全 文 ：第 38卷 第 11期
2010年 11月 　　　　　　　　　　　　
化　学　工　程
CHEMICALENGINEERING(CHINA)　　　　　　　　　　　　
Vol.38 No.11
Nov.2010
基金项目:湖南省高等学校科研委托项目(09w025)
作者简介:夏良树(1966—),男 ,博士 ,教授 ,研究方向为环境科学专业 , E-mail:xls1966@hotmail.com。
应用光谱分析技术研究榕树叶吸附铀的机理
夏良树 , 谭凯旋 , 郑伟娜 , 王　晓
(南华大学 核资源与核燃料工程学院 , 湖南 衡阳　421001)
摘要:为了了解榕树叶吸附铀的过程机制 , 改善榕树叶吸附能力 ,提高铀的去除率 , 采用红外光谱仪 、扫描电镜仪 、X
射线衍射仪 、X射线光电子能谱仪等现代分析仪器探讨榕树叶吸附铀的机理 。结果表明:榕树叶主要由碳水化合
物 、木质素及纤维素等组成 ,其吸收峰是由 C O的伸缩振动峰 、苯环的骨架振动峰 、苯羟基中 C—O的伸缩振动峰
构成;吸附 UO2+
2
后 ,榕树叶细胞的表面形态发生了改变 ,表面上分布的空隙和空洞减少 , 呈现出较多电子不透明的
微小颗粒 , 相互黏合在一起 ,但没有形成新晶形结构 ,只是吸附过程中部分晶相转变为非晶相 , 其基本结构仍保持
完整;因此榕树叶吸附铀的机理为表面络合吸附机理 , UO2+2 主要与细胞表面上—OH、C O、P—O及 Si O等基
团螯合 , 形成配合物。
关键词:榕树叶;铀;机理;红外光谱;扫描电镜;X射线光电子能谱
中图分类号:O647.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:1005-9954(2010)11-0010-04
Adsorptionmechanismofuraniumonbanyanleavesbyspectralanalysis
XIALiang-shu, TANKai-xuan, ZHENGWei-na, WANGXiao
(SchoolofNuclearResourcesandNuclearFuelEngineering, UniversityofSouthChina,
Hengyang421001 , HunanProvince, China)
Abstract:Inordertorealizetheprocessmechanismthatbanyanleaves(B.L)adsorburanium, improveits
adsorbingcapacityandenhancethedislodgingrateofuranium, theadsorptionmechanismsofuraniumwithB.L
werestudiedbyFTIR, SEM, XRD, XPSspectroscopy.TheresultsshowthatB.Lcontainscarbohydrates, lignin
andceluloseandsoon.TheadsorbingpeaksaremadeupofstretchingvibrationofC O, framestretching
vibrationofbenzeneringandthestretchingvibrationofC—O.AftertheB.LadsorptionofUO2 +2 , theB.Lcel
surfacemorphologyischanged, thegapsandcavernsonB.Lsurfacedecreaseandmoreuncrystalminigrains
throughelectronappear, whicharebindingeachother.Duringthisproces, thebasicstructuremaintainsstil
withouttheformationofnewcrystalstructures, andjustsomecrystalsarechangedintonon-crystals.Sothe
mechanismofuraniumadsorptionbyB.Listhemechanismofsurfacecoordinationfunction.UO2+2 ismainly
chelatedwith—OH, C O, P— O, Si Oetc.oncelsurfacetoformthecomplexness.
Keywords:banyanleaves;uranium;mechanism;infraredspectroscopy;scanningelectronmicroscopy;X-ray
photoelectronspectroscopy
　　铀矿冶过程中产生大量的含铀废水对生态环
境构成严重威胁 ,因此含铀废水处理日益受到重
视 。传统的处理方法效率低 ,生物吸附是一种很
有潜力的方法 ,能克服传统方法的诸多不足 [ 1] 。
但国内外和以前的研究都表明 [ 2-6] ,铀的生物吸附
是一个复杂的过程 ,其机理不是单一的 ,要从分子
角度深入了解生物吸附机理 ,研究细胞壁的有效
吸附化学成分及生物合成途径 ,以及 UO2+2 在生物
吸附剂细胞内的沉积部位和状态 、与细胞特征官
能团结合的能量变化和官能团的结构及特性等 ,
才能找出适宜于吸附铀的生物吸附剂及其环境 ,
提高吸附剂对特定离子吸附的选择性 。因此若能
将生物吸附剂吸附处理含铀废水的吸附机理研究
透彻 ,这对高效吸附材料的研制有着非常重要的
指导意义。
榕树叶是一种非活性生物吸附材料 ,富含木
质素 、纤维素 、半纤维素和 P, Si等化合物 ,通过以
前的初步研究发现 ,榕树叶对铀具有较强的富集
作用 [ 5, 7] ,但吸附机理尚不清楚 ,因此有必要对榕
树叶吸附铀的过程机制进行深入研究 ,这将有助
于改善榕树叶的吸附能力 ,提高 UO2+2 的去除率。
本文主要采用扫描电镜 、红外光谱 、X射线光电子
能谱等现代分析手段来探讨榕树叶对 UO2+2 的吸
附机理 。
1　实验部分
1.1　实验材料
(1)榕树叶:取自南华大学校园内榕树落叶 ,用
自来水冲洗干净 ,再用蒸馏水冲洗 3— 4次 ,于烘箱
中烘干 ,捣碎 、研磨至一定大小的碎片 ,将其中带有
茎的叶子挑出 ,再用体积分数 5%盐酸浸泡 ,直至上
层溶液的棕色褪出 ,再到烘箱中烘干 ,最后放入生化
培养箱中备用。
(2)吸附水样:由铀标准溶液配制 [ 8] 。
1.2　实验仪器
SHC-C型恒温水浴振荡器 , 江苏江南仪器厂;
9800型离心机 ,上海手术机械厂;PE-1710 FTIR傅
里叶-红外光谱仪 ,美国 PE公司;SSX-550扫描电子
显微镜 ,日本岛津公司;D/max-ⅢA型 X射线衍射
仪 ,日本理学公司;XSAM-800型光电子能谱仪 ,英
国 KRATOS公司。
1.3　实验方法
(1)吸附实验
将 5 g(恒质量)榕树叶放入盛有质量浓度为
100mg/L铀溶液 1 L的锥形瓶中 ,在 160 r/min振
速 、40 ℃恒温振荡吸附到 60 min达吸附平衡后取
样 ,将样品于 8 000 r/min下离心分离 15 min,取出
榕树叶进行分析检测 。
(2)扫描电镜分析 [ 9]
用钢网醮取未吸附 UO2+2 和吸附 UO2+2 后的榕
树叶(经离心分离 、清洗 、脱水 、固定处理)置于洁净
抛光的铝片上 ,然后干燥 、喷金 。在扫描电子显微镜
上观察和摄取榕树叶的显微图像。
(3)红外光谱分析[ 9]
分别取一定量的未吸附 UO2+2 和吸附 UO2 +2
后的榕树叶与 120 mgKBr充分混匀 、压片 、放入
样品室 , 在相同的扫描频率下测定红外吸收光
谱图 。
(4)X射线衍射分析
分别取一定量的未吸附 UO2+2 和吸附 UO2+2 后
的榕树叶在 CuKα辐射 、电压 30 kV、电流 30mA、扫
描速度 3°/min条件下进行 X射线衍射分析 。
(5)X射线光电子能谱分析
将吸附 UO2+2 的榕树叶离心分离 ,用蒸馏水洗
涤 2次 ,放在 60 ℃的恒温干燥箱中干燥 ,然后用玛
瑙研钵研磨至 100— 120目 。然后分别将未吸附
UO2+2 和吸附 UO2+2 后并经处理过的榕树叶放在光
电子能谱分析仪上测定 。
2　结果与讨论
2.1　榕树叶的红外光谱
榕树叶吸附 UO2+2 前后的红外光谱图见文献
[ 9] 。从光谱图来看 ,榕树叶吸附 UO2+2 前后谱图变
化不大 ,红外光谱谱峰并没有明显的改变 ,只是出现
了位移 , 并无新的谱带出现 ,这表明榕树叶吸附
UO2+2 后 ,榕树叶的结构仍保持相对完整 ,缔合羟基 、
酚羟基 、羰基(羧基羰基 、酮羰基)、P—O、Si O等
活性基团在 UO2+2 吸附过程中起着重要作用。榕树
叶对 UO2+2 的吸附主要由以下步骤完成:UO2+2 ※榕
树叶固液界面※榕树叶表面※榕树叶微孔※与活性
位置结合 。
2.2　榕树叶的扫描电镜图像
为了考察吸附前后榕树叶内部的形貌及孔结构
特点 ,用扫描电镜对榕树叶吸附 UO2+2 前后进行分
析 ,其 SEM图见文献 [ 9] 。从图上看出 ,榕树叶吸附
UO2+2 前 ,榕树叶上纹路较清晰 ,表面上较粗糙 ,分布
有较多的空隙和空洞 ,比表面积比光滑表面积要大 ,
可推断 ,榕树叶上的空隙和空洞可能是吸附的场所。
榕树叶吸附 UO2+2 后 ,榕树叶表面上分布的空隙和
空洞被 UO2+2 填充 ,整体看起来较平整 ,细小孔洞基
本不见 ,呈现出较多电子不透明的微小颗粒 ,相互黏
合在一起。表明榕树叶对 UO2 +2 存在内部孔道吸
附 ,榕树叶的细胞壁由碳水化合物 、木质素和纤维素
组成 ,这些生物物质可提供大量的有机基团 ,与作为
·11·夏良树等　应用光谱分析技术研究榕树叶吸附铀的机理
配体和有空轨道的 UO2+2 相互键合 ,从而改变了其
表面形态。
2.3　榕树叶的 X-射线衍射分析
对未吸附重金属的生物体和吸附重金属后的
生物体进行 X-射线衍射分析 ,可以观察到未吸附
重金属和吸附重金属后的细胞物质成分晶形结构
的变化情况 [ 10-11] 。本研究对未吸附 UO2 +2 的榕树
叶和吸附 UO2+2 后的榕树叶进行了 X-射线衍射实
验 ,结果如图 1(a), (b)所示 。吸附前榕树叶结晶
在 2θ=21.34°, 32.86°, 49.56°, 58.43°处出现特
征衍射峰形。吸附后榕树叶没有出现新的衍射
峰 ,并且原有特征峰的衍射强度减弱 , 2θ=21.34°
处的信号及 2θ=58.43°处的信号几乎消失 ,另外
吸附后榕树叶图谱曲线的底部相对抬高 。这些变
化说明榕树叶对 UO2+2 的吸附过程没有新晶相形
成 ,只是一部分晶形结构转变成非晶形或不完善
晶形结构 ,非晶质相的比例相对增加 。这可能是:
一方面是因为细胞壁吸附 UO2+2 后 ,引起本身结构
中一些生物大分子的重排 ,使部分晶相转变为非
晶相;另一方面是因为榕树叶吸附 UO2+2 后形成了
非晶相物质 。
图 1　吸附 UO2+2 前 、后榕树叶的 X-射线衍射图谱
Fig.1　X-raydifractionspectrabeforeandafterbiosorptionofUO2+2
2.4　榕树叶的 X射线光电子能谱
根据图 2和图 3,结合相关文献 [ 12-13] ,初步
认为 C1s对应的官能团为 C—OH、O1s对应的官能团
为— COOH、P对应的官能团为 P—O/ P O, Si对
应的官能团为 Si—O/Si O,这说明榕树叶中含有
以上活性基团 ,与红外光谱的结果吻合 。当榕树叶
吸附 UO2+2 后 , XPS谱峰中出现了 4个 U谱峰 ,说明
榕树叶吸附了一定量的铀 ,同时 ,其他元素的峰位都
发生了一定的化学位移 , 其中 C1s的化学位移为
0.5 eV, O1s的化学位移为 1.4 eV, P2p的化学位移为
0.3 eV, Si2p的化学位移为 2.6 eV。由此可判定 ,在
吸附过程中铀主要和榕树叶的—OH、C O、P—O、
Si O等活性基团结合 ,形成配合物 。
图 2　榕树叶吸附 UO2+2 前的光电子能谱
Fig.2　XPSofB.LbeforebiosorptionofUO2+2
·12· 化学工程　2010年第 38卷第 11期
图 3　榕树叶吸附 UO2+
2
后的光电子能谱
Fig.3　XPSofB.LafterbiosorptionofUO2+2
3　结论
(1)榕树叶的红外吸收光谱图主要由碳水化合
物 、木质素及纤维素等吸收带组成 。吸附 UO2+2 后 ,
榕树叶的基本结构仍保持完整 。
(2)通过对吸附 UO2+2 前后的榕树叶扫描电镜
图像观察 ,榕树叶吸附 UO2+2 后表面形态发生了改
变 ,表面上分布的空隙和空洞减少 ,呈现出较多电子
不透明的微小颗粒 ,相互黏合在一起 ,这表明榕树叶
吸附了一定量的 UO2+2 。
(3)榕树叶内部存在孔洞和空隙 ,是吸附 UO22
的场所。
(4)对未吸附 UO2+2 的榕树叶和吸附 UO2+2 后
的榕树叶的 X射线衍射分析表明其吸附 UO2+2 后没
有形成新晶形结构 ,只是吸附过程使榕树叶中部分
晶相转变为非晶相 。
(5)榕树叶对铀的吸附使细胞的表面形态发生
了改变 ,在榕树叶吸附铀的过程中 , UO2+2 主要与细
胞表面 —OH、C O、P—O及 Si O等基团螯合 ,
形成配合物 ,因此榕树叶吸附铀的机理表现为表面
络合吸附机理 。
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·13·夏良树等　应用光谱分析技术研究榕树叶吸附铀的机理