龍 威 陳秋靈 楊詩(shī)霖

(廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，廣東 茂名 525000)

能源是國(guó)家發(fā)展必不可少的資源，近代人類科技與文明的快速發(fā)展、人口增長(zhǎng)等，化石能源消耗速度不斷加快。能源的枯竭提示著人類必須不斷尋找新能源，近年來(lái)，如風(fēng)能、水能、核能、地?zé)崮艿乳_(kāi)發(fā)技術(shù)不斷升級(jí)，越來(lái)越受到了廣大百姓的認(rèn)可[1]。

核能具備非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，消耗質(zhì)量少、釋放能量巨大、運(yùn)輸利用方便等，已經(jīng)在百姓心中得以認(rèn)可，我國(guó)的兩所核電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有效地滿足了南方地區(qū)用電量大的要求，有效地支撐了能源供給，在社會(huì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位[2]。隨著核能的普及，放射性污染爆發(fā)，其主要對(duì)象為含鈾廢水。核工業(yè)和核電站附近都有大量的含鈾廢水需要凈化及排放，具備放射性強(qiáng)的鈾水體能對(duì)人類健康造成持續(xù)久遠(yuǎn)的巨大威脅，不得不引起環(huán)保部門(mén)的重視[3-4]。

國(guó)際國(guó)內(nèi)的環(huán)保部門(mén)一直都非常重視有害廢水的治理和排放[5-6]，對(duì)于含鈾廢水的治理也如此，一方面將含鈾廢水進(jìn)行集中富集回收提煉，可減少?gòu)U水中含鈾比例[7]，另一方面開(kāi)發(fā)新型高效吸附劑，對(duì)水體中的鈾進(jìn)行有效地吸附與降解，減輕含鈾廢水的污染，有效地治理環(huán)境，具有重要的持續(xù)性發(fā)展意義[8]。

含鈾廢水處理傳統(tǒng)方法主要有化學(xué)沉淀法和吸附法，如WANG等[9]利用植酸的降解產(chǎn)物包裹石墨烯氣凝膠(PAGA)研究新型化學(xué)沉淀方法，在鈾污染的水中加入PAGA后，降解產(chǎn)物從水體中釋放出來(lái)，與鈾結(jié)合形成沉積物；XIE等[10]利用赤鐵礦進(jìn)行改性后用于鈾離子的吸附與凈化，做了提煉和改性方法的闡述，證實(shí)了磁性物質(zhì)有利于水體中鈾離子的吸附。許多研究者曾對(duì)榕樹(shù)葉[11]、麥秸[12]、稻草[13]等生物材料進(jìn)行改性，也發(fā)現(xiàn)了它們能發(fā)揮較好的鈾吸附行為，表明生物質(zhì)材料適合成為新型鈾離子的吸附材料。近年來(lái)，啤酒酵母菌作為常見(jiàn)的釀酒廢棄物，被重復(fù)利用起來(lái)制作吸附劑用于鈾的吸附是不錯(cuò)的選擇[14]，如果引入了磁性的四氧化三鐵粒子，將進(jìn)一步提升吸附性能至90%以上[15]，但此法對(duì)酵母菌的提取和改性工藝相當(dāng)復(fù)雜。楊玉山等[16]提出啤酒酵母也可固定用于水體中鍶離子，吸附率可達(dá)55%；王寶娥等[17]提出粉末狀的啤酒酵母可用于吸附活性黑31，吸附過(guò)程是自發(fā)放熱的；ZHAO等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酵母粉非常適合做模板劑制備多孔/中孔的TiO2，體現(xiàn)出良好的儲(chǔ)氫性能。因此，酵母粉和酵母菌越來(lái)越受到化學(xué)界的關(guān)注，展現(xiàn)出神奇的功能。

含鈾廢水中鈾也呈多種形態(tài)存在，我們通常先加入氧化劑將其氧化到鈾酰離子(VI)狀態(tài)，而生物吸附劑對(duì)鈾的吸附受到溶液的pH值、初始濃度、吸附時(shí)間等[19]影響，吸附率數(shù)值會(huì)明顯不同。通常來(lái)說(shuō)，吸附劑的基體選擇廉價(jià)易制備、循環(huán)使用性能好的材料[20]，再引入磁性形成新型復(fù)合生物吸附材料[21]，具有特殊的吸附性能。因此，本文嘗試直接制備磁性酵母生物吸附材料，用于水體中鈾酰離子的吸附實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要藥品和設(shè)備

硝酸酰鈾、硫酸亞鐵銨、三氯化鈦、亞硝酸鈉、三氯化鐵、氯化亞鐵、磷酸、尿素等均購(gòu)于上海麥克林生化有限公司，分析純；啤酒酵母干粉購(gòu)于廣州晨瑞生物科技有限公司，化學(xué)純；去離子水為自制。

XL-1A型智能馬弗爐，杭州卓馳儀器有限公司；DHG-9030A型恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；85-2A型恒溫加熱攪拌器，金壇市億能實(shí)驗(yàn)儀器廠；HY-4型調(diào)速多用振蕩器，常州德科儀器制造有限公司。

1.2 吸附劑的制備

參照文獻(xiàn)[22]的做法：將5.00 g FeCl3·6H2O和3.68 g FeCl2·4H2O加入裝有15.00 mL去離子水的燒杯中攪拌至溶解完全，往燒杯中添加0.20 g啤酒酵母菌干粉，溶液升溫至60 ℃攪拌至混合均勻。向溶液中加入5.00 mL聚乙二醇溶液(50 g/L)，置于水浴加熱至60 ℃并保持，磁力高速攪拌30 min后向燒杯中緩慢加入配好的NaOH溶液(1 mol/L)至溶液完全變黑，持續(xù)滴加NaOH溶液直至溶液pH值到達(dá)11。保持溫度為60 ℃下繼續(xù)磁力攪拌2 h，取出陳化30 min。將陳化好的裝有溶液的燒杯超聲分散60 min。將反應(yīng)完的溶液進(jìn)行抽濾，用蒸餾水和無(wú)水乙醇洗去顆粒表面的雜質(zhì)離子，直至溶液的pH=7。將產(chǎn)物放在60 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h，將干燥后的產(chǎn)物輕輕研磨，可以得到0.20 g黑色磁性顆粒，密封保存，此時(shí)Fe3O4粒子與啤酒酵母粉質(zhì)量比例為1∶1，其他比例則修改質(zhì)量即可制備。

1.3 吸附與解吸附實(shí)驗(yàn)

吸附實(shí)驗(yàn)：取配制好的一定濃度的鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液30.00 mL于150 mL的錐形瓶中，再加入一定量制備好的吸附劑，用HCl(0.1 mol/L)與少許去離子水調(diào)節(jié)溶液的pH值，將準(zhǔn)備好的溶液放置在振蕩器上進(jìn)行振蕩吸附。振蕩吸附一定時(shí)間后，將溶液放在8 000 r/min離心機(jī)上離心10 min，另吸取10.00 mL離心后上層清液測(cè)定溶液中的鈾剩余濃度。

解吸附實(shí)驗(yàn)：取30.00 mL一定濃度的鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液裝于150 mL錐形瓶中，投加負(fù)載比例(Fe3O4∶酵母菌粉)為1∶2的吸附劑0.05 g，置于振蕩儀中勻速振蕩2 h。達(dá)到吸附平衡后將吸附劑與溶液離心分離，過(guò)濾將吸附劑加入至30.00 mL的HCl溶液(0.1 mol/L)中進(jìn)行解吸，置于振蕩儀中勻速振蕩2 h后靜置沉淀，再取上層清液測(cè)定濾液中鈾的濃度。

1.4 吸附劑表征方法

BET在貝士德儀器科技有限公司生產(chǎn)的3h-2000PS1型比表面積分析儀上進(jìn)行，采用N2吸附脫附方式測(cè)定孔徑孔容數(shù)據(jù)；XRD在日本理學(xué)株式會(huì)社生產(chǎn)的Ultima型X射線衍射儀上進(jìn)行，CuKα射線、石墨單色器、管電壓40 kV、管電流30 mA，閃爍計(jì)數(shù)器記錄衍射強(qiáng)度；IR表征在美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的Thermo Scientific型紅外光譜分析儀上進(jìn)行，采用KBr壓片制樣；SEM利用日本電子JEQL公司生產(chǎn)的JSM-6510 LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行拍攝，鎢絲燈作為光源。

1.5 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算公式

水液中的鈾酰離子的濃度含量使用偏釩酸胺滴定法，先標(biāo)定偏釩酸銨標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)鈾的滴定系數(shù)，溶液中剩余鈾的濃度(mg/L)的計(jì)算公式如式(1)所示[23]。

(1)

式中，C1為待測(cè)鈾溶液的濃度，mg/L；T為偏釩酸銨對(duì)鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液的滴定系數(shù)，mg/L；V1為偏釩酸銨的消耗量，mL；V2為樣品體積量，mL。吸附劑對(duì)鈾的單位吸附量q根據(jù)公式(2)計(jì)算。

(2)

其中：q為吸附劑對(duì)鈾的單位吸附量，mg/g；C0為吸附前鈾的質(zhì)量濃度，mg/L；Ce為吸附平衡時(shí)鈾的質(zhì)量濃度，mg/L；V為吸附液的體積，mL；W為吸附劑用量，g。吸附率p(%)由公式(3)計(jì)算。

(3)

式中：p為吸附率，%；C0為吸附前鈾溶液濃度，mg/L；C1為吸附后剩余的鈾溶液濃度，mg/L，與前式中不沖突。吸附劑解吸下來(lái)的鈾容量qd(mg/g)計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中：qd為吸附劑上解吸鈾的容量，mg/g；Cd為解吸液中鈾的質(zhì)量濃度，mg/L；V為解吸液的體積，mL；M為吸附劑干燥后的質(zhì)量，g；pd為解吸率，%，數(shù)值為吸附劑解吸鈾的容量與解吸附前自身吸附鈾的容量的比值。

準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)式見(jiàn)式(5)、(6)。

(5)

(6)

其中：K1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)，min-1；qe、qt分別為平衡吸附量和t時(shí)刻的吸附量，mg/g。準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型主要是用于描述吸附劑的吸附位點(diǎn)中被占用的速度與未被占有的吸附位點(diǎn)數(shù)量之間的關(guān)系。如果重金屬離子的吸附行為適用于準(zhǔn)一級(jí)吸附模型，則log(qe-qt)與t之間存在定量線性關(guān)系。

2 表征結(jié)果

2.1 BET表征分析

考慮磁性Fe3O4與啤酒酵母干粉的質(zhì)量比不同，將不同的樣品進(jìn)行了BET表征分析，其結(jié)果如表1所示。

表1 不同吸附劑樣品的物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)

吸附劑的比表面積隨著Fe3O4與啤酒酵母干粉的質(zhì)量比增大有先增大后減少趨勢(shì)，當(dāng)質(zhì)量比為1∶3時(shí)，吸附劑中Fe3O4粒子含量較少，平均粒徑小、平均孔徑??；當(dāng)質(zhì)量比增加到1∶2時(shí)，比表面積增加至281.4 m2/g，平均孔徑基本不變，但孔容明顯增大，可能是由于Fe3O4粒子負(fù)載在孔徑內(nèi)側(cè)的緣故；質(zhì)量比增加到1∶1時(shí)，比表面積減少至236.7 m2/g，平均孔徑減少，但孔容也減少，可能是由于Fe3O4粒子過(guò)多引起孔道堵塞的緣故。

2.2 IR表征分析

考慮到Fe3O4與啤酒酵母干粉的質(zhì)量比為1∶2時(shí)，比表面積和孔容數(shù)據(jù)大，可能發(fā)揮更好的吸附性能，選擇此樣品在吸附前后分別進(jìn)行紅外表征，其結(jié)果如圖1所示。

圖1中580 cm-1處的強(qiáng)吸收峰歸屬于Fe3O4的Fe—O伸縮振動(dòng)，1 050 cm-1處峰歸屬于蛋白質(zhì)中的C—O—C對(duì)稱伸縮振動(dòng)，在1 646 cm-1處明顯吸收峰屬蛋白質(zhì)中—COOH的C—O的伸縮振動(dòng)峰，2 925 cm-1處明顯峰為—CH3、—CH2的C—H伸縮振動(dòng)峰，3 386 cm-1附近處有一較寬的吸收峰，這是由于啤酒酵母菌的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的—NH2、—OH伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生的特征衍射峰，這與文獻(xiàn)[23]的描述相一致。

圖1 吸附劑的紅外光譜圖：(a)吸附前；(b)吸附后Figure 1 IR characterization of adsorbent sample(a-Before adsorption，b-After adsorption).

從圖1中可看出，吸附前的譜圖中580 cm-1處的吸收峰很小，原因是啤酒酵母菌對(duì)Fe3O4有一定的掩蓋，導(dǎo)致吸收峰不明顯，吸附后，此處的峰變得尖銳一些，可能是因?yàn)槲竭^(guò)程中Fe3O4發(fā)生了一定的暴露。從整體上來(lái)看，吸附前后的特征峰變化不大，表明吸附過(guò)程并未較大幅度改變吸附劑的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，吸附發(fā)生在吸附劑的表面上。

2.3 XRD表征分析

樣品在吸附前后分別進(jìn)行XRD表征，其結(jié)果如圖2所示。曲線a有明顯5個(gè)衍射峰30.2°、35.5°、43.2°、57.2°、62.6°分別歸屬于晶面[220]、[311]、[400]、[511]、[440]，這符合Fe3O4的反立方體尖晶石結(jié)構(gòu)[24]，通過(guò)謝樂(lè)公式計(jì)算出粒徑約為23.96 nm，與BET表征分析結(jié)果基本一致。在吸附后(b)特征峰并沒(méi)有受到影響，說(shuō)明在對(duì)鈾的吸附過(guò)程中Fe3O4的晶型結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但特征衍射峰的強(qiáng)度在吸附后稍微下降，且2θ在28°附近出現(xiàn)了凸起的平坦峰，可能是吸附發(fā)生后，活性位點(diǎn)發(fā)生了變化，穩(wěn)定性不夠好導(dǎo)致。由于酵母菌粉屬于有機(jī)物，在XRD衍射中沒(méi)有觀察到它的明顯特征衍射峰。

圖2 吸附劑的XRD光譜圖：(a)吸附前；(b)吸附后Figure 2 XRD characterization of adsorbent sample(a-Before adsorption；b-After adsorption).

2.4 SEM表征分析

樣品在吸附前后分別進(jìn)行SEM表征，其結(jié)果如圖3所示，吸附后的吸附劑進(jìn)行解吸附后表層元素分析如圖4所示。

圖3 吸附劑的SEM光譜圖：(a)吸附前；(b)吸附后Figure 3 SEM characterization of adsorbent sample(a：Before adsorption；b：After adsorption).

圖4 吸附劑解吸附后微觀形貌與其表面元素分布Figure 4 Micro conformation and surface element analysis of adsorbent sample after desorption.

圖3中的放大倍數(shù)為3 000，吸附前的吸附劑表面呈現(xiàn)無(wú)定型光滑、形狀不規(guī)則的形貌，右圖中吸附劑表面凹凸不平的曲面表明吸附后發(fā)生了一些塌陷，可能是鈾在表面的吸附位點(diǎn)發(fā)生了作用導(dǎo)致表層形貌變化。吸附后表層的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，表明吸附劑表面與鈾發(fā)生了強(qiáng)烈的吸附，酵母粉基體隨之發(fā)生一定變化，說(shuō)明吸附劑表面的基團(tuán)參與了對(duì)鈾的吸附，即存在化學(xué)吸附行為。

圖4中左圖可看出吸附后的吸附劑表面有塌陷，選擇一個(gè)區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行表征分析，如圖4中右圖所示，吸附后的吸附劑表面分布的元素中有Cl、P、O、C、U和Fe，其中Cl元素因?yàn)檎{(diào)節(jié)pH值添加的HCl溶液而存在，P、O、C和Fe等元素為吸附劑的材料，而微量的U元素歸因于吸附過(guò)程中由于鈾酰離子與吸附劑的活性位點(diǎn)牢牢結(jié)合，解吸附不徹底。

3 吸附性能分析

3.1 負(fù)載比例不同的影響

取5份濃度為 60 mg/L鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液于錐形瓶中，調(diào)節(jié)溶液pH=5，分別投加0.05 g的負(fù)載比例不同的吸附劑(Fe3O4∶酵母菌粉=1∶0、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4)，勻速振蕩2 h，測(cè)得吸附率曲線如圖5所示。由圖5可知，沒(méi)有負(fù)載啤酒酵母菌粉的納米Fe3O4微粒對(duì)鈾的吸附率并不突出，隨著納米Fe3O4和啤酒酵母菌粉負(fù)載比例的增加，吸附劑吸附鈾的效率也相應(yīng)提高。

圖5 負(fù)載比例不同的吸附劑對(duì)吸附的影響Figure 5 Effect of different component mass ratio for adsorption.

然而，并非啤酒酵母菌的比重越多吸附率就越高，數(shù)據(jù)分析得知，F(xiàn)e3O4∶酵母菌粉的質(zhì)量比為1∶2時(shí)吸附效率較理想，吸附率達(dá)82.41%。Fe3O4∶酵母菌粉為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4時(shí)，吸附劑對(duì)鈾的單位吸附量分別為13.03、29.76、18.42、10.73 mg/g。而同樣條件下添加等質(zhì)量的納米Fe3O4進(jìn)行吸附，其單位吸附量為9.79 mg/g，這說(shuō)明酵母菌粉的加入在對(duì)鈾的吸附效果上起了促進(jìn)作用。

3.2 溶液pH值的影響

溶液的pH值是影響生物吸附劑吸附鈾的重要影響因素[25]，pH值的高低會(huì)影響金屬離子的結(jié)合位點(diǎn)和存在形態(tài)，也會(huì)對(duì)生物吸附劑表面的羥基等官能團(tuán)的性能產(chǎn)生影響。

溶液呈強(qiáng)酸性(pH≤4)時(shí)，鈾在溶液中主要以UO2SO4或UO22+的形式存在，隨著pH值升高這兩者的濃度會(huì)隨之下降，溶液強(qiáng)酸性時(shí)溶液中的H+和UO22+存在著結(jié)合位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致吸附率不高。當(dāng)pH值持續(xù)升高至溶液呈堿性(pH≥8)時(shí)，UO22+會(huì)與OH-水解生成UO2(OH)2沉淀，影響吸附過(guò)程。溶液pH值的影響如圖6所示，pH=5時(shí)的吸附劑吸附效果相對(duì)較理想，可達(dá)到最高吸附率為82.41%，當(dāng)pH值為4、5、6、 7、8時(shí)，吸附劑的單位吸附量分別為25.33、29.76、21.62、18.25、14.63 mg/g。

圖6 pH值對(duì)吸附的影響Figure 6 Effect of pH value on adsorption.

3.3 吸附劑用量的影響

向5份鈾濃度為60 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別加0.03、0.04、0.05、0.06、0.07 g的吸附劑，調(diào)節(jié)溶液pH值為5，探究吸附劑用量對(duì)吸附反應(yīng)的影響。由圖7可知，隨著吸附劑用量增加，吸附率也相應(yīng)提高，質(zhì)量0.05 g是最佳的。低于0.05 g時(shí)，吸附活性位點(diǎn)隨吸附劑用量增加而增加，使得鈾吸附率得到相應(yīng)的提高；超過(guò)0.05 g時(shí)，吸附率不再隨著吸附劑用量的增加而增大，吸附過(guò)程可能受影響，表明吸附劑用量過(guò)量，吸附劑用量并非越多越好。

圖7 吸附劑用量對(duì)吸附的影響Figure 7 Effect of adsorbent mass on adsorption.

在吸附劑用量為0.03、0.04、0.05、0.06、0.07 g時(shí)，吸附劑對(duì)鈾的單位吸附量分別為11.97、18.87、29.76、16.86、13.31 mg/g。從單位吸附量數(shù)據(jù)分析，也基本吻合了上述情況。從經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度著想，吸附劑用量為0.03 g時(shí)吸附率可達(dá)48.96%，而單位吸附量達(dá)到了18.87 mg/g。吸附劑用量0.03 g在工業(yè)循環(huán)利用上也可較好使用。因生物吸附劑材料廉價(jià)易得，選擇對(duì)鈾吸附率較高的吸附劑投加量0.05 g，更能體現(xiàn)出最佳吸附性能。

3.4 振蕩時(shí)間的影響

將5份濃度為60 mg/L的鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液，調(diào)節(jié)溶液pH值為5，加入質(zhì)量為0.05 g的吸附劑，再分別振蕩1、2、3、4、5 h，得到吸附率數(shù)據(jù)如圖8所示。結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)吸附時(shí)間可以提高吸附劑的吸附效率，相對(duì)其他振蕩時(shí)間而言，振蕩2 h時(shí)得到理想的吸附率。

圖8 振蕩時(shí)間對(duì)吸附的影響Figure 8 Effect of shaking time on adsorption.

通常情況下，振蕩中存在吸附與解吸的平衡，振蕩時(shí)間越久，越不利于物理吸附。隨著吸附時(shí)間的增加，物理吸附不穩(wěn)定易釋放出鈾離子，化學(xué)吸附的吸附位點(diǎn)基本不變，吸附逐漸趨于穩(wěn)定，一味延長(zhǎng)吸附時(shí)間吸附效率未增加，表明吸附劑活性位點(diǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)。振蕩時(shí)間為1、2、3、4、5 h時(shí)，吸附劑對(duì)鈾的單位吸附量分別為11.13、29.76、20.37、21.04、19.76 mg/g，因此，該吸附過(guò)程最佳的振蕩時(shí)間應(yīng)為2 h。

3.5 鈾的初始濃度的影響

取5份濃度分別為20、40、60、80、100 mg/L的鈾溶液于錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值為5，勻速振蕩2 h，測(cè)得吸附率數(shù)據(jù)如圖9所示。吸附劑對(duì)鈾的吸附率數(shù)值隨著鈾的初始濃度升高下降，這可能是吸附已經(jīng)達(dá)到飽和。吸附劑的吸附活性位點(diǎn)一旦飽和，不能再吸附更多的離子，增加鈾初始濃度將會(huì)降低吸附率。在鈾初始濃度低于60 mg/L的情況下，吸附劑均能發(fā)揮較好的吸附效果。在鈾溶液初始濃度分別為20、40、60、80、100 mg/L時(shí)，吸附劑對(duì)鈾的單位吸附量分別為29.96、29.84、29.76、20.54、16.71 mg/g，因此，該吸附的最佳鈾初始濃度為60 mg/L。

圖9 鈾的初始濃度對(duì)吸附的影響Figure 9 Effect of original concentration on adsorption.

3.6 循環(huán)與解吸附性能測(cè)試

取吸附后的吸附劑，小心用去離子水多次洗滌干凈后烘干，解吸附后再次投入相同條件下的吸附實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，吸附率數(shù)據(jù)分別為81.36%、80.93%和78.15%，表明此生物吸附劑能有效地循環(huán)使用3次吸附，第4次吸附的吸附率下降，可能是因?yàn)橐欢ǖ幕钚晕稽c(diǎn)已經(jīng)被占據(jù)的原因。

另取吸附后的吸附劑，小心用去離子水多次洗滌干凈后烘干，進(jìn)行解吸附實(shí)驗(yàn)，得到解吸的鈾容量qd，得到其解吸率pd，重復(fù)3次，測(cè)試其釋放鈾的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，達(dá)到吸附平衡的吸附劑進(jìn)行3次解吸附的解吸率都相差不大，但3組中較好的可達(dá)到48.60%，表明該吸附劑具備有較好的再生能力。

表2 吸附劑的解吸附結(jié)果

4 吸附動(dòng)力學(xué)分析

振蕩時(shí)間對(duì)吸附的影響中可知，吸附在2 h時(shí)可達(dá)到吸附平衡，其對(duì)應(yīng)單位吸附量為29.76 mg/g。吸附劑的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線如圖10所示。對(duì)于負(fù)載Fe3O4的啤酒酵母粉顆粒，根據(jù)準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得到qe理論值為29.54 mg/g，該理論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值相差不大。相關(guān)系數(shù)R2=0.9306，線性關(guān)系良好，說(shuō)明可以用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型較好地描述該吸附劑對(duì)鈾的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程，這與文獻(xiàn)[25]報(bào)道說(shuō)法相一致。

圖10 吸附的動(dòng)力學(xué)分析曲線Figure 10 The dynamics analysis curve of adsorption.

5 結(jié)論

采用啤酒酵母菌干粉與納米Fe3O4結(jié)合成為復(fù)合吸附材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和表征結(jié)果可知：

1)理想的吸附條件是：pH=5、吸附劑用量為0.05 g、鈾的初始濃度為60 mg/L、振蕩時(shí)間為2 h、吸附劑中Fe3O4與啤酒酵母粉的質(zhì)量比為1∶2；

2)在最佳的條件下，此種新型磁性吸附復(fù)合材料的最佳吸附率可達(dá)82.41%，其單位吸附容量為29.76 mg/g；

3)表征發(fā)現(xiàn)吸附劑中的Fe3O4為反立方尖晶石結(jié)構(gòu)，其中Fe3O4顆粒平均粒徑為20.96 nm，且吸附前后粒徑大小基本不變，吸附后酵母粉的紅外振動(dòng)峰強(qiáng)度明顯變大，吸附劑表層的形貌在吸附前后發(fā)生明顯的變化，是鈾離子與吸附劑的表層發(fā)生了強(qiáng)烈的吸附作用所致；

4)解吸率數(shù)據(jù)表明：該吸附劑吸附后能再次釋放出鈾酰離子，反復(fù)3次后解吸率可達(dá)48.60%，吸附劑再生能力較強(qiáng)。

5)實(shí)驗(yàn)表明：吸附鈾是Fe3O4與啤酒酵母粉共同作用的結(jié)果，推導(dǎo)出該新型吸附復(fù)合材料的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，線性關(guān)系較好。

因此，磁性啤酒酵母菌粉材料能有效地吸附水體中的鈾離子，本實(shí)驗(yàn)對(duì)新型吸附劑的進(jìn)一步優(yōu)化和性能提升，具有積極的指導(dǎo)意義。