磁性菌基复合材料吸附分离几种中低放射性金属离子及其机理研究

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原子能的开发、核电站的运行和稀土开采与提炼等人类活动,加剧了中低放射性金属离子如锶离子、铯离子等对环境与人类健康的危害。目前,已有很多方法来处理这些污染物,其中吸附分离法具有操作方便、成本低廉和易于其它设备联用的优势。但是实际样品成分多、基体复杂的实际情况,需要吸附材料有一定的识别性;传统过滤、离心等分离过程较繁琐,需要吸附剂便于分离;考虑到吸附分离法的进一步推广应用,需要吸附剂的制备来源易得。本论文将成本低廉的菌类生物材料分别与表面离子印迹技术、磁性载体分离技术耦合,制备了三类磁性菌基复合材料,并用于吸附分离几种中低放射性金属离子研究,系统研究了吸附分离机理。主要的研究成果如下:  (1)以酵母菌为模板、纳米Fe3O4颗粒为磁性载体、交联壳聚糖为包裹层,制备了具有一定刚性的磁性壳聚糖/酵母复合材料(MCY)。通过SEM、FTIR、XRD、漏磁实验等手段对MCY进行表征。结果表明:MCY保持了酵母菌的原始形貌,有粘结团聚现象,壳聚糖包覆层明显。漏磁实验证明了MCY具有较好的耐酸性,在弱酸条件下没有漏磁现象发生。静态吸附实验研究表明,pH=5~5.5是最佳吸附范围;准二级动力学方程与Freundlich吸附等温模型能很好地描述吸附动力学和吸附平衡行为,60 min左右可以达到吸附平衡。MCY在298 K、308 K、318K时对Ce3+的吸附容量实验值分别为55.68 mg/g、58.11 mg/g和64.2 mg/g。通过五次吸附-解吸附过程,发现随着再生次数增多,吸附性能和磁性分离效果均有些减弱,但第五次吸附容量仍达到首次吸附的70%并仍能满足快速分离的要求。  (2)借助正交实验,以乳液聚合法制备了磁性酵母菌表面印迹复合吸附剂(Ce3+-MICC),通过SEM、EDX、FTIR、XRD、VSM等对其进行了表征。结果表明,Ce3+-MICC为比表面积较大的球状形貌,其表面壳聚糖层明显,颗粒分散性好且无粘结现象。静态吸附实验结果表明,pH=4.0~5.5是Ce3+-MICC吸附的最佳范围;吸附行为符合准二级动力学方程与Freundlich吸附等温模型,Ce3+-MICC吸附剂吸附平衡时间为60 min,相比磁性酵母菌表面非印迹复合吸附剂(NMICC)吸附平衡时间120 min,平衡状态能够更快达到。NMICC与Ce3+-MICC的饱和磁化强度分别为32.833 emu/g和17.569 emu/g,磁分离效果明显。Ce3+-MICC在298K和308 K对Ce3+的吸附容量分别为41.25 mg/g和48.21 mg/g。在Ce3+/Pb2+、Ce3+/Cr3+、Ce3+/Co2+、Ce3+/Ca2+和Ce3+/Sr2+不同的二元体系中,相对选择性系数K分别为2.1、2.39、5.22、2.19和1.56。五次吸附-解吸附实验结果表明,五次再生后吸附容量仅降低了32.2%,说明Ce3+-MICC有较好的再生效果。  (3)以酵母细胞为基质材料、纳米四氧化三铁为磁敏源、3-氯丙基三甲氧基硅烷(CP)为偶联剂、聚乙烯亚胺(PEI)为功能单体,利用两步溶液聚合法制备磁性复合生物材料(MY@SiO2-PEI)。采用FT-IR、SEM、VSM、等电位点及接触角测定等方法对材料的理化性能进行了表征,并考察其对二元体系(Ce3+/Sr2+)混合液的吸附性能和机理。结果表明,MY@SiO2-PEI的表面变得粗糙,成功实现了PEI的成功嫁接,等电位点pHzpc增大,表面由疏水变成亲水。吸附性能实验结果表明,MY@SiO2-PEI具有更好的吸附性能,对二元体系中Ce3+和Sr2+的最大吸附量分别为80.24 mg/g和63.51 mg/g,吸附行为符合准二级动力学方程与Freundlich吸附等温模型,吸附过程为化学及多层有利于吸附。pH=5.5~6.0为最适吸附pH范围,MY@SiO2-PEI的饱和磁性强度为10.03 emu/g,能满足磁分离的要求。
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