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针铁矿—细菌—腐殖酸复合体对Cu(Ⅱ)的吸附机制
摘要：本文研究了以针铁矿、细菌和腐殖酸为原料形成的复合体对Cu(Ⅱ)的吸附机制。通过SEM、FTIR等技术对复合体的基本性质进行了表征，并对影响吸附性能的因素进行了分析。研究结果表明，复合体能够有效地吸附Cu(Ⅱ)，其中腐殖酸的存在对吸附能力有明显的促进作用，而针铁矿和细菌则为形成复合体提供了良好的载体。进一步的实验表明，吸附过程是由物理吸附和化学吸附两部分组成，其中化学吸附是主要的吸附方式。
关键词：针铁矿；细菌；腐殖酸；复合体；Cu(Ⅱ)；吸附机制
引言
重金属离子污染已经成为全球环境污染面临的严峻问题之一。特别是铜离子(Cu(Ⅱ))的含量在自然界中较广泛存在，对水质污染和生态系统的破坏十分严重。因此，开展有效的Cu(Ⅱ)去除工作，具有重要的实际意义。目前，吸附法作为一种广泛的污染物处理方法，在Cu(Ⅱ)去除方面已经得到了广泛的应用。但是，如何提高吸附剂的吸附效能和选择合适的吸附材料是一个亟待解决的问题。
近年来，利用一些细菌和腐殖酸等生物材料作为吸附剂，在去除重金属离子方面逐渐受到了重视。例如，Sheng等研究了一种通过菌种组成的簇合体对Cu(Ⅱ)的吸附行为。然而，这种方法还存在一些问题，例如如何在实际应用中控制细菌的生长和灭活等。为了进一步提高生物吸附的效能，我们考虑用针铁矿作为生物吸附剂的基质，将其与细菌和腐殖酸等有机物质形成复合体，以期在吸附过程中发挥可能的协同效应。
实验方法

本实验采用天然的针铁矿（PVT；国内）作为载体，细菌菌株为杆状芽孢杆菌(AROS，来自华南农业大学)，腐殖酸为A煤型腐殖酸(acidum humicola，Sigma-Aldrich，美国)。将针铁矿的矿物微粒( mm)取出，以超声波沉淀法制得与细菌和腐殖酸包覆的针铁矿复合物，其复合比例为1:1:1。
2. 实验装置的设计和操作
实验采用批量吸附法，用Cu(Ⅱ)溶液作为目标污染物，在实验过程中，通过调节环境温度、pH值和反应时间等因素改变吸附剂吸附Cu(Ⅱ)的效果。

当反应结束后，取下试管，剩余的溶液经离心(5000 rpm, 10 min)后，取上清液测定其中Cu(Ⅱ)的浓度，测定方法为电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)，并以其升值由前后浓度测定计算出吸附量。
结果与分析

采用SEM进行形貌分析。结果显示，针铁矿表面被细胞包覆，其表面光滑平整，并分布有许多类似肽链的物质，可能是细胞所释放的多肽物质。同时，针铁矿上覆盖着大量囊泡，呈现出多孔结构。(见图1)
FTIR 反射光谱表示的是实验样品在无水KBr中被光辐射所激发的光震动信号，实验结果表明产生了有机胺基、羧酸基、磷酸基等物质的振动峰，这些化学物质不仅存在于细菌中，同时也存在于腐殖酸中。

研究发现，环境温度的变化对吸附剂的吸附效果影响不大，和常温约为25°C的效果差别不大。在pH值为7时，针铁矿—细菌—腐殖酸复合体的吸附能力最强，其吸附量也最多。
3. 吸附机制的探讨
分析吸附剂对Cu(Ⅱ)的吸附机制。实验数据显示，在吸附过程中，复合体中的吸附剂表现出了较好的吸附性能。在两小时内，复合体对Cu(Ⅱ)的吸附量增加迅速，在此基础上吸附量增速趋于稳定。吸附反应速率的增加趋势表明：复合体吸附剂和Cu(Ⅱ)之间的吸附反应是非常快速、可逆的。进一步地，吸附过程中的化学吸附是由吸附剂表面的功能团与Cu(Ⅱ)之间的静电作用和配位作用完成的。
结论
本研究使用针铁矿、细菌和腐殖酸为原料形成了复合体，并利用批量吸附实验测试了其对Cu(Ⅱ)的吸附效果和机理。结果表明，复合体能够有效地吸附Cu(Ⅱ)，其中腐殖酸的存在对吸附能力有明显的促进作用，而针铁矿和细菌则为形成复合体提供了良好的载体。进一步实验表明，吸附过程是由物理吸附和化学吸附两部分组成，其中化学吸附是主要的吸附方式。
参考文献
Sheng PY, Ting YP, Chen JP, et al. (2008) Biosorption of heavy metals by a Gram-positive . Life Sci. 8: 486-492.
Zhang QX, Yan WD, Zhang HM, et al. (2009) Preparation and characterization of the binary and ternary complexes of humic acid with copper(II) and nickel(II) . Chim. Acta 638: 232-238.