黏質(zhì)沙雷氏菌對稀土廢水中Dy(Ⅲ)的生物吸附性能及吸附機(jī)理分析*

沈吉利 梁長利,2 任嗣利#

(1.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.黃淮學(xué)院生物與食品加工工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

稀土元素鏑(Dy)被廣泛應(yīng)用于核能、冶金、電子、化學(xué)工程和計算機(jī)等領(lǐng)域[1]，是工業(yè)生產(chǎn)的重要原材料。隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，Dy的需求量逐年增加。目前，稀土冶煉企業(yè)通常將低濃度稀土廢水直接排放，不但造成了嚴(yán)重的稀土資源浪費(fèi)，并且對周圍生態(tài)系統(tǒng)的安全和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2-3]，因此迫切需要尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的從廢水中回收稀土元素的方法。

針對稀土廢水處理，微生物吸附法因具有操作成本低、吸附和解吸速率快、選擇性高、對稀溶液處理效果好、可再生、環(huán)境友好等特點(diǎn)具有良好的應(yīng)用前景[4]。目前已有一些針對微生物吸附稀土離子的研究[5-6]，但主要集中在輕稀土領(lǐng)域，針對重稀土吸附的研究較少。對于Dy這種具有重要經(jīng)濟(jì)價值的重稀土元素則多采用無機(jī)合成材料吸附[7-8]，應(yīng)用微生物吸附的研究鮮有報道。為此，本研究以贛南稀土礦區(qū)廢水中分離的黏質(zhì)沙雷氏菌作為生物吸附劑吸附稀土廢水中的Dy(Ⅲ)，研究廢水pH、吸附時間、Dy(Ⅲ)初始濃度和細(xì)菌生物量對吸附效果的影響，通過吸附動力學(xué)和吸附等溫線研究了黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附動力學(xué)行為和吸附作用方式，從而為微生物吸附法在稀土廢水處理和稀土資源回收中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與材料

實(shí)驗(yàn)材料：牛肉膏、蛋白胨、瓊脂均為市售產(chǎn)品直接使用；NaCl、HCl、HNO3和NaOH均為分析純；Dy2O3純度為99.9%；實(shí)驗(yàn)過程中的用水為超純水(18.25 MΩ/cm)。

菌株培養(yǎng)：從贛南某稀土礦區(qū)篩選分離黏質(zhì)沙雷氏菌，在牛肉膏蛋白胨平板上活化24 h，挑取生長較好的單克隆轉(zhuǎn)接于液體培養(yǎng)基中，在30 ℃、200 r/min的條件下于水浴恒溫振蕩器中培養(yǎng)48 h，最后在4 ℃、10 000 r/min下離心10 min后收集菌體，用無菌水洗滌3次去除表面殘留培養(yǎng)基后離心收集備用。

Dy(Ⅲ)儲備液：用含一定HCl的去離子水配置Dy(Ⅲ)儲備液，Dy(Ⅲ)質(zhì)量濃度為1 000 mg/L，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計，利用Dy(Ⅲ)儲備液配置不同濃度的Dy(Ⅲ)溶液。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)

單因素吸附實(shí)驗(yàn)在100 mL錐形燒瓶中進(jìn)行，燒瓶內(nèi)裝有20 mL Dy(Ⅲ)溶液，調(diào)節(jié)溶液pH、Dy(Ⅲ)初始濃度、吸附時間和吸附劑用量后充分吸附，吸附結(jié)束后在4 ℃、10 000 r/min低溫離心機(jī)上離心10 min，測定上清液中剩余的Dy(Ⅲ)濃度，計算Dy(Ⅲ)去除率及吸附量，所有實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次取平均值。

1.3 樣品表征

用Zetasizer Nano ZS90型Zeta電位儀分析不同pH溶液中黏質(zhì)沙雷氏菌表面的Zeta電位；采用MLA650F型場掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)對吸附前后黏質(zhì)沙雷氏菌的表面形貌和元素組成進(jìn)行了分析；采用傅立葉紅外光譜(FTIR)和X射線光電子能譜(XPS)研究黏質(zhì)沙雷氏菌表面官能團(tuán)的組成和元素變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 Zeta電位分析

不同pH溶液中，黏質(zhì)沙雷氏菌表面Zeta電位變化見圖1。黏質(zhì)沙雷氏菌表面Zeta電位隨著溶液pH的升高逐漸降低，pH=4.18為黏質(zhì)沙雷氏菌的零電荷點(diǎn)，低于該pH時Zeta電位為正值，而當(dāng)pH>4.18時，Zeta電位為負(fù)值且電負(fù)性隨著pH的增加而增強(qiáng)，因此適當(dāng)提高溶液pH有利于帶正電荷的Dy(Ⅲ)通過靜電作用吸附在黏質(zhì)沙雷氏菌表面[9]。

圖1 黏質(zhì)沙雷氏菌在不同pH溶液中的 Zeta 電位Fig.1 Zeta potentials of Serratia marcescens in solution with different pH

2.2 黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附行為研究

配置初始質(zhì)量濃度為30 mg/L的Dy(Ⅲ)溶液，調(diào)節(jié)黏質(zhì)沙雷氏菌用量為0.4 g/L，利用HCl、NaOH調(diào)節(jié)Dy(Ⅲ)溶液pH分別為2.00、3.00、4.00、5.00、6.00，充分吸附120 min后測定剩余Dy(Ⅲ)濃度，計算黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量，結(jié)果見圖2。

圖2 溶液pH對黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)的影響Fig.2 The effects of pH on the adsorption of Dy(Ⅲ) by Serratia marcescens

由圖2可見，當(dāng)Dy(Ⅲ)溶液pH從2.00增加到6.00時，黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量由2.50 mg/g迅速提高到102.79 mg/g，這是因?yàn)閜H越高，黏質(zhì)沙雷氏菌表面的電負(fù)性越大，越有利于Dy(Ⅲ)通過靜電吸引作用吸附到黏質(zhì)沙雷氏菌上。XU等[10]在利用農(nóng)桿菌HN1吸附La(Ⅲ)和Ce(Ⅲ)時也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。當(dāng)Dy(Ⅲ)溶液pH高于5.50時，Dy(Ⅲ)易出現(xiàn)沉淀干擾現(xiàn)象。因此，選擇pH為5.00進(jìn)行后續(xù)吸附實(shí)驗(yàn)。

配置初始質(zhì)量濃度為30 mg/L的Dy(Ⅲ)溶液，調(diào)節(jié)Dy(Ⅲ)溶液pH為5.00，黏質(zhì)沙雷氏菌用量為0.4 g/L，充分吸附360 min，期間不定時取樣測定Dy(Ⅲ)濃度，計算黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量，結(jié)果見圖3。

圖3 吸附時間對黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)的影響Fig.3 The effects of adsorption time on the adsorption of Dy(Ⅲ) by Serratia marcescens

由圖3可見，隨著吸附時間的增加，黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附分為兩個階段。首先，吸附量在前90 min內(nèi)迅速增大，此后緩慢增加并在120 min時基本達(dá)到吸附平衡。在吸附初始階段，溶液中Dy(Ⅲ)濃度較高，黏質(zhì)沙雷氏菌表面存在大量吸附活性位點(diǎn)，有利于Dy(Ⅲ)的吸附，因此吸附速率較快。隨著吸附過程的進(jìn)行，黏質(zhì)沙雷氏菌活性結(jié)合位點(diǎn)數(shù)量逐漸減少，從而降低了吸附劑與金屬離子相互碰撞的概率[11]，吸附速率逐漸降低，直到達(dá)到平衡。因此，選擇吸附時間為120 min進(jìn)行后續(xù)吸附實(shí)驗(yàn)。

利用Dy(Ⅲ)儲備液配置初始質(zhì)量濃度分別為10、20、30、50、70、90、110 mg/L的Dy(Ⅲ)溶液，調(diào)節(jié)Dy(Ⅲ)溶液pH為5.00，黏質(zhì)沙雷氏菌用量為0.4 g/L，充分吸附120 min后取樣測定溶液中Dy(Ⅲ)濃度，計算黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，隨著Dy(Ⅲ)初始質(zhì)量濃度從10 mg/L增加到110 mg/L，黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量從38.71 mg/g提高到97.97 mg/g。隨著Dy(Ⅲ)濃度的進(jìn)一步增加，黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量逐漸穩(wěn)定，說明黏質(zhì)沙雷氏菌表面結(jié)合位點(diǎn)對Dy(Ⅲ)的吸附基本達(dá)到飽和，吸附過程達(dá)到平衡。

圖4 Dy(Ⅲ)初始質(zhì)量濃度對黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)的影響Fig.4 The effects of initila Dy(Ⅲ) mass concentration on the adsorption of Dy(Ⅲ) by Serratia marcescens

配置初始質(zhì)量濃度為30 mg/L的Dy(Ⅲ)溶液，調(diào)節(jié)Dy(Ⅲ)溶液pH為5.00，控制黏質(zhì)沙雷氏菌用量分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 g/L，充分吸附120 min，吸附結(jié)束后取樣測定Dy(Ⅲ)濃度，計算Dy(Ⅲ)的去除率，結(jié)果見圖5。

圖5 不同黏質(zhì)沙雷氏菌用量下Dy(Ⅲ)的去除率Fig.5 The removal rate of Dy(Ⅲ) under different Serratia marcescens dosage

由圖5可見，當(dāng)黏質(zhì)沙雷氏菌用量從0.1 g/L增加到0.6 g/L時，Dy(Ⅲ)的去除率由32.43%上升到95.86%。這是由于溶液中Dy(Ⅲ)的濃度固定，黏質(zhì)沙雷氏菌用量增加，吸附劑總表面積增加，能夠吸附更多的Dy(Ⅲ)，因此Dy(Ⅲ)去除率相應(yīng)提高。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)稀土廢水中Dy(Ⅲ)濃度調(diào)整吸附劑的用量，以平衡處理成本和效率。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)Dy(Ⅲ)溶液pH為5.00、吸附時間為120 min、Dy(Ⅲ)初始質(zhì)量濃度為30mg/L、0.4 g/L黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量和去除率可分別達(dá)到95.81 mg/g和95.86%。

表1 黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附等溫線參數(shù)Table 1 Isotherm parameters of Dy(Ⅲ) adsorption by Serratia marcescens

2.3 吸附動力學(xué)和吸附等溫線

2.3.1 吸附動力學(xué)

為了研究黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)的動力學(xué)行為，并分析吸附過程中是否存在粒子內(nèi)擴(kuò)散過程，分別用準(zhǔn)二級動力學(xué)模型(見式(1))[12]2460和顆粒內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型(見式(2))[13]1577對吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合：

(1)

Qt=kit0.5+C

(2)

式中：t為吸附時間，min；Qt為吸附t時的吸附量，mg/g；k2為準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)，g/(mg·min)；Qe為平衡吸附量，mg/g；ki為第i個吸附階段的顆粒內(nèi)擴(kuò)散吸附速率，mg/(g·min1/2);C為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，C為與界面層厚度相關(guān)的常數(shù)，C值越大，吸附邊界效應(yīng)越大。

根據(jù)吸附數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)為0.99接近于1，說明可以用該模型描述黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附動力學(xué)行為，該吸附過程主要為化學(xué)吸附[12]2466，準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)為0.012 g/(mg·min)。顆粒內(nèi)擴(kuò)散動力學(xué)模型擬合結(jié)果表明，黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附過程包含3個階段，第1、2、3階段的顆粒內(nèi)擴(kuò)散吸附速率分別為5.27、0.62、0.15 mg/(g·min0.5)，第1階段(0～50 min)為顆粒外擴(kuò)散階段，Dy(Ⅲ)吸附速率最快，因?yàn)槲匠跗谌芤褐蠨y(Ⅲ)濃度較高，在濃度驅(qū)動力的作用下，Dy(Ⅲ)迅速吸附到細(xì)菌表面，初始30 min內(nèi)Dy(Ⅲ)的吸附率可達(dá)68.55%；第2階段(50～120 min)為逐漸吸附階段，已吸附的Dy(Ⅲ)阻礙了溶液中的Dy(Ⅲ)向細(xì)菌表面的擴(kuò)散，減緩了擴(kuò)散速度；第3階段(120 min后)吸附量基本保持不變，意味著吸附達(dá)到平衡。此外，顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型中，Qt與t1/2的擬合線均未通過原點(diǎn)，說明顆粒內(nèi)擴(kuò)散不是黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)的限速步驟[13]1579。

2.3.2 吸附等溫線

采用Langmuir方程和Freundlich方程兩種等溫吸附模型對黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)的過程進(jìn)行了擬合，Langmuir方程和Freundlich方程表達(dá)式分別見式(3)、式(4)[14-15]：

1/Qe=1/(QmKLce)+1/Qm

(3)

lgQe=1/nlgce+lgKF

(4)

式中：Qm為理論最大吸附量，mg/g；KL為Langmuir吸附常數(shù)，L/mg；ce為吸附平衡時溶液中Dy(Ⅲ)質(zhì)量濃度，mg/L；KF為Freundlich吸附常數(shù)，mg1-1/n·L1/n/g；n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，與吸附體系性質(zhì)有關(guān)。

Langmuir方程、Freundlich方程的擬合結(jié)果見表1?？梢钥闯?，Langmuir方程擬合相關(guān)系數(shù)為0.99，更接近于1，表明黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附更符合Langmuir模型，吸附過程為單分子層的化學(xué)吸附[16]。用Langmuir方程計算黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的理論最大吸附量為96.45 mg/g，與實(shí)際最大吸附量95.81 mg/g更加吻合。ZAKI等[17]利用腐殖酸吸附稀土廢水中的Dy(Ⅲ)，平衡吸附量為18.3～39.1 mg/g，LIU等[18]發(fā)現(xiàn)殼聚糖膜對Dy(Ⅲ)的最大吸附量為23.3 mg/g，比較可知黏質(zhì)沙雷氏菌在吸附Dy(Ⅲ)上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，有望用于稀土廢水中有價稀土元素的回收。

2.4 吸附機(jī)理研究

2.4.1 SEM分析

圖6為黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)前后的SEM圖。吸附前，黏質(zhì)沙雷氏菌表面相對光滑，而吸附后的黏質(zhì)沙雷氏菌表面變得粗糙，細(xì)胞表面有沉積物，這可能是由于吸附在黏質(zhì)沙雷氏菌表面的Dy(Ⅲ)所致。根據(jù)EDS分析結(jié)果(見表2)，黏質(zhì)沙雷氏菌細(xì)胞表面Dy的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從吸附前的0增加到吸附后的3.39%，進(jìn)一步證實(shí)了Dy(Ⅲ)成功地吸附在黏質(zhì)沙雷氏菌表面。此外，Na、Ca、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅下降，說明Dy(Ⅲ)可能通過與Na+、Ca2+、K+等金屬離子發(fā)生離子交換而吸附在細(xì)胞表面。大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母菌對Cd2+的吸附中也存在類似的離子交換現(xiàn)象[19]。

圖6 黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)前后的SEM圖Fig.6 SEM images of Serratia marcescens before and after adsorption of Dy(Ⅲ)

表2 黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)前后表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 The mass percentage of various element of Serratia marcescens before and after adsorption of Dy(Ⅲ) %

2.4.2 FTIR分析

黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)前后的FTIR圖譜見圖7。吸附前，黏質(zhì)沙雷氏菌在3 200～3 600 cm-1的強(qiáng)寬帶可以歸因于—OH/—NH的拉伸振動[20]，該寬峰的存在表明黏質(zhì)沙雷氏菌中存在大量的羥基和氨基。2 924、2 857 cm-1處的雙峰是甲基或亞甲基的典型不對稱和對稱拉伸振動峰[21]。1 646 cm-1處為酰胺Ⅰ帶中C=O的伸縮振動峰，1 548 cm-1為酰胺Ⅱ帶中N—H的彎曲振動峰[22]2282。黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)后，1 646 cm-1處特征峰峰位移至1 643 cm-1，1 548 cm-1處特征峰位移至1 534 cm-1，這與氨基中—NH的彎曲振動有關(guān)[23]，可能是Dy(Ⅲ)與黏質(zhì)沙雷氏菌蛋白質(zhì)上的氨基發(fā)生了絡(luò)合作用所致。此外，1 384 cm-1處特征峰表示蛋白質(zhì)酰胺Ⅲ帶中的C—N伸縮振動吸收峰[22]2282，吸附Dy(Ⅲ)后峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，可能是Dy(Ⅲ)與酰胺基團(tuán)中的氮成鍵，使得酰胺基團(tuán)C—N鍵兩端電負(fù)性差別增大，偶極矩變大，導(dǎo)致振動強(qiáng)度增強(qiáng)。由此表明，氨基和酰胺基團(tuán)在Dy(Ⅲ)吸附過程中發(fā)揮了重要作用。

圖7 黏質(zhì)沙雷氏菌吸附Dy(Ⅲ)前后的FTIR圖譜Fig.7 FTIR pattern of Serratia marcescens before and after adsorption of Dy(Ⅲ)

2.4.3 XPS分析

2.4.4 黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附機(jī)理

黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附機(jī)理有3種：(1)在適宜pH下，黏質(zhì)沙雷氏菌表面具有較高的電負(fù)性，可有效吸引帶正電荷的Dy(Ⅲ)離子，即黏質(zhì)沙雷氏菌可通過靜電吸引作用促進(jìn)Dy(Ⅲ)的吸附；(2)Dy(Ⅲ)與黏質(zhì)沙雷氏菌中Na+、Ca2+、K+、Mg2+等金屬離子發(fā)生離子交換進(jìn)入生物吸附材料；(3)Dy(Ⅲ)與黏質(zhì)沙雷氏菌中的—NH2和—COOH等活性官能團(tuán)發(fā)生配位作用，增強(qiáng)了黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附。

本研究中黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的生物吸附能力明顯高于其他材料，可以較好滿足從稀土廢水中回收Dy(Ⅲ)的要求。分析原因，黏質(zhì)沙雷氏菌株從江西省稀土礦山廢水中篩選出來，在Dy(Ⅲ)溶液中長期馴化處理，因此對Dy(Ⅲ)表現(xiàn)出良好吸附能力；其次黏質(zhì)沙雷氏菌與無機(jī)合成材料相比，其表面含有大量活性官能團(tuán)從而提供了更為豐富的吸附活性位點(diǎn)。研究結(jié)果為微生物法在稀土廢水處理的實(shí)際應(yīng)用提供了科學(xué)參考和數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 論

采用黏質(zhì)沙雷氏菌吸附去除稀土廢水中的Dy(Ⅲ)，考察了溶液pH、Dy(Ⅲ)初始濃度、吸附時間和吸附劑用量等對吸附過程的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Dy(Ⅲ)溶液pH為5.00、吸附時間為120 min、Dy(Ⅲ)初始質(zhì)量濃度為30 mg/L、0.4 g/L黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附量和去除率可分別達(dá)到95.81 mg/g和95.86%。黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附過程為Langmuir單層吸附，遵循準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)模型。黏質(zhì)沙雷氏菌對Dy(Ⅲ)的吸附主要通過靜電吸引作用和離子交換作用進(jìn)行，此外黏質(zhì)沙雷氏菌表面分布的—COOH、—NH2基等含N、O的基團(tuán)可通過配位作用吸附Dy(Ⅲ)。