也讓我們早一步 了解到我們未來的興趣會在哪個領域，並能提早了解到這個領域專業 部份在哪邊、問題在哪邊、研究重點在哪邊;因為有你們，才能使我們 大三、大四得到大大的充實機會。

最後，我們要感謝陪伴我們四年的同學們，因為有你們的陪伴、

鼓勵;我們一起努力、一起學習、一起玩樂、一起消除壓力；沒有你們，

我們這份報告也無法做出來，謝謝各位。

黃景義 王明仁 方炳勳 李柏緯 黃億祥 張軒誠 溫建均 于 崑山科技大學

目 錄

頁數 中文摘要 --- Ⅰ 誌謝 --- Ⅱ 目錄 --- Ⅲ 圖目錄 --- V

一、 前言--- 1

1.1 導論--- 1

1.2 研究目的--- 1

二、 文獻回顧--- 3

2.1 剛毛藻特性簡介--- 3

2.1.1 基本介紹--- 3

2.1.2 生長特性--- 4

2.2 水綿藻特性簡介--- 5

2.2.1 基本介紹--- 5

2.2.2 生長特性--- 6

2.3 吸附理論--- 7

2.3.1 物理吸附--- 8

2.3.2 化學吸附--- 9

2.4 吸附模式--- 10

2.4.1 Freundlich 等溫吸附式--- 10

2.4.2 Langmuir 等溫吸附式--- 11

2.4.3 BET 吸附模式--- 12

三、 材料及方法--- 14

3.1 實驗材料--- 14

3.1.1 藻類脫色材料--- 14

3.1.2 器材及儀器--- 14

3.1.3 吸附之重金屬溶液--- 15

3.1.4 藻種之選擇--- 15

3.2 藻粉脫色實驗--- 16

3.2.1 藻類之前處理--- 16

3.2.2 藻類脫色--- 19

3.2.3 藻粉之製程--- 23

3.3 重金屬的吸附實驗--- 23

3.3.2 pH 之影響--- 24

3.3.3 動力實驗--- 24

3.3.4 等溫吸附實驗--- 25

3.4 實驗儀器設備--- 25

3.4.1 原子吸收光譜儀--- 25

3.4.2 傅立葉轉換紅外線光譜儀--- 27

四、 結果與討論--- 30

4.1 剛毛藻粉吸附水中含鉻之重金屬溶液--- 30

4.1.1 pH 值對剛毛藻粉吸附 Cr³⁺溶液的影響--- 30

4.1.2 剛毛藻粉在不同 Cr³⁺濃度溶液吸附結果--- 30

4.1.3 剛毛藻粉在不同的反應時間下對於 Cr³⁺溶液的去除率 --- 30

4.2 水綿藻粉吸附水中含鉻之重金屬溶液--- 32

4.2.1 pH 值對水綿藻粉吸附 Cr³⁺溶液的影響--- 32

4.2.2 水綿藻粉在不同 Cr³⁺濃度溶液吸附結果--- 32

4.2.3 水綿藻粉在不同的反應時間下對於 Cr³⁺溶液的去除率 --- 32

4.3 利用 FTIR 分析藻粉之官能基--- 34

五、 結論與建議--- 38

5.1 結論--- 38

5.2 建議--- 38

參考文獻 --- 39

圖 目 錄

頁數

圖 1.1 研究流程圖--- 2

圖 2.1 水綿的細胞構造--- 5

圖 2.2 水綿之結合生殖--- 6

圖 3.1 顯微鏡下剛毛藻--- 15

圖 3.2 顯微鏡下水綿藻(單螺旋)--- 16

圖 3.3 顯微鏡下水綿藻(雙螺旋)--- 16

圖 3.4 藻類生長棲地--- 17

圖 3.5 藻類採樣--- 18

圖 3.6 藻類棲地水質取樣--- 18

圖 3.7 藻類清洗後乾燥--- 19

圖 3.8 剛毛藻浸泡於醋酸溶液中 3hr --- 20

圖 3.9 剛毛藻浸泡於 NaOH 溶液中一夜--- 20

圖 3.10 曬乾後之剛毛藻--- 21

圖 3.11 水綿藻浸泡於醋酸溶液中 3hr --- 21

圖 3.12 水綿藻浸泡於 NaOH 溶液中一夜--- 22

圖 3.13 曬乾後之水綿藻--- 22

圖 3.14 用過濾網取 0.1~0.5μm 粒徑的藻粉--- 23

圖 3.15 原子吸收光譜儀基本構造(環檢所)--- 26

圖 3.16 Thermo Nicolet 380FT-IR --- 27

圖 3.17 傅立葉轉換紅外線光譜儀原理與構造--- 27

圖 3.18 干涉圖--- 28

圖 4.1 不同濃度下之吸附量--- 31

圖 4.2 水綿藻在 150ppm 吸附量--- 33

圖 4.3 剛毛藻吸附重金屬 Cr³⁺前--- 35

圖 4.4 剛毛藻吸附重金屬 Cr³⁺後--- 35

圖 4.5 水綿藻吸附重金屬 Cr³⁺前--- 37

圖 4.6 水綿藻吸附重金屬 Cr³⁺後--- 37

一、前 言

1.1 導論

臺灣現在的工業社會迅速發展，在許多紡織業及電子產業裡，

擁有許多重金屬及染料的使用，導致排放的廢水中含有許多的重金 屬和染料色素，不僅危害到河川的潔淨更危害到生態的發展。

目前去除廢水中重金屬離子的方法有離子交換、混凝沉殿、逆 滲透、薄膜處理、蒸發回收等，但是在這些處理方法中發現，當金 屬廢水溶液為低濃度時所利用這些化學處理的效果並不好，而且其 處理的費用太昂貴。

近年來自然界藻類常被用於研發當作吸附材料的應用，來取代 昂貴的吸附材料（活性碳等〃〃〃），原因是藻類生長快速而且很 容易採集。

1.2 研究目的

本實驗藻體取自臺灣中南部河川上游溪流中常見的大型絲狀 藻剛毛藻及水綿藻，來進行吸附水中重金屬鉻 Cr(III)之研究。

在固定條件下，如 pH 值及藻類劑量，探討吸附隨反應時間之 變化。

文獻回顧

確定研究目標及方向

藻類採集分析及 顯微鏡之觀察

藻類清洗 藻類脫色 及儲存

藻粉之配 製

吸附 Cr³⁺實

驗 FTIR 官能

基分析

報告撰寫 剛毛藻吸

附之討論

圖 1.1 研究流程圖

二、文 獻 回 顧

2.1 剛毛藻特性簡介 2.1.1 基本介紹

綠藻門綠藻綱剛毛藻目的一屬。植物體為多細胞分枝的絲狀 體，附著生長在基質上；基部細胞有假根、或呈假根狀、其他細 胞柱狀；有的老年個體因脫離附著物而漂浮；一年生或多年生。

每個細胞有一個大的中央液泡，幼時色素體為一個，週位網狀，

老時可分散成為多數的顆粒狀，蛋白核多數，細胞核多數，都位 於週位的細胞質中及色素體以內。

細胞壁極厚，常有層次，表面的角質層含有 70％的蛋白質，常 粗糙，以至其上常有許多藻類附生；細胞分裂是由細胞質產生環 狀縊溝，和溝中的細胞壁物質沉積形成的橫隔，將細胞一隔為二 完成的；胞質並不同時分裂。

絲狀體的片斷，基細胞的假根都可以進行營養繁殖。無性生殖 時發育形成動孢子或產生厚壁孢子。有性生殖時產生雙鞭毛的同 形配子，有些種類有世代交替。

2.1.2 生長特性

剛毛藻多附生於淺湖或溪流中的沈水岩石和木頭上，也有海生 種。外觀粗糙，規則分枝的絲狀體被橫隔壁分成多核的節段。常 生成簇狀或球狀，可長達 13 公分(5 吋)。無性生殖產生四鞭毛的 小動孢子；有性生殖以雙鞭毛的配子結合，有時配子可不經結合 而發育。

本屬約 160 種，除極冷地點外，海水、鹹水、淡水中均有。淡 水種類多生於湖泊、池塘、溝渠中，固著於水中的岩石，溝邊石 質或洋灰砌岸之水面部分，井口磚石壁上甚至船底上，或成大團 漂浮水面。

若其生長過於繁盛，能堵塞淺水通道；在中國雲南，也有作為 食物的。此屬藻類大多對高酸鹼度較敏感，為高 pH 水體的指示植 物。淡水中常見的是團集剛毛藻，海產中常見者是束生剛毛藻。

2.2 水綿藻特性簡介 2.2.1 基本介紹

水綿大多數浮生在停滯的水中，用手摸會感覺黏黏滑滑的。於 顯微鏡下，可見其細胞呈筒狀，相聯構成不分枝的絲狀體。

圖 2.1 水綿的細胞構造

細 胞 內 有 一 大 型 的 中 央 液 泡 ， 所 以 細 胞 質 大 部 分 位 於 細 胞 的 周 圍；細胞核由細胞質絲互相牽引，懸浮於液泡中。其特色為：位 於細胞質中的帶狀、螺旋排列的葉綠體。水綿的有性生殖 – 接合 生殖（Conjugation），有梯狀接合（Scalariform）和側面接合（Lateral）

兩種。前者為常見的有性生殖，有二條不同的絲狀體接合，；後 者則由同一絲狀體的兩個鄰近細胞互相接合。接合時，兩細胞壁、

細 胞 膜 漸 行 突 出 、 延 長 ， 最 後 相 接 而 形 成 接 合 管 （ Conjugating tube）；繼之，一細胞中之原生質經接合管進入另一細胞，並與之 接合而形成接合子（Zygote）；接合子具厚壁，能抵抗不良環境。

成熟之接合子會沉入水底，經一段時期的休眠後，可萌發為新的

圖 2.2 上為水綿側面接合；下為水綿梯形接合

圖 2.2 水綿之結合生殖 2.2.2 生長特性

水綿是一種普遍生活在淡水里的真核多細胞藻類，因體內含有 1-16 條帶狀、螺旋形的葉綠體，所以呈現綠色。世界上大概有超過 400 種水綿，它們的寬度大概在 10-100μm 之間，長度最長可達數厘米。

大多生於乾淨且高鹼度硬度較高的水體中，一年的生長季中在五 月中到六月的上旬是產量最大的時期。夏季生長的水綿絲狀的細胞寬 大於 50μm。

水綿的生長推測應該與氣候條件有關，其中一個影響繁殖的條件 是氮，氮的耗盡促使水綿屬或其他淡水藻類的繁殖。

2.3 吸附理論

吸附(Adsorption)是利用吸附劑(Adsorbent)的吸附容量將溶液 中之吸附質(Adsorbate)結合於吸附劑表面的現象。

吸附作用可以區分為物理性吸附(Physical Adsorption)及化學 性吸附(Chemical Adsorption)。

物理性吸附其吸附能小於 10 Kcal/mole，主要的親和作用力為 凡得瓦力(Van der Waals)，當溶液中溶質與吸附劑間的吸引力大 於溶質與溶劑間之吸引力時，溶質即被吸附於吸附劑上，為一種 可逆反應。化學性吸附的吸附能大於 10 Kcal/mole，其親和作用 力是利用吸附質與吸附劑之活性位置間所形成的化學鍵結，是一種不 可逆現象，化學性吸附較少被用在環境工程上。

在環境工程中常利用吸附技術以去除廢、污水中的毒性物質，或 難以被生物降解的污染物如重金屬、農藥、清潔劑、臭味物質、或產 生色度的物質等。例如常用於環境工程上之吸附劑－活性碳(Activated Carbon)、活性鋁(Activated Alumina)或矽膠(Silicagel)等；在給水工 程中，利用活性碳可以去除臭味及色度；用於廢水的三級處理中，可 以用來吸附水中的色度、臭味及有機物質；也可以用於工業廢水的處 理中，以去除毒性有機物質。

2.3.1 物理吸附

吸附質分子與吸附劑表面原子或分子間以物理力進行的吸附作 用。這種物理力是范德瓦耳斯力，它包括色散力、靜電力和誘導力。

對於極性不大的吸附質和吸附劑，色散力在物理吸附中起主要作用。

當極性分子與帶靜電荷的吸附劑表面相互作用，或因吸附質與吸附劑 表面分子作用，使二者的電子結構發生變化而產生偶極矩時，定向力 和誘導力在物理吸附中也有重要作用。

有時吸附質分子與吸附劑表面以形成氫鍵的形式發生物理吸附。

物理吸附有以下特點：

①氣體的物理吸附類似於氣體的液化和蒸氣的凝結，故物理吸附 熱較小，與相應氣體的液化熱相近；

②氣體或蒸氣的沸點越高或飽和蒸氣壓越低,它們越容易液化或 凝結,物理吸附量就越大；

③物理吸附一般不需要活化能，故吸附和脫附速率都較快；任何 氣體在任何固體上只要溫度適宜都可以發生物理吸附，沒有選擇性；

④物理吸附可以是單分子層吸附，也可以是多分子層吸附;

⑤被吸附分子的結構變化不大,不形成新的化學鍵，故紅外、紫外 光譜圖上無新的吸收峰出現，但可有位移；

⑥物理吸附是可逆的；

⑦固體自溶液中的吸附多數是物理吸附。氣體吸附理論主要有朗 缪爾單分子層吸附理論、波拉尼吸附勢能理論、BET 多層吸附理論和 二維吸附膜理論

2.3.2 化學吸附

化學吸附是在吸附過程中不僅有引力，還運用化學鍵的力，其吸 附質與吸附劑之間產生了化學鍵結作用，當形成共價鍵時，稱為弱化 學吸附；形成離子鍵，稱為強化學吸附。若形成強化學吸附時，將使 脫附變得不可行。因此吸附能較大，要逐出被吸附的物質需要較高的 溫度，而且被吸附的物質即使被逐出，也已經產生了化學變化，不再 是原來的物質了，一般催化劑都是以這種吸附方式起作用。

2.4 吸附模式

2.4.1 Freundlich 等溫吸附式

e n

KC X m

x/   ^1/

式中

x=被吸附溶質的質量，mg m=吸附劑質量，g

X=單位質量吸附劑所吸附的溶質質量，mg/g。

Ce=達平衡時，溶液中溶質的濃度，mg/mL。

K,n =吸附常數

K, n 值可以利用實驗結果加以求得，其方法如下：

在全對數座標紙上，y 軸代表單位質量吸附劑所吸附之質量濃度 (X)，x 軸代表平衡濃度 C_e，將各實驗結果繪至於圖上，則各點所連 接起來的等溫吸附曲線應為一直線，其斜率為 1/n，截距為 log(K)。

或者是將等溫吸附式兩端取對數得 log(X) = logK + (1/n)logC_e，在 直角座標圖上，以 log(X)對 log(C_e)做圖，得到斜率為 1/n，截距為 log(K)。在 Freundlich 等溫吸附式中，當 Ce = C_o時，n 值與 x/m 值愈 大，則愈適用於吸附劑的吸附，以活性碳而言其 x/m 值一般在 0.2~0.8

2.4.2 Langmuir 等溫吸附式

常用於單層的吸附現象，其假設如下：

吸附劑上有許多吸附活性位置(Activate Site)，且每一個活性位置均可 以吸附一吸附質分子。

每個吸附活性位置對吸附分子的親和作用力均相同。

當吸附質分子吸附於一活性位置上便不再行脫附，且不會影響到另一 吸附質分子的吸附行為。

吸附劑的最大吸附容量為每一活性位置均吸附了單一層的吸附質分 子。

Langmuir 等溫吸附式其公式如下：

e e

KC X aKC m

x

 

 1

式中 a=吸附飽和時，被吸附物質量與吸附劑之比；

K=實驗常數 a, K 值可以利用下列方法求得：

將上式之左、右兩邊各取倒數得

a aKC

X _e

1 1 1  

以 1/X 對 1/C_e作圖，可以得到一直線，直線的斜率為 1/aK，截距為

2.4.3 BET 吸附模式

BET 吸附模式為多層的吸附模式，其假設為：

1. 吸附劑可以吸附超過一層的吸附壁。

2. 每一層的吸附能力均相同，且每一層的吸附行為可以用 Langmuir’s 等溫吸附式加以說明。

BET 等溫吸附式

    _



 



  





s e s

e m

C a C C

C

C ax m

x

1 1

式中

xm=單層最大吸附量

Cs=污染物在水中的飽和濃度 a=BET 吸附常數

BET 等溫吸附式中的吸附常數 a 及單層最大吸附量 xm可以利用下列方 式求得：

將 BET 等溫吸附式重新整理成如下的關係式：

^C_s^CeC_e^{m  ax1}_m ^aax_m^1CC_s^e

以^C_s ^CC_e^e^x/m_對^CCe_s 作圖，可以得到一直線，其斜率為 ^axm

a 1

，截距為

axm

1

，利用斜率和截距的關係式即可以求得 a 及 x_m值。

三、材 料 及 方 法

3.1 實驗材料

3.1.1 藻類脫色材料

實驗之醋酸(CH₃COOH)，亞氯酸鈉(NaO2Cl) 3.1.2 器材及儀器

3.1.2.1 器材

01.定量瓶(50ml，100ml，250ml，500ml 及 1000ml) 02.三角錐瓶(250ml)

03.燒杯(500ml) 04.過濾篩網 05.過濾器 06.磁石棒 07.藥勺 08.玻棒 09.磁石 10.滴管

3.1.2.2 儀器

01.原子吸收光譜儀(AA) 02.磁石攪拌器

03.分析天平 04.過濾裝置 05.水浴槽

3.1.3 吸附之重金屬溶液 Cr(NO3)3‧9H2O 3.1.4 藻種之選擇

台灣南部河川所採集之淡水大型絲狀藻剛毛藻(Cladophora sp.)及 水綿藻(Spirogyra rhizopus)

圖 3.1 顯微鏡下剛毛藻

圖 3.2 顯微鏡下水綿藻(單螺旋)

圖 3.3 顯微鏡下水綿藻(雙螺旋) 3.2 藻粉脫色實驗

3.2.1 藻類之前處理

因為剛毛藻全年有二個明顯的生長期分別為 4~5 月及 10~11 月也 常受到臺灣氣候(梅雨季，颱風等…)的影響，所以每次採集藻類都必

須大量採集備用。

從河床採集回來之藻體，需先使用光學顯微鏡鏡檢是否為所需之 藻體。

確認後將其用清水反覆清洗數次將藻體上的小砂石、泥沙等雜質 清洗乾淨，再利用去離子水清洗藻體 2~3 次，清洗乾淨的藻體攤平至 陰暗處自然乾燥，確認藻體完全乾燥後，放置袋子裡儲放備用。

圖 3.4 藻類生長棲地

圖 3.5 藻類採樣

圖 3.7 藻類清洗後乾燥

3.2.2 藻類脫色

NaClO2經調配成 0.4M 之濃度後加入醋酸緩衝溶液，以 2g 藻重對 100ml 溶液之比例，將藻體加入 NaClO2溶液裡攪拌 1 至 2 分鐘，使藻 體可以均勻分散且與溶劑充分接觸，放置水浴槽以 60℃進行水浴 3 小 時，待藻體完全脫色後取出。 取出後先以清水沖洗藻體至 pH 接近中 性，再使用 0.1N 之 HCl 將其溶液調整至 pH 為 7，最後再將藻體以 0.1N 的 NaOH 溶液浸置一夜，浸置後之藻體取出來再次用二段水清洗，以 去除表面所殘留之溶劑，並再次測定藻體之 pH 值為中性後，放置室 溫下自然風乾。

圖 3.8 剛毛藻浸泡於醋酸溶液中 3hr

圖 3.9 剛毛藻浸泡於 NaOH 溶液中一夜

圖 3.10 曬乾後之剛毛藻

圖 3.12 水綿藻浸泡於 NaOH 溶液中一夜

3.2.3 藻粉之製程

取經自然風乾後之片狀藻體，將其藻體裁剪至適當大小後，放置 磨碎機以 5500rpm 之轉速磨 5~10 分鐘，所得到之藻粉再進行過篩，

最後選擇藻粉粒徑範圍在 0.59mm~0.104mm 作為本實驗用之研究藻粉

圖 3.14 用過濾網取 0.1~0.5μm 粒徑的藻粉 3.3 重金屬的吸附實驗

以配製濃度為 1000mg/L 之 Cr(III)溶液備用 3.3.1 實驗步驟

本實驗為批次實驗，實驗過程中使用 250ml 錐形瓶在室溫下進行 實驗反應。取 200ml 已知 Cr³⁺溶液和精秤後的乾燥粉放置旋轉攪拌器 上攪拌，利用 0.1N NaOH 來調整 Cr³⁺溶液的 pH 值，反應時間 90 分鐘，

反應後使用 1μm 的玻璃纖維濾膜過濾，過濾後之溶液進行原子吸收 光譜儀檢測其 Cr³⁺溶液中剩餘濃度。

q=(C0-Ce)/W

q=吸附達平衡時之吸附量(mg/g) C0=初始濃度之重金屬含量(mg/L) Ce=吸附達平衡時之重金屬含量(mg/L)

W=吸附劑劑量(g/L) 3.3.2 pH 之影響

選擇四種 pH 值 3、4、5、6 之 Cr³⁺溶液進行藻粉生物吸附實驗，

藻重之劑量為 0.5 g/L，Cr³⁺溶液濃度為 50~250 mg/L，並量測其 Cr³⁺之 剩餘濃度。

3.3.3 動力實驗

選擇 Cr³⁺濃度為 50、100、150、200、250 mg/L 溶液，藻重劑量選 擇為 0.5、1.0、2.0 g/L，反應時間選擇 10、20、30、60、90 分鐘，並 觀察 Cr³⁺之剩餘濃度。

R=a(t)b

(3.1)

R=去除率；a 和 b 分別為動力常數；t=反應時間(min) 利用線性關係將(3.1)式改為:

log R=log a+b log t (3.2)

3.3.4 等溫吸附實驗

選擇 Cr³⁺濃度為 50、100、150、200、250 mg/L 溶液，藻重劑量選 擇為 0.5、1.0、2.0 g/L，Cr³⁺之剩餘濃度。

Langmuir 之等溫吸附模式:

1/qe=1/(XmbCc)+1/Xm (3.3)

qe=每克的藻粉可以吸附之重金屬量(mg/g)

Cc=平衡濃度(mg/L)

Xm=生物吸附容量(mg/g) b=Langmuir 常數(L/mg) Freundlich 之等溫吸附模式

q=KFCe1/n

(3.4)

q=每克的藻粉可以吸附之重金屬量(mg/g) Ce=平衡濃度(mg/L)

KF和 n 皆為 Freundlich 常數 3.4 實驗儀器設備

3.4.1 原子吸收光譜儀

原子吸收光譜法(Atomic Absorption Spectrometry)已廣泛被運用 在醫學、環境、食品及化學工業等領域中重金屬之分析。最早出現原 子 吸 收 光 譜 法 文 章 是 由 澳 洲 Alan Walsh 在 1955 年 發 表

於”Spectrochim.Acta”。其基本原理是”自由原子(Free Atoms)吸收 由中空陰極射源所發射出之特定波長，原子由基態被激發至激發 態”，總吸收率是由存在自由原子吸收此波長的原子數而定，如圖 3.15。

圖 3.15 原子吸收光譜儀基本構造(環檢所)

一般原子吸收光譜法之技術可分為火焰式、石墨爐、氫化法及冷 蒸氣原子吸收光譜法，在本文將著重探討火焰式原子吸收光譜法。

一般火焰式原子吸收光譜儀之操作參數包括以下五點：

(1) 火焰高度的調整：每一個元素最佳的反應高度並不一樣，故必須調整其高度以 達到最佳吸收度。圖二為鉻、鎂及銀在不同火焰高度吸收度之差異。

(2) 燃料比例：每一個元素的操作靈敏度受氣燃比之影響相當大，某些元素可能適 合氧化焰(Lean)，但有些可能適合還原焰(Rich)。圖三為鉻在不同火焰操作條件 下其吸收度之差異。

(3) 燈管電流：電流的大小也會影響吸收度。如果燈管的電流太小，則吸收度會下 降，但如果太高則可能因自身吸收效應(Self Absorption Effect)使其吸收度下降。

圖四為鎂在不同燈管電流操作下，吸收度之差異性比較。

(4) 狹縫寬度：狹縫太小則使進入的光能量太弱，使吸收度下降，太寬則使進入的

選擇較適當的狹縫寬度。圖五為鎳在不同狹縫寬度設定下其吸收度之差異性比 較。

(5) 波長選擇：元素吸收靈敏度與所選擇的波長有很大的關係，通常每一個元素多 有數個波長可供選擇，可依據分析的需求選擇適當的波長。表二為銅原子在空 氣-乙炔燃燒條件下不同吸收波長其靈敏度的比較。

3.4.2 傅立葉轉換紅外線光譜儀

FT-IR 的光學系統主要是由 Michelson Interferometer 所組成，其 原理與構造如圖 3.17 所示：

圖 3.16 Thermo Nicolet 380FT-IR

圖 3.17 傅立葉轉換紅外線光譜儀原理與構造

由紅外線光源產生不同波長混合的光束，經 Collimator 變成平行 後再被 Beam Splitter 分成兩束光，一束到達固定鏡(Fixed Mirror)在反

射，另一束到移動鏡(Moving Mirror)再返回 Beam Splitter，並在此產 生干涉，光束再經 Conversing Mirror 後通過 Sample 到 Detector，這了 束光的光徑剛好差 2 倍的移動鏡所移動的距離(x)，移動鏡會自動移動 位置，以產生干涉圖(Interference Pattern)。如圖 3.18 所示。

圖 3.18 干涉圖

將一連續光源所產生的干涉圖(I(x))經傅立葉轉換後得(I(λ

-1))or I(λ) )之光譜(Spectrum)，由於 Thermo Nicolet 380FT-IR 為單 光束系統，無雙光束系統的參考光束所得的背景數據(background data)，故需先做空白試驗得背景數據(background data)，再做樣本試 驗得樣本數據(Sample data)，儀器再自動除以背景數據以得到穿透率 (transmittance，％T)光譜，即一般的 FT-IR 光譜(％T vs λ^-1)。

FT-IR 比傳統 IR 具下列優點：

(1) 因為 FT-IR 採全波數同時測定，沒有經過分光，所以能量較 傳統的 IR 大許多。

(2) 傳統 IR 掃描一張光譜圖需要幾分鐘，而 FT-IR 僅需幾秒鐘的 時間。

(3) 波數更精確且不需要做波長校正。

(4) 解析度較高

(5) 除了傳統的穿透式技術測量外，亦可採用反射的技術，來測 量無法或是不易製成薄膜的材料。

四、結 果 與 討 論

4.1 剛毛藻粉吸附水中含鉻之重金屬溶液 4.1.1 pH 值對剛毛藻粉吸附 Cr³⁺溶液的影響

對於重金屬的吸附實驗，pH 是一個很容易改變藻類吸附重金屬結 果的重要因子，不同 pH 值與不同剛毛藻劑量的條件對於 Cr³⁺吸附溶液 的影響。

4.1.2 剛毛藻粉在不同 Cr³⁺濃度溶液吸附結果

本實驗設定二種不同的 Cr³⁺濃度溶液，其設定值分別為 150 及 200 mg/L，而剛毛藻劑量設定 0.5 g/L，可從實驗結果圖得知，當 Cr³⁺溶液 的濃度為 150 mg/L 時，剛毛藻粉去除溶液中 Cr³⁺最大去除率可達 6.4%。

不同剛毛藻劑量對於吸附水中 Cr³⁺溶液之影響

4.1.3 剛毛藻粉在不同的反應時間下對於 Cr³⁺溶液的去除率

此實驗為找出剛毛藻粉吸附 Cr³⁺溶液達到平衡的反應時參數設定 為 10、20、30、60 及 90 分鐘，剛毛藻粉劑量設定在 0.5 g/L，其實驗

結果如下圖所示

吸附曲線

0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

0 20 40 60 80 100

時間(min)

吸附量 mg/g

150ppm 200ppm

圖 4.1 不同濃度下之吸附量

4.2 水綿藻粉吸附水中含鉻之重金屬溶液 4.2.1 pH 值對水綿藻粉吸附 Cr³⁺溶液的影響

對於重金屬的吸附實驗，pH 是一個很容易改變藻類吸附重金屬結 果的重要因子，不同 pH 值與不同剛毛藻劑量的條件對於 Cr³⁺吸附溶液 的影響。

4.2.2 水綿藻粉在不同 Cr³⁺濃度溶液吸附結果

本實驗設定一種不同的 Cr³⁺濃度溶液，其設定值為 150 mg/L，而剛 毛藻劑量設定 0.1 g/L，實驗的結果如下圖所示，可從實驗結果圖得 知，當時間經過 90 分鐘時，剛毛藻粉去除溶液中 Cr³⁺最大去除率達 6.8%。

4.2.3 水綿藻粉在不同的反應時間下對於 Cr³⁺溶液的去除率

此實驗為找出水綿藻粉吸附 Cr³⁺溶液達到平衡的反應時參數設定為 10、20、30、60 及 90 分鐘，剛毛藻粉劑量設定在 0.1 g/L，其實驗結 果如下圖所示

吸附曲線

0.000 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000

0 20 40 60 80 100

150ppm

圖 4.2 水綿藻在 150ppm 吸附量

4.3 利用 FTIR 分析藻粉之官能基 利用 FTIR 分析剛毛藻粉及水綿藻粉在未進行 Cr³⁺溶液吸附與吸附

重金屬後藻粉官能基其差異比較。取剛毛藻粉與 KBr 約 1:5 的比例，

放置瑪瑙缽中研磨均勻混合，放置油壓打碇機，打碇成片後，放置 FTIR 儀器進行分析。

剛毛藻吸附 Cr³⁺前之 FTIR 圖譜，如圖 4.3 所示，剛毛藻之官能基 包括有 N-H 基(3376.39 cm^-1)，Amide I N-H 基(1660.12 cm^-1)，及多醣 體(1150.26 cm^-1)等，上述官能基主要由多醣體及蛋白質所構成，其結 果與 Liping Deng 等人(2007)分析 Cladophora sp.結果相似。

剛毛藻吸附 Cr³⁺後之 FTIR 圖譜，如圖 4.4 所示，從圖譜判斷其本 實驗應為物理吸附。

666.029

1059.411

1163.946

1336.766

1429.123

1656.430

2896.069

3351.230

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64

%Transmittance

500 1000

1500 2000

2500 3000

3500 4000

Wavenumbers (cm-1)

圖 4.3 剛毛藻吸附重金屬 Cr³⁺前

413.101420.311

613.955

1058.829

1163.395

1430.580

1544.696

1654.972

2283.923

3366.921

52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76

%Transmittance

500 1000

1500 2000

2500 3000

3500 4000

Wavenumbers (cm-1)

圖 4.4 剛毛藻吸附重金屬 Cr³⁺後

水綿藻吸附 Cr³⁺前之 FTIR 圖譜，如圖 4.5 所示，其官能基之波峰 位置為 N-H 基(3398.31 cm^-1)，CH₂基(2927.80 cm^-1)，Amide I N-H 基 (1551.48 cm^-1)及多醣體(1134.11 cm^-1)等，發現官能基的波峰強度略為 減弱。

水綿藻吸附 Cr³⁺後之 FTIR 圖譜，如圖 4.6 所示，從圖譜判斷其本 實驗應為物理吸附。

圖 4.5 水綿藻吸附重金屬 Cr³⁺前

668.651

1060.595

1112.7351163.877

1336.544

1430.033

1655.074

2361.735

2895.396

3349.294

44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72

%Transmittance

500 1000

1500 2000

2500 3000

3500 4000

Wavenumbers (cm-1)

圖 4.6 水綿藻吸附重金屬 Cr³⁺後

453.060

620.124

1060.057

1162.993

1427.312

1546.774

1655.599

2923.389

3406.374

44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68

%Transmittance

500 1000

1500 2000

2500 3000

3500 4000

Wavenumbers (cm-1)

五、結 論 與 建 議

5.1 結論

1.剛毛藻吸附廢水中含鉻離子之重金屬溶液在 pH 值 5 時吸附量為最 大，150mg/L 之鉻離子之去除率達 6.4%。

2.水綿藻吸附廢水中含鉻離子之重金屬溶液在 150mg/L 之鉻離子之去 除率達 6.8%。

3.反應時間達 90 分時吸附效果趨近平衡。

4.相較於其它重金屬溶液，鉻離子的吸附效果遠比其它溶液還來得低。

5.實驗結果得知這兩種藻類對於去除水中鉻離子的效果是不好的。

5.2 建議

1.本研究所使用之剛毛藻粉為自行配製。因此每區水質的不同，常衍 生不同的剛毛藻屬，是否影響所配製藻粉品質，而所配製藻粉的品質 穩定性如何控管，均值得深入研究。

六、參 考 文 獻

01.王衍嵐、邱仕傑、蕭士維、陳希堯、范崇祐，(2008)剛毛藻吸附水 中重金屬銅，學生專題報告，崑山科技大學環境工程系。

02.黃世俊，(2009)水綿屬及剛毛藻屬大型絲狀藻對重金屬(Cu²⁺)吸附 比較之研究，碩士論文，崑山科技大學環境工程系。

03.葉文吉，葉則敬，陳金源 (2008)臺灣海水剛毛藻，屏東教育大學 學報-理工類，第二十八期，pp.117-138。

04.施郁庭，(2007)台灣南部河川上游水綿屬與剛毛藻屬之分怖及其生 長環境因子探究，碩士論文，國立成功大學環境工程系

05.葉旗福，火焰原子吸收光譜儀之運用，第四十八期

06.http://www.mse.ttu.edu.tw/content/intro/equipment/FTIR/FT-IR.doc 傅 立葉轉換紅外線光譜儀

07.http://baike.baidu.com/view/472261.htm 剛毛藻屬-百度百科 08.安全文化网，化学吸附，2006 年 11 月 21 日

09.http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1508031102839 化學吸附與物理吸附的差別為何?

10.http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=zh-TW&sl=zh-C N&u=http://www.hudong.com/wiki/%25E7%2589%25A9%25E7%2590

%2586%25E5%2590%25B8%25E9%2599%2584&prev=/search%3Fq%3 D%25E5%2590%25B8%25E9%2599%2584%25E7%2590%2586%25E8

kJrhj4daWiNuYIrBNdE74Z4q7dlACvqA 物理吸附

11.http://www.thermo.com/eThermo/CMA/PDFs/Product/productPDF_52266.pdf

Thermo Nicolet 380FT-IR