1、动能和平衡研究铀(VI)吸附的地衣芽孢杆菌Zheng-ji Yi Jun Yao摘要 铀污染是一个极其严重的世界问题。生物吸附已被建议作为一个最有前途的技术去除铀酰正离子。我们在这里报告的吸附行为的铀(VI)U(VI)在地衣芽孢杆菌生物量探索潜力的应用程序在铀污染控制。吸附平衡、吸附动力学的影响,生物吸附剂温度、pH 值和初始剂量的吸附平衡是通过批量实验进行详细的研究。吸附过程是显着地受溶液的 pH 值和最佳 pH 值范围应该是4.5 - -5.0。温度范围从25到45度有一定影响生物吸附率 ,影响平衡吸附能力。U(VI)的比例增加,与此同时去除增加生物质剂量, 而吸附能力下降。这个过程遵循朗
2、缪尔等温线模型。吸附动力学数据是很适合的符合一级速率模型。最后,计算结果的热力学常数(DG 0)和动力学常数(Ea = 9.98焦每摩尔)显示,吸附过程可以看成是一个自发的化学过程。目前的结果表明,已经相当大的潜在的地衣芽移除铀从水溶液。关键词 铀 生物吸附 地衣芽孢杆菌 pH 等温线 动能介绍铀污染沉积物和地下水从采矿和加工业务,核燃料和武器生产, 核废物处置是一个广泛的全球问题。特别是,铀作为主要的放射性 污染物经常存在的形式,UO22六价铀酰吗?或铀(VI)U(VI)。这种氧化状态往往是高度可溶性和可以轻松迁移,这有可能造成负面影响水生生态系统和人类水资源。因此,所有含铀废水要么应该回收
3、回到处理电路重用或处理后排放到环境中。因此,大已作出努力,探索各种各样的物理和化学方法治疗这种污染物。传统的物理或化学修复方法去除 U(VI)阳离子从环境主要包括化学沉淀 ,石灰混凝、离子交换、反渗透,电渗析1,2。实际上,所有这些方法都有他们自己的缺点,比如昂贵的成本(高试剂和能源需求)、生产的有毒污泥或其他废物,不完整的金属切削,可怜的提取率为低级 U(VI)污染。考虑到这些缺点 ,有一个伟大的需要寻找其他技术,以消除U(VI)污染有效地从各种表面水域,地面水域和沉积物以防止其进一步的迁移。在过去的几十年里,生物吸附,作为一个新兴的有用的技术,已经引起了极大的关注为清除和恢复的放射性核素从
4、消除铀酰离子由于其效率降低的集中 U(VI)到非常低的水平以及使用廉价的生物吸收材料。我们的生物吸收变化像微生物、农业副产品、工业废弃物等,已用于 U(VI)生物吸附3 - 11。特别是,许多研究都集中在了生物吸收的去除 U(VI)使用不同种类的微生物,如3、真菌、放线菌、和酵母16。地衣芽孢杆菌是一种无处不在的、腐生土壤细菌被认为,有助于养分循环由于它能够分泌各种各样的酶。它已经被用于工业生产的蛋白酶,淀粉酶、抗生素、和特种化学品无不良影响人类健康或环境。近年来,b 地衣芽也被发现能分泌一种生物活性物质叫做 c 聚(谷氨酸)胶囊聚合物在他们的重要活动17。化学结构的这种物质有许多羧酸盐阴离子
5、群体解决能力强约束力的金属阳离子,因此使 b .地衣芽显示在废水处理中的应用前景良好。尽管一些科学家研究了使用 b 去除各种污染物地衣芽- 21),但据我们所知,生物吸附 U(VI)通过 b .地衣芽已经很少报道。本研究的目的是检查潜在使用 b .地衣芽生物量吸附剂去除 U(VI)从水溶液。摄取 U(VI)研究了由 b .地衣芽作为函数解的 pH 值、温度、接触时间,生物吸附剂集中在一个批处理系统。吸附动力学以及吸附等温线也调查了。材料和方法中国,上海。所有本研究中使用的化学物质的分析级。所有的实验方案准备用蒸馏水。生物吸附实验铀的生物吸附在 b .地衣芽研究了生物质通过批量平衡实验。一般来说
6、,50毫升 U(VI)的解决方案是混合了已知数量的干 b .地衣芽粉在一系列的250毫升锥形烧瓶。你的 pH 值(VI)的解决方案是根据需要调整使用1.0摩尔/ L 氢氧化钠和1.0摩尔/升硝酸混合之前与生物质。然后实验继续一个旋转瓶(140转/分钟)。一个样本的解决方案是间歇性地拔 ,离心机12000 g,持续15分钟和 U(VI)决定在上层的。移除和吸附容量百分比 U(VI)到生物量使用以下方程得到:铀去除百分比=（C0 C）/C0*100Q=（C0 C）V/M在问(mg / g)是数量的 U(VI)吸附到单位质量吸附剂(mg / g),C0和 C(mg / L)的浓度 U(VI)在解决方
7、案之前和之后,分别生物吸附 ,V(L)的体积。水溶液和 M(g)是干重的吸附剂。铀自由和生物吸收剂空格被用作控制。每个实验重复三次,平均价值得到。U(VI)浓聚物测定样品中使用一个标准的微量滴定法15。平衡等温线批处理生物吸附数据被安装了朗缪尔和弗伦德里希等温线。模型的线性化朗缪尔表示为以下 Eq。 (1):Ceq/Qeq=1/Qmax Ceq+1/bQmax在 Qeq(mg / g)表示平衡吸附能力,Qmax(mg / g)最大的单层吸附容量、量表(mg / g)剩余U(VI)集中在解决方案在平衡时,b(L / mg)朗缪尔 con 恒吸附相关的能量。和 b Qmax 可以确定从一块1 /
8、Qeq 与1 /测查。弗伦德里希的线性化模型可以表示为以下 Eq。(2):lnQeq =lnKf+1/n lnCeq在 Qeq(mg / g)表示平衡吸附能力、量表 (mg / g)剩余 U(VI)浓度动力学建模为了检查动力学 U(VI)吸收在 b .地衣芽生物量、伪第一、二阶动力学模型用于分析的吸附动力学。在符合一级方程式,基于坚实的能力, 通常是表达了如下 :Qt=Qeq1 exp(-k1 t)在 Qeq 和 Qt 是大量的吸附金属每单位细胞团在平衡和一段时间后 t(min),分别;k1是速率常数的伪一阶吸附(最低为1 天)。速率常数的值(k1) 和 Qeq 为伪第一顺序吸附反应可以通过绘
9、图 Qt 和 t 以及进一步的非线性回归分析。线性形式的伪二阶方程可表述为7:t/Qt=t/Qeq +1/k2Qeq*2在 k2(g / mg /分钟)是速率常数二阶吸附。速率常数的值(k2)和 Qeq 为伪二阶吸附反应可以在绘制 t / Qt 和 t 以及进一步的线性回归分析。热力学参数的生物吸附温度的影响在吸附率可以表示数学由以下阿累尼乌斯方程22:ln k = ln A -Ea/RT这里 R 反映了通用气体常数 (8.314 J /摩尔/K),T(K)绝对温度、Ea(焦每摩尔)活动-保护能源独立因素中,温度和 k(最低为1天) 的速率常数为符合一级生物吸附反应,分别。激活能量为U(VI)
10、生物吸附的生物量可以求得边坡的线性块 lnk 与1 / T。热力学参数自由能的变化,DG,是考虑为了确定流程将自然而然地发生在给定的温度。热力学参数的 DG,吸附流程计算使用下面的方程式。 (6),(7)对于温度范围从298到328 k DG=RT ln Kd Kd=Ceq,ad/Ceq在 Kd 是平衡常数 (mg / L)金属离子的浓度对吸附剂在平衡(mg / L),R 宇宙气体常数 (8.314 J /摩尔/ K),T(K)绝对温度。统计分析实验数据被安装在上述的吸附等温线模型(朗缪尔和弗伦德里希) 以及吸附动力学模型(符合一级和伪第一第二)通过线性或非线性回归分析使用软件起源8.0 。相
11、关系数和其他参数也决定使用这个软件。结果与讨论pH 值的影响先前的研究已经表明,在金属生物吸附 pH 值是其中最关键的环境因素影响不仅网站分离状态,但是水的化学性质。金属 :水解、络合作用,氧化还原反应,降雨康复等。此外,它可以确定物种形成以及吸附可用性的金属23。所以在你的 pH 值的影响(VI)吸附的 b 因此地衣芽研究第一。这个数量的 U 吸附作为一个函数解的 pH 值是图1所示。当 pH 值是 小于2.0,数量的 U(VI)吸收是小。这个数量的 U(VI)吸收增加而增加 ,一个最 pH 值增加是发现 pH 值3.0和4.5之间。在 pH 值4.5 - -5.0,达到最大值。随后在 pH
12、 值超过5.0, 一个快速下降生物吸附发生。结果表明,U(VI)由细胞生物吸附深受初始 pH 值。在低 pH 值,羧基、磷酸盐和氨基基团在细胞表面成为使质子化和细胞表面水合氢离子所包围,从而不会有利于附件的带正电荷的阳离子 ,由于更大的 铀酰排斥力24 。与增加 pH 值, 细胞表面变得更加否定的间带电,有利于铀酰吸附。这个的水解铀物种依赖于溶液的 pH 值和总铀反对向心性的解决方案。在这个范围的酸性至接近中性 pH 值,四个主要水解复杂的离子,UO22+, U 和溶解的固体柱铀矿(4 uo3 9 h2o)存在于原。在水解平衡如下4:UO2 2 +2 h2 O=UO2(OH)+H3 O +pK
13、1=5.8 2 uo2 2 +4 h2O=UO22 (OH)2 2 +2 h3 O +pK2=5.623 uo2 2 +10 h2O=UO23 (OH)5 +5 h3 O +pK3=15.63在繁荣正义党是对数的平衡常数。当 pH 值变得足够低,二阶自由 UO22吗?成为占主导地位的离子形式在解决方案。随着 pH值增加,UO22的百分比在解决方案减少 ,而比例的单价的水解物种,UO2 ，(UO2)3,增加。应该指出,单价,甚至更高的亲和力的生物质在离子交换与质子 ,因为他们可以取代单质子在单独的绑定 ing 网站生物质。此外,由于 UO22吗?是二价,它只能够代替两个质子在相邻的结合位点的生物
14、量但不能对这些网站从彼此相距很远。因此,增加 pH 有利于 U(VI)吸附由于增量的单价离子。在更高的 pH 值超过5.5,柱铀矿沉淀发生这降低了溶解 U(VI)集中在解决方案25 。铀吸附可能部分推迟或减少干扰浓缩铀酰在这种情况下。温度和吸附时间的影响这个效应温度对生物吸附 U(VI)到生物质能研究了298 年和328年之间 K 在 pH 值为5.0。这是发现,298年到年温度变化和328 K 在一定程度上影响了生物的速度吸附在早期吸附过程,特别是大调的荷兰国际集团的前30分钟。然而, 这种温度变化略影响最后的吸附能力当吸附过程最终达到一个平衡状态。你的速度(VI)由被粉末吸附在四个不同温度
15、下的生物质图2所示。绑定率 U(VI)非常快速的在初始阶段的吸附过程在最初的30分钟,随后该 U(VI)去除运行缓慢。饱和度水平完全达到60分钟后。在这之后平衡期间 ,数量的 U(VI)吸附没有明显变化的时间和保持不变,大约。 85毫克/ g。率较高的 U(VI)生物吸附在早期阶段的孵化可以归因于静电之间的相互作用和表面官能团铀酰正离子的生物质。随着时间的推移,结合位点,从而减少可用减少吸附速度。效应的吸附剂浓度图3反映了影响吸附容量的吸附剂浓度等因素对 U(VI)和百分比去除 U(VI)平衡条件下。U(VI)比例移除已经从90.9%上升到28.7增加生物量浓度从 0.25到1.5 g。事实上
16、,对于一个常数初始金属浓度,提高吸附剂浓度供应一个更大的表面积或数量的可用的吸附网站的金属吸附。它也可以看到图3显示的吸附能力下降趋势增加生物量浓度。更高的吸附剂用量将生成一个屏幕”效应在细胞壁,保护吸附网站,从而导致较低的 U(VI)吸附每单位生物吸收剂 26。类似的结果在生物剂量效应在 U(VI)生物吸附也出现在其他微生物,如曲霉菌和 烟草节杆菌11,27 。吸附等温线在这项研究中,两个典型的平衡等温线 ,朗缪尔以及弗伦德里希吸附模型 ,都选择检查这等温线能更好地描述平衡吸附 U(VI)到生物质。朗缪尔吸附是最重要的模型的单层吸附,基于以下三个假设:(我)吸附不能继续超越单层覆盖 ;(ii
17、)所有网站是等价的,表面有制服(即,表面是完美的);(iii)的能力,一个分子吸附在给定的网站是独立于占领邻国网站28。与朗缪尔等温线,弗伦德利希吸附被推定适用的情况下层吸附是超过一个分子在厚度和认为分子绑定在一个表面上网站将影响邻近的网站29。图4反映了吸附等温线线性化朗缪尔和弗伦德里希 U(VI)。计算结果的朗缪尔,弗伦德里希等温线常量中列出表1。它可以注意到朗缪尔等温线/形式比弗伦德里希等温线结合考虑情况相关系数 (R2 = 0.991 - -0.996(R2 = 0.931 - -0.936)。这表明,单层吸附是主导 U(VI)吸收细胞上的这项研究。最大的吸收能力是一个关键的参数评估能
18、力的微生物没收金属从水溶液。之前的研究已经报道了不同的生物吸收剂不同 U(VI)的吸附能力,如124.0毫克/ g 由聚球藻属 elongatus9和112.2毫克/ g 通过根霉 arrhizus11。这个 Qmax 值由 b .地衣芽铀吸收这里的报道是140毫克/ g。比较吸附能力的干生物量用于这项工作与文献报告显示,b .地衣芽是适当的这一目标。动力学仿真一般来说,反应顺序的生物吸附取决于金属的特点以及吸附性质的网上可用。图2、5显示块非线性化形式的符合一级(Qt 和 t)和线性化伪秒核能开发局的订单(t / Qt 和 t)分别动力学模型。这个参数,包括吸附动力学常数 ,来往副调制系数和
19、 Qeq 值,并使用线性或非线性回归分析和展示在表2。尽管两种模型的相关系数均表现出良好的相关性,一级动力学模型符合实验数据比二阶动力学模型的基础上 Qeq 相关性。 Qeq2值计算的二阶动态模型 (90.66 - -97.28 mg / L)没有给出合理的值,它太大与实验 Qexp 值(83.46 - -87.23毫克/L); 而 Qeq1值的一阶动力学模型(83.93 - -87.39 mg / L)Qexp 更加接近实验值。总之 ,U(VI)由 b . 地衣芽生物吸附跟着符合一级动力学模型。有一个大区别的结果与之前的大多数报告 U(VI)生物吸附其他微生物,如 a .烟,木霉属 harz
20、ianum,伪滴虫脓,所有同意伪二阶反应 11、13、16。热力学和动力学参数的生物吸附吉布斯自由能变化、DG,表示程度的自发性的吸附过程。如果 DG 是一个负值, 反应自发发生在给定温度30。根据情商。(6),总干事生物吸附过程的值在298 、308、318和328 K 是工作是-4.09,-4.78,-4.89和-4.98焦每摩尔, 分别。负面的价值 sug-gested DG 值,生物吸附过程是自发与高亲和力的铀到 b 的地衣芽在房间 tem 高温以及更高的温度。它可以从这些DG 数据推断出更高的温度,更有利于吸附大力。换句话说, 吸附过程更自发在更高的温度比在较低的温度。一般来说,吸附
21、可能进行物理或化学机制。 Ea 的大小可能给说明是否物理或化学吸附过程是在工作28。至于物理吸附, 平衡很容易到达并可逆自这个过程只需要一个小的能源。Ea对物理吸附通常少于4.2焦每摩尔。因为通常弱分子间力都包含。然而,对于化学吸附,更强大的结合力量比在物理吸附参与和 Ea 值通常超过4 - 6焦每摩尔。一块 lnk2与1 / T 给一条直线和相应的活化能 决心从斜坡的线性情节(无花果。6;情商。(5)。我们的研究中,Ea 计算是9焦每摩尔吸附 U(VI)到 b .最有可能涉及一个地衣芽化学过程中强大的 h 键交互之间发生铀酰羟基和羧基基团氨基/生物质。结论U(VI)的吸附行为,研究了 b .
22、地衣芽。结果表明,b .地衣芽可以应用作为一个有效的生物吸收剂为 U(VI)的脱除水溶液。这个生物吸附过程是受实验条件如 pH 值、温度、时间和初始生物量浓度。最佳 pH 为 U(VI)吸附是在4.5和5.0之间。吸附数据很适合去朗缪尔吸附模型以及符合一级模型。计算结果的热力学常数 DG(负) 和动能 Ea(9.98焦每摩尔)显示,吸附过程可以看成是一个自发的化学过程。确认本研究得到的资助部分由国家杰出青年研究基金会的中国(40925010)、国际联合关键项目从中国国家自然科学基金(40920134003),国际联合关键项目从中国科学技术部(2011年,2009年和2010年 dfa00120 dfa92830 dfa92090)
