大腸桿菌與水體中U(Ⅵ)的作用行為和產(chǎn)物研究

黃 榮,覃貽琳,聶小琴*,董發(fā)勤,劉明學(xué),楊 剛,馬佳林,龔俊源,黃文波,陳 博

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大腸桿菌與水體中U(Ⅵ)的作用行為和產(chǎn)物研究

黃 榮1,1,聶小琴1*,2,劉明學(xué)3,楊 剛3,馬佳林1,龔俊源1,1,陳 博1

(1.西南科技大學(xué),,四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué),固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621010；3.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010)

通過(guò)批次吸附實(shí)驗(yàn)及介觀和譜學(xué)等表征方法,研究了大腸桿菌()粉末對(duì)水體中U(Ⅵ)的富集行為和吸附模型,并對(duì)其作用產(chǎn)物進(jìn)行了詳細(xì)分析.結(jié)果表明:大腸桿菌對(duì)初始濃度為50mg/L U(Ⅵ)溶液(pH＝5)的吸附容量可達(dá)到mg/g.Langmuir等溫模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能較好的描述其吸附過(guò)程. FTIR、SEM-EDS、XRD分析結(jié)果表明:在與水體中U(VI)作用后,大腸桿菌表面檢測(cè)出UO22+的紅外特征峰(876.16cm-1)和U的能譜吸收峰(結(jié)合能=).UO22+主要與菌體表面的烷基、氨基、羧基、分子間氫鍵發(fā)生作用,重點(diǎn)與PO2-、P(OH)2、PO43-以及PO3-等含P基團(tuán)進(jìn)行絡(luò)合配位,最終產(chǎn)物以CaU(PO4)2、Ca(UO2)2(PO4)2?H2O、NaUO2(PO3)3等鈾的磷酸鹽形式存在.

大腸桿菌；U(Ⅵ)；熱力學(xué)；動(dòng)力學(xué)；FTIR；含P基團(tuán)進(jìn)行絡(luò)合配位；SEM-EDS；XRD

在核工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中,鈾起到至關(guān)重要的作用,但在鈾礦開(kāi)采和鈾礦加工階段產(chǎn)生了大量的[1].在含鈾廢水中,U(Ⅳ)容易形成穩(wěn)定的絡(luò)合物而被沉淀,U(Ⅵ)通常以鈾酰離子(UO22+)的形式存在,易遷移擴(kuò)散[2],進(jìn)入食物鏈后,將對(duì)人類健康和環(huán)境造成危害[3-5].利用微生物處理低濃度含鈾廢水具有效率高、成本低、耗能少的優(yōu)點(diǎn).近年來(lái),很多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究[6].目前研究發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)U(Ⅵ)的富集機(jī)理主要包括生物表面吸附、體內(nèi)富集、氧化還原及生成無(wú)機(jī)微沉淀等[7-8,11-14,16-21],但國(guó)內(nèi)就微生物與水體中U(Ⅵ)作用產(chǎn)物的研究報(bào)道很少.譚文發(fā)等[8]指出關(guān)于微生物與U(Ⅵ)溶液作用后的產(chǎn)物及減重方式有待進(jìn)一步深入研究.

本文以大腸桿菌粉末作為研究對(duì)象,開(kāi)展了菌體與U(Ⅵ)的宏觀批次吸附實(shí)驗(yàn),并利用FTIR、SEM-EDS、XRD等分析方法,研究了大腸桿菌對(duì)U(Ⅵ)的吸附性能、吸附模型以及作用產(chǎn)物和減重效果.旨在為微生物處理低濃度含鈾廢水提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

1.1.1 測(cè)試儀器 各測(cè)試儀器名稱、型號(hào)、生產(chǎn)廠家如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)儀器Table 1 Laboratory apparatus

1.1.2 菌株和培養(yǎng)基 大腸桿菌()由西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心提供.菌種解凍后,接種到液體培養(yǎng)基中,在30℃、150r/min的恒溫培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)12h,得到活化菌體,通過(guò)平板劃線法得到單個(gè)長(zhǎng)勢(shì)好的菌落,挑選茁壯的菌落接種到新的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng),重復(fù)此步驟3次.將純化后的菌體接入到液體培養(yǎng)基中振蕩(150r/min、30℃)培養(yǎng)24h.離心(6000r/min,10min)取沉淀的菌體,用去離子水清洗3遍,烘干(60℃),研磨(過(guò)100目篩)待用.

培養(yǎng)基成分:牛肉膏3g,蛋白胨10g,NaCl 5g,蒸餾水1000mL,pH:7.0~7.2.

1.1.3 鈾溶液 稱取2.1092g UO2(NO3)2×6H2O,少量水溶解后,加入10mL硝酸,移入1000mL容量瓶中,用水稀釋至刻度,搖勻,得到1g/L的鈾溶液.通過(guò)稀釋得到實(shí)驗(yàn)所需濃度的鈾溶液.0.1mol/L、1mol/L HCl,和0.1mol/L、1mol/L Na2CO3調(diào)節(jié)U(Ⅵ)溶液pH值.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 吸附實(shí)驗(yàn) 移取20mL一定濃度的U(Ⅵ)溶液,0.006g預(yù)備好的大腸桿菌于50mL錐形瓶中(每組設(shè)置3個(gè)平行樣),置于搖床內(nèi)恒溫振蕩(150r/min)吸附一定時(shí)間,離心(6000r/min、10min),取10ml上清液,通過(guò)偶氮胂Ⅲ分光光度法測(cè)定上清液中殘余U(Ⅵ)濃度.利用式(1)、式(2)計(jì)算菌體對(duì)U(Ⅵ)的吸附率(%)和吸附量(mg/g).

式中:0為初始U(Ⅵ)濃度,mg/L;e為時(shí)刻剩余U(Ⅵ)濃度,mg/L;為溶液體積,L;為大腸桿菌干重,g.

1.2.2 機(jī)理分析 將吸附前和吸附作用1h后的大腸桿菌在60℃下烘至恒重,與KBr混合研磨壓片,在4000~400cm-1范圍內(nèi)測(cè)定其紅外光譜.

大腸桿菌與150mg/L U(Ⅵ)溶液作用一定時(shí)間后,離心收集菌體于烘箱中烘干至恒重.將菌體研磨分散于導(dǎo)電膠上,噴金處理后,對(duì)菌體表面進(jìn)行.

與U(Ⅵ)溶液中作用后的大腸桿菌炭化(加熱攪拌至無(wú)煙狀態(tài)),馬弗爐中灼燒(800℃,4h).經(jīng)XRD(=1.5406?、=40kV、=40mA、2=0o~80o、步長(zhǎng)為0.03342o)分析產(chǎn)物的物相,并通過(guò)式(3)計(jì)算灰化前后菌體的減重比(WDR).

式中:b為吸附后菌體質(zhì)量,干重,g;a為灰化后灰分質(zhì)量,g.

2 結(jié)果與分析

2.1 溶液pH值對(duì)吸附效果的影響

圖1為大腸桿菌在不同pH值條件下對(duì)U(Ⅵ)的吸附結(jié)果:溶液pH值在3~5時(shí),菌體對(duì)U(Ⅵ)的吸附能力隨pH值的升高而增強(qiáng).當(dāng)溶液pH值大于5時(shí),菌體對(duì)溶液中U(Ⅵ)的吸附能力降低.

圖1 溶液pH值對(duì)大腸桿菌吸附U(Ⅵ)的影響
Fig.1 Effect of pH on adsorption of U(Ⅵ) byE.coli0(U)＝50mg/L,＝1h,＝30℃,＝0.006g,＝20mL

利用Visual MINTEQ3.0模擬計(jì)算在不同pH值條件下,U(Ⅵ)初始濃度為50mg/L的溶液中的U(Ⅵ)離子的形態(tài)分布比例,結(jié)果如圖2所示:溶液pH值在3~4時(shí),Ⅵ)的形態(tài)主要為UO22+(86.57%~99.26%).pH值在4~5時(shí),U(Ⅵ)的形態(tài)主要為UO22+、(UO2)2(OH)22+、UO2OH+、(UO2)3(OH)5+.當(dāng)pH值在5~6時(shí),U(Ⅵ)主要以(UO2)4(OH)7+、(UO2)3(OH)5+(57.28%~72.13%) 存在.

當(dāng)pH=3時(shí),溶液中U(Ⅵ)主要以UO22+的形式存在,但大量H+與UO競(jìng)爭(zhēng)菌體表面活性吸附位點(diǎn),菌體對(duì)U(Ⅵ)的去除率僅為21.97%.隨著溶液pH值升高,溶液中游離H+減少.細(xì)胞壁官能團(tuán)中會(huì)有較多H3O+解離下來(lái)進(jìn)入溶液中,菌體表面出現(xiàn)更多能與UO22+發(fā)生絡(luò)合作用的負(fù)電荷基團(tuán)[9],吸附率呈增大趨勢(shì).在pH＝5時(shí),菌體對(duì)U(Ⅵ)的富集能力最強(qiáng),吸附率和吸附量分別為77.97%、130.44mg/g.隨著溶液pH值繼續(xù)增大,UO22+的水解加劇,生成離子半徑較大的(UO2)2(OH)22+、(UO2)3(OH)5+、(UO2)4(OH)7+.導(dǎo)致U(Ⅵ)與菌體表面吸附位點(diǎn)結(jié)合的空間位阻增大,當(dāng)溶液pH=6時(shí),菌體對(duì)U(Ⅵ)的去除率下降至61.78%.

2.2 時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

圖3為大腸桿菌對(duì)U(Ⅵ)的吸附效果與時(shí)間的關(guān)系:在吸附10min時(shí),吸附率和吸附量分別為74.10%,122.93mg/L.在1~2h時(shí),吸附率變化不明顯,最終吸附率和吸附量分別為78.43%, 130.11mg/g.在前10min,菌體表面存在大量活性吸附位點(diǎn),在靜電作用或細(xì)胞表面官能團(tuán)的配位作用下[10,14],菌體對(duì)溶液中U(Ⅵ)有較高的吸附速率.隨吸附反應(yīng)的進(jìn)行,菌體上大量吸附位點(diǎn)被占用,溶液中U(Ⅵ)濃度降低,菌體對(duì)U(Ⅵ)的吸附速率下降.

2.3 菌體投加量對(duì)吸附效果的影響

圖4為大腸桿菌濃度對(duì)吸附效果的影響:菌體對(duì)U(Ⅵ)的吸附量隨菌體濃度的增大而降低,0()=0.05g/L時(shí),吸附量等于276.89mg/g. U(Ⅵ)的去除率隨菌體濃度的增大.0()=1g/L時(shí),吸附率為89.37%.在菌體濃度大于0.3g/L時(shí),吸附率增大趨勢(shì)變得平緩.吸附位點(diǎn)的利用率明顯降低,但其吸附量維持在132.34mg/g.故本實(shí)驗(yàn)研究選擇菌體濃度為0.3g/L開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn).

2.4 初始鈾U(Ⅵ)濃度對(duì)吸附效果的影響

2.5 吸附熱力學(xué)分析

2.5.1 吸附等溫模型 Langmuir等溫吸附模型表示吸附劑上的吸附位點(diǎn)是均勻分布的且與溶質(zhì)進(jìn)行單層表面覆蓋吸附;Freundlich等溫吸附方程表示多層吸附.Langmuir和Freundlich線性表達(dá)式(4)和式(5):

式中:m表示理論最大吸附量,mg/g;e表示平衡時(shí)吸附量,mg/g;e表示溶液中剩余U(Ⅵ)濃度, mg/L;a表示吸附位點(diǎn)與溶質(zhì)結(jié)合穩(wěn)定度.f是Freundlich擬合常數(shù),表示吸附劑的吸附能力.為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),表示U(Ⅵ)濃度對(duì)吸附效果的影響.

從圖6和表2可以看出,在298K、303K、308K和313K時(shí),Langmuir和Freundlich吸附模型均具有良好的線性關(guān)系,但擬合參數(shù)2(Langmuir) >2(Freundlich).U(Ⅵ)主要與大腸桿菌表面均勻分布的特定活性位點(diǎn)發(fā)生單層吸附[15].a值在0~0.1內(nèi)、25.02

2.5.2 吸附熱力學(xué)參數(shù) 由公式(6)、(7)計(jì)算反應(yīng)的焓變(Δo)、反應(yīng)物和產(chǎn)物之間熵的變化(Δo)、Gibb’s自由能變化(D).若Do>0,則為吸熱反應(yīng),反之為放熱反應(yīng).若Δo>0說(shuō)明系統(tǒng)混亂度增加.o<0,表明該吸附反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行,若Do>0,則該吸附反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行[11].(=/e,=8.314J/(mol·K).

Do=Do-Do(7)

如表3所示:Δo>0、Δo>0、D<0.表明大腸桿菌對(duì)U(Ⅵ)的吸附反應(yīng)具有自發(fā)性和吸熱的特點(diǎn),隨著吸附反應(yīng)的進(jìn)行系統(tǒng)混亂度增加.

表2 大腸桿菌對(duì)U(Ⅵ)的吸附等溫常數(shù)Table 2 Adsorption isotherm constants of uranium biosorption byE.col

2.6 吸附動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)公式(8)和公式(9)分別對(duì)大腸桿菌吸附U(VI)的過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)擬合[12-13],公式(8)為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,公式(9)為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,和圖7.

ln(e-q)=lne-1(8)

式中:e和q分別表示吸附平衡時(shí)的吸附量和時(shí)刻的吸附量,mg/g;1(min-1)和2[g/(mg·min)]分別表示準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的速率常數(shù).

表4 大腸桿菌對(duì)U(Ⅵ)的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 4 Kinetic constants of uranium adsorption byE.col

從表4和圖7可以看出,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附模型可以更好地描述大腸桿菌對(duì)U(Ⅵ)的吸附過(guò)程,其線性相關(guān)系數(shù)2=0.9998.準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合得到的理論最大吸附量131.41mg/g與實(shí)驗(yàn)2.2所得的平衡吸附量129.74mg/g相當(dāng).準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型是假設(shè)在吸附過(guò)程中,吸附速率由吸附劑表面未被占有的吸附空位數(shù)目的平方值決定的,且受化學(xué)吸附機(jī)理的控制,推測(cè)在吸附過(guò)程中存在化學(xué)吸附作用.

2.7 紅外光譜分析(FTIR)

圖8為大腸桿菌與U(Ⅵ)作用前后的傅利葉紅外光譜圖(4000~400cm-1),對(duì)吸附作用前后菌體的紅外特征峰進(jìn)行分屬[9,14,16]. 3200~ 3800cm-1為締合的—OH振動(dòng)峰、分子間氫鍵及蛋白質(zhì)中—NH2鍵伸縮振動(dòng). 2900~3000cm-1主要來(lái)自于細(xì)胞壁中蛋白質(zhì)、脂類的—CH3、—CH2和—CH的對(duì)稱、反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰.1470~1700cm-1為酰胺基酰胺Ⅰ帶的C=O振動(dòng)和醛酮COO-的反對(duì)稱伸縮振動(dòng),酰胺Ⅱ帶的N—H彎曲振動(dòng)和C—N伸縮振動(dòng).1300~ 1470cm-1為—COOH的伸縮振動(dòng)、—CH3的彎曲振動(dòng)和—CH2的剪切運(yùn)動(dòng). 1000~1300cm-1為碳水化合物或醇類C—O、C—H的伸縮振動(dòng),磷酸基團(tuán)PO2-、P(OH)2對(duì)稱和非對(duì)稱.吸附鈾后菌體3289.68cm-1的吸收峰位移到3429.91cm-1,推測(cè)—OH、蛋白質(zhì)中-NH2可能參與吸附過(guò)程,在吸附過(guò)程中分子間作用力發(fā)生了改變.2927.10cm-1吸收峰為細(xì)胞蛋白質(zhì)、脂類中烷基伸縮振動(dòng),在吸附前后位移不明顯.酰胺基的1652.36cm-1和1541.44cm-1吸收峰位移到1633.67cm-1和1514.19cm-1,表明酰胺基可能與U(Ⅵ)作用.1075.92cm-1的吸收峰位移到1033.72cm-1,暗示細(xì)胞表面C—O、C—H可能與U(Ⅵ)作用.菌體1256.83cm-1處吸收峰消失,說(shuō)明磷酸基團(tuán)與U(VI)發(fā)生配位作用.在與U(Ⅵ)作用后,菌體表面出現(xiàn)UO22+的特征吸收峰(-1、876.16cm-1).劉明學(xué)[17]等的研究表明,920cm-1和922cm-1分別為水碳鈉鈣鈾礦(Na2Ca(UO2) CO3×6H2O)、鈣鈾云母(Ca[(UO2)(PO4)]×6H2O)的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰.結(jié)合本實(shí)驗(yàn)XRD分析結(jié)果,推測(cè)菌體919.80cm-1處的吸收峰為鈣鈾云母晶體.

2.8 掃描能譜分析(SEM-EDS)

2.9 作用產(chǎn)物(XRD)及減重分析

圖10為大腸桿菌與U(Ⅵ)作用后的X射線衍射結(jié)果,經(jīng)與無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(ICSD)的PDF2標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比,大腸桿菌與U(Ⅵ)作用的主要產(chǎn)物為鈾的磷酸鹽,包括CaU(PO4)2、Ca(UO2)2(PO4)2×H2O、NaUO2(PO3)3.菌體上部分U(Ⅵ)被還原為U(Ⅳ),這與Kazy等[20]報(bào)道的綠膿桿菌與U(Ⅵ)作用后生成含鈾磷酸鹽的結(jié)果比較相似.菌體吸附U(Ⅵ)之后,經(jīng)800℃灰化4h,其減重比為7.19.對(duì)富集U(Ⅵ)之后的菌體灰化處理,提高了鈾的磷酸鹽[CaU(PO4)2、Ca(UO2)2(PO4)2×H2O、NaUO2(PO3)3]在作用產(chǎn)物中的比例,使富集在菌體上的Ⅵ)轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的化合物,有利于對(duì)廢液中U(Ⅵ)的富集和回收.

表5 大腸桿菌吸附U(Ⅵ)灰化減重Table 5 The weight reduction about adsorption of U(Ⅵ) byE.coli

3 結(jié)論

3.1 在pH＝5、0(U)=50mg/L的溶液中,大腸桿菌粉末可在前10min內(nèi)完成74.10%的吸附率.最大吸附容量為276.89mg/g.

3.2 Langmuir等溫模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能較好的描述大腸桿菌對(duì)U(Ⅵ)的吸附過(guò)程,其過(guò)程具有吸熱、系統(tǒng)混亂度增加、自發(fā)進(jìn)行的特點(diǎn).

3.3 溶液中U(Ⅵ)與大腸桿菌作用過(guò)程中,主要與菌體表面的烷基、氨基、羧基等基團(tuán)作用,重點(diǎn)與含磷的基團(tuán)(如PO2-、P(OH)2)絡(luò)合配位.

3.4 U(Ⅵ)與大腸桿菌作用,最終生成鈾的磷酸鹽[CaU(PO4)2、Ca(UO2)2(PO4)2×H2O],菌體在灰化后出現(xiàn)新的物相[NaUO2(PO3)3].

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* 責(zé)任作者, 助理研究員, xiaoqin_nie@163.com

The adsorption mechanism and adsorptive products ofand uranium(VI) in water

HUANG Rong1, QIN YI-lin1, NIE XIAO-qin1*, DONG Fa-qin2, LIU MING-xue3, YANG Gang3, MA Jia-lin1, GONG JUN-yuan1, HUANG WEN-bo1, CHEN Bo1

(1.Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China；2.Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle, Ministry of Education, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China；3.School of Life Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)., 2016,36(6)：1780~1787

The accumulation behavior, adsorption model and adsorptive product for dryEscherichia colipowder adsorbing U(Ⅵ) were investigated by the batch absorption experiment, mesoscopic and spectroscopy characterization methods. The maximum biosorption capacity was 276.89mg/g when pH was 5and the initial U(Ⅵ) concentration was 50mg/L. The adsorption process could be well described by Langmuir isothermal model and the pseudo-second order model. FTIR (876.16cm-1, UO22+), SEM-EDS (2.4~4.4keV, U) and XRD results certified that U(Ⅵ) were successfully adsorbed on the cell surface of. UO22+mainly reacted with alkyl, amino, carboxyl and intermolecular hydrogen bond on the surface ofespecially complexing with P containing groups (PO2-, P(OH)2, PO43-and PO3-). After adsorption, U(Ⅵ) were transformed to uranium containing phosphate, such as CaU(PO4)2、Ca(UO2)2(PO4)2×H2O and NaUO2(PO3)3.

；U(Ⅵ)；thermodynamics；kinetics；FTIR；the containing P functional groups；SEM-EDS；XRD

X522

A

1000-6923(2016)06-1780-08

黃 榮(1994-),男,四川內(nèi)江人,西南科技大學(xué)本科生,主要從事放射性污染生物修復(fù)方面的研究.發(fā)表論文2篇.

2015-12-10

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2014CB846003);國(guó)家自然科學(xué)基金(41502316,41272371,41472310);核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室預(yù)先研究基金項(xiàng)目(15yyhk11);西南科技大學(xué)博士基金(15zx7109)