水鐵礦-細菌復合體對Pb(Ⅱ)的吸附：表面絡合模型模擬及分子機制研究.pdf

1、鐵氧化物、細菌和腐殖酸是土壤的重要活性組分，它們控制著土壤中養(yǎng)分元素的吸收與利用、污染物的遷移與轉化，也是土壤中重要的重金屬離子“清除劑”。在土壤中，活性組分之間常常以復合體形式存在。本研究以水鐵礦-細菌復合體為研究對象，采用等溫吸附、X-射線吸收精細結構光譜(XAFS)、微區(qū)熒光光譜（μ-SRF）、等溫滴定量熱法(ITC)等技術分析Pb(Ⅱ)在水鐵礦-細菌表面的分布規(guī)律及結合機制，并結合表面絡合模型模擬Pb(Ⅱ)在水鐵礦-細菌復合體表

2、面的吸附行為，得到以下主要結論:
　　1.采用快速水解法合成了水鐵礦樣品，同時在細菌存在條件下合成了水鐵礦-細菌復合體樣品。XRD結果顯示，合成的水鐵礦及水鐵礦-細菌復合體在d=1.5(A)和d=2.5(A)處產(chǎn)生兩個寬峰，為2-線水鐵礦;掃描電鏡圖顯示，水鐵礦包被在細菌表面，與細菌緊密結合;水鐵礦-細菌復合體的紅外圖譜表明，水鐵礦結構羥基發(fā)生了向高波數(shù)的偏移，表面羥基振動逐漸減弱。
　　2.利用電位滴定和等溫吸附實驗，通過

3、建立表面絡合模型預測Pb(Ⅱ)在細菌、水鐵礦及其復合體表面的吸附行為。利用4-位點擴散雙電層模型描述細菌表面的電位滴定曲線，其pK值分別為2.5、4.7、6.6、9.0，擬合得到枯草芽孢桿菌和粘質沙雷氏菌的四個位點密度依次為0.7366、0.4882、0.5732、0.4628 mmol/g干重;0.4524、0.4163、0.6421、0.7753mmol/g干重。Pb(Ⅱ)吸附實驗表明，Pb(Ⅱ)吸附隨pH的變化曲線呈“S”型，pH

4、2.5～4.0時，Pb(Ⅱ)吸附平緩，pH4.0～6.0范圍內，Pb(Ⅱ)吸附急劇增大，隨后趨于平衡。表面絡合模型擬合結果表明，Pb(Ⅱ)與水鐵礦表面羥基、細菌表面羧基和磷酸基均發(fā)生1∶1的配位反應，且Pb(Ⅱ)與水鐵礦表面羥基與結構羥基反應的絡合常數(shù)分別為9.96和14.05，遠高于細菌表面結合Pb(Ⅱ)的絡合常數(shù)。線性疊加模型能夠很好地描述水鐵礦-細菌復合體對Pb(Ⅱ)的吸附行為，且在復合體中Pb(Ⅱ)主要與水鐵礦結合。
　　

5、3.通過微量熱實驗獲得了枯草芽孢桿菌、粘質沙雷氏菌和水鐵礦及細菌-水鐵礦復合體吸附Pb(Ⅱ)的熱力學信息。結果表明，枯草芽孢桿菌和粘質沙雷氏菌、水鐵礦及其復合體吸附Pb(Ⅱ)的焓變?yōu)?9.17-59.87 kJ/mol，均為放熱過程，水鐵礦的焓變約為細菌的5倍;Pb(Ⅱ)與水鐵礦-細菌復合體結合時，首先與水鐵礦表面的高親和力位點結合，后逐步與細菌表面位點結合;細菌、水鐵礦及其復合體吸附Pb(Ⅱ)的熵變?yōu)?1.13～193.47 J/mo

6、l/K，表明吸附過程是個熵增的過程，同時受到焓、熵雙驅動。
　　4.利用微觀光譜學技術揭示了Pb(Ⅱ)在細菌、水鐵礦及其復合體表面的微觀吸附機制。EXAFS結果表明，pH6.0時，Pb(Ⅱ)分別與細菌表面的羧基與磷酸基形成單齒內圈絡合物，與水鐵礦表面羥基絡合生成雙齒共邊內圈絡合物?；谒F礦和細菌吸附Pb(Ⅱ)樣品的EXAFS譜，水鐵礦-細菌復合體EXAFS圖譜的七空間線性疊加擬合，結果表明在水鐵礦-細菌復合體中水鐵礦對Pb(Ⅱ)

7、的吸附起主要貢獻。復合體比例（水鐵礦與枯草芽孢桿菌質量比）為FhB_4∶1和FhB_1∶1的樣品分別約有94.1％和74.6％的Pb(Ⅱ)與水鐵礦表面結合，而復合體（水鐵礦與粘質沙雷氏菌質量比）FhS_4∶1、FhS_1∶1中Pb(Ⅱ)與水鐵礦結合的比例分別為86.2％和84.9％。
　　5.微區(qū)熒光光譜結果表明，Pb、Fe、S三種元素之間存在很好的線性相關性，可推斷細菌與水鐵礦緊密結合。在熒光圖譜中選擇Pb元素富集區(qū)域進行XAN