环境系统科学与工程：纳米生物吸附剂及再生的可能性评估

© 2014作者。由爱思唯尔公司出版信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 9（2014）77 - 812014年环境系统科学与工程杂化纳米生物吸附剂Maxim Chubika，Alexey Tretyakova，Marianna Chubikb，Nina Osipovaa，AnnaMoskalenkoa， *，Darya Galushkinaaa俄罗斯托木斯克理工大学自然资源研究所，托木斯克634050b俄罗斯托木斯克理工大学高技术物理研究所，托木斯克634050摘要鉴于解决放射性元素环境污染问题的高度重要性，研究的目标是开发应用各种金属氧化物的纳米形式（纳米管、纳米粉末）并由这些纳米形式修饰的各种非致病性霉菌菌丝体作为组分的杂化吸附剂在这篇文章中，我们评估了再生的可能性开发的混合吸附剂的吸附过程后。© 2014作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：吸附剂，纳米生物技术，再生，放射性核素，环境安全1. 介绍环境问题是现代社会最紧迫的问题之一。人类巧妙地解决了由于放射性燃料的使用而带来的能源危机问题。但它没有想到这一行动的严重后果除了全球环境扰动和切变气候* 通讯作者。联系电话：2019 - 09 - 29 10：00：00电子邮件地址：moskalenkoav@tpu.ru。2212-6678 © 2014作者由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审78Maxim Chubik等人/ IERI Procedia 9（2014）77此外，在现有条件下，还存在着放射性废物积累的问题。放射性废物是指不能进一步利用的物质和放射性核素含量超过规定水平的物质。由于核电生产，全世界每年产生约20万m3的低、中放射性废物和1万m3的高放射性废物[6]。放射性核素造成的环境污染问题极为重要，因为长寿命的放射性核素不会降解，而是易于积累，很容易长距离运输，并且通常包含在物质的生物循环中[7]。大约80%的人为放射性污染进入地球的水生环境，使其成为最强大的放射性核素库，进入地下水并污染人口密度高地区的饮用水供应。环境中的放射性废物需要有效的处置技术。其中一个重要的问题是开发能够有效吸附放射性核素的材料，主要是从水体中[2]。特别合成的具有特定官能团的高价值聚合物通常用于选择性保留特定的放射性核素[5]。然而，使用新的吸附剂材料的问题现在是开放的，因为还没有建立一种多用途和廉价的吸附剂，可以从废水中选择性地，有效地和大量地提取放射性核素[9]。近年来，许多国家对新型吸附剂的研究正在积极进行，这些吸附剂应由生物源物质组成，并以生物吸附剂为主要成分。例如，它们是由微生物工业废物的微生物物质或真菌产生的[8]。除此之外，不同纳米形式的金属氧化物作为吸附剂的应用被认为是有前途的[10]。研究的目标是开发一种混合吸附剂，应用各种金属氧化物的纳米形式（纳米管，纳米粉末），并通过这些纳米形式的各种非致病性霉菌菌丝体作为组分进行改性。研究的任务之一是评估开发的混合吸附剂的吸附过程后再生的可能性。2. 非致病性霉菌金属氧化物菌丝体作为吸附剂金属纳米颗粒用作复合吸附剂组分的先决条件是假设-金属纳米颗粒可用作固定钚、锝、铀和超铀元素的基质，因为在纳米材料发生变形过程时能够吸收放射性离子[4]。因此，被吸收的放射性核素被永久地封闭在吸附剂的结构中[2]。非致病性霉菌的菌丝体用作复合吸附剂的组分的先决条件是这样的假设，即沉积在真菌生长菌丝体上的金属纳米颗粒的主要特征与悬浮在溶液中的纳米颗粒的性质没有区别。同时，没有对颗粒或霉菌进行任何初步改性，以将纳米颗粒吸附在生长的菌丝体表面上[1]。在研究中，铜和铁的氧化物的纳米粉末，通过在空气中电爆炸的铜丝，氧化物-氢氧化物铝相的纳米粉末和二氧化钛纳米管，通过低温烧结的电爆炸纳米粉末，获得作为复合吸附剂的组分。在研究过程中，作为复合吸附剂的生物组分，使用了非致病性霉菌尼日尔曲霉菌丝体从不同初始浓度（UO2）2+的硝酸铀酰模型溶液中吸附铀酰离子.通过荧光分光光度计«Fluorat- 02Panorama»上的发光方法常规估计溶液中铀酰离子的含量。Maxim Chubik等人/ IERI Procedia 9（2014）77793. 纳米生物吸附剂的再生国外参考文献[3]中指出了已开发的复合吸附剂可能再生的可能性。在该参考文献中，考虑了基于霉菌和金属离子的吸附剂的再生的事实。吸附在预培养菌丝生物质中的铀被碱金属碳酸盐提取94 ~99%，被EDTA提取61%，而被氨水或有机酸提取仅0 ~ 3%。在这种情况下，使用由于解吸而发生的化学再生方法。解吸是材料表面层中的组分浓度与各相的体积值相比的降低。3.1. 用碳酸钠溶液用于恢复吸附剂在中性或碱性介质中产生的含污染、脱附的吸附性能。由于研究，使用碳酸钠的剥离剂溶液（0.45g/150 ml水）。对于实验，选择了具有金属氧化物纳米颗粒的五种复合溶液尼日尔曲霉。溶液中尿液离子的初始浓度为1.2 mg/l。在吸附过程之后，在使用表1中详述的碳酸钠溶液解吸之前，模型溶液中的铀酰离子的含量。表2中详述了使用碳酸钠溶液解吸后模型溶液中铀酰离子的含量。表1.吸附过程后使用碳酸钠溶液解吸前模型溶液中铀酰离子的浓度复合溶液铀酰离子浓度，mcg/l表2.碳酸钠溶液解吸后模型溶液中铀酰离子的浓度铀酰离子浓度，mcg/l12345吸附剂Fe3O4+尼日尔1028.001017.001011.001012.001003.00吸附剂AlOOH +尼日尔481.60485.40478.80478.40482.80吸附剂TiO2 +尼日尔277.50277.00278.30274.10276.30吸附剂CuO +尼日尔802.20796.80797.80796.60798.903.2. 用乙二胺四乙酸溶液重金属和放射性金属的解吸通常使用有机络合化合物。最常用的是乙二胺四乙酸（EDTA）溶液。对复合吸附剂的再生进行了EDTA脱附活性的测试。EDTA解吸试验表明，铀吸附剂的再生宜采用浓度较高的EDTA溶液。对于实验，使用1-%（1g/99 ml）和5-%（5g/95 ml）EDTA溶液作为基于尼日尔曲霉的氧化铜和二氧化钛纳米颗粒的复合吸附剂。为了研究12345吸附剂Fe3O4+尼日尔113.7115.1114.6109.4109.0吸附剂AlOOH +尼日尔69.869.268.467.266.7吸附剂TiO2 +尼日尔103.5103.0102.0101.9103.0吸附剂CuO +尼日尔110.8113.5113.8112.4111.580Maxim Chubik等人/ IERI Procedia 9（2014）77碳酸钠EDTA在不同的酸碱条件下解吸，选择了以下溶液：CuO +黑尼日尔(pH CuO +黑曲霉尼日尔（pH 2-3），TiO2+黑曲霉菌（pH 2-3）。研究已经确定，解吸的过程中最积极地进行在溶液中与氧化亚铜纳米粒子在pH值2-3，即在更酸性的条件下。其余吸附剂足够牢固地保持铀，从而阻止解吸过程。吸附过程后，在使用EDTA溶液解吸之前，模型溶液中铀酰离子的含量详见表3。使用EDTA溶液解吸后，模型溶液中铀酰离子的含量详见表4。表3.在吸附过程之后使用EDTA溶液解吸之前模型溶液中铀酰离子的浓度复合溶液铀酰离子的浓度，mcg/l表4.EDTA溶液解吸后模型溶液中铀酰离子的浓度铀酰离子浓度，mcg/l从图1中可以看出，碳酸钠溶液的解吸能力是EDTA溶液的解吸能力的许多倍。9080706050403020100Fe3O4+尼日尔CuO +黑尼日尔CuO +黑尼日尔图1碳酸钠和EDTA溶液4. 结论由于目前废物利用问题的紧迫性，使用能够再生的材料作为12345吸附剂CuO +尼日尔曲霉（pH 6-7）98.695.6498.1796.6294.88吸附剂CuO +尼日尔曲霉（pH 2-3）37.7536.537.7334.1234.5吸附剂TiO2+尼日尔曲霉（pH 2-3）159.1159.9157.3157.3158.7解吸能力，%12345吸附剂CuO +尼日尔曲霉（pH 6-7）52.1351.6851.2651.0553.76吸附剂CuO +尼日尔曲霉（pH 2-3）111.0113.3111.2112.4113.3吸附剂TiO2+尼日尔曲霉（pH 2-3）101.899.52103.096.7494.12Maxim Chubik等人/ IERI Procedia 9（2014）7781吸附剂非常有吸引力。对于研制的复合吸附剂，碳酸钠溶液的解吸能力比EDTA溶液的解吸能力大许多倍。还应注意，最有效的解吸剂（碳酸钠溶液）表现在具有氧化铁纳米颗粒的溶液中，其中其解吸能力达到约85%。此外，氧化铁纳米颗粒具有磁性，当需要从水性介质中去除颗粒时，该磁性提供了显著的优势，并且它还具有二次使用的可能性。因此，我们可以说，事实上，开发的复合吸附剂可以很容易地用碳酸盐溶液再生。引用[1] Bigall NC.，Reitzig M.，Naumann W.西蒙·P van Pée KH.，艾希米勒河贵金属纳米粒子的真菌模板及其在催化中的应用.应用化学国际版，2008; 47（41）：7876-7879[2] 东江阳，战风正，怀永柱。钛纳米纤维作为智能吸附剂去除水中放射性离子。先进材料，2008;20（14）：2777-2781[3] Galun M.，凯勒·P Feldsteina H.，Galunb E.，西格尔S.，Siegeld B..利用真菌从溶液中回收铀（VI）2。来自铀负载青霉生物质的真实。水、空气、土壤污染，1982; 20（3）：277-285.[4] Krivovichev S.V，Kahlenberg V，Kaindl R，Mersdorf E，Tananaev I.G，Myasoedov B.F.硒酸铀酰中的纳米级小管。应用化学国际版，2005; 44（7）：1134-1136[5] Osipova E.A.水溶性复合聚合物。索罗斯.教育杂志，1999; 8：40-47.[6] 《联合国环境与发展会议报告：1992年，里约热内卢》。[7] Rikhvanov L.P.，《环境中的放射性元素和放射生态学问题》，2009年。[8] 谢利韦尔斯托夫足球俱乐部甲壳素、壳聚糖及含甲壳素材料对水溶液中放射性元素的吸附。博士论文，2004年。[9] Velichko B.A.用于处理放射性废物的植物吸附剂。俄罗斯工业与工业，2006; 1：14-17.[10] 徐明，Weil G. Li S.，牛X，陈辉，张华，Chubik M.，格罗莫夫A.，汉·W钛纳米管是一种很有前途的高效放射性铀离子吸收剂。Journal of Nanoscience and Nanotechnology，2012;12（8）：6374-6379.