黄曲霉生物质对水溶液中铯和锶的生物吸附机制研究及其在核废水处理中的应用

本研究针对核废水中长寿命裂变产物Cs+和Sr2+的去除难题，埃及原子能管理局团队系统评估了黄曲霉(Aspergillus flavus)死菌体的生物吸附性能。通过FTIR、SEM-EDS等技术表征发现其表面富含-OH、-COOH等活性基团，最大吸附量分别达26.7 mg·g-1(Cs+)和211.1 mg·g-1(Sr2+)，吸附过程符合Freundlich多层吸附模型。该生物材料在pH5-8条件下展现优异选择性和3次循环稳定性，为放射性废水处理提供了经济环保的解决方案。

　　

核能工业的发展带来了放射性废水处理的重大挑战，其中铯(Cs⁺)和锶(Sr²⁺)因其长半衰期（¹³⁷Cs达30.17年，⁹⁰Sr达28.79年）和高水溶性成为环境持久性污染物。2011年福岛核事故后，这些核素在环境中的迁移扩散引发全球关注。传统处理方法如反渗透、电渗析虽有效但成本高昂，亟需开发经济高效的生物修复技术。埃及原子能管理局土壤与水研究部的A.M. Mousa团队在《Scientific Reports》发表的研究，系统评估了丝状真菌黄曲霉(Aspergillus flavus)死菌体对Cs⁺和Sr²⁺的生物吸附性能，为核废水处理提供了新思路。

研究人员采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)鉴定表面官能团，扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)分析元素分布，Brunauer-Emmett-Teller(BET)法测定比表面积。通过批次吸附实验考察pH、接触时间、初始浓度等参数影响，结合动力学模型和热力学分析阐明吸附机制。竞争离子实验评估选择性，并测试不同洗脱剂的再生效率。

【材料特性】FTIR分析显示生物质含-OH(3414 cm^-1)、-NH(1543 cm^-1)等关键基团，吸附后谱峰位移证实其参与金属结合。SEM显示多孔结构，BET比表面积9.65 m²/g。热重分析(TGA)表明材料在213-600℃保持稳定，化学稳定性测试显示在酸中溶解度<0.01%。

【吸附性能】pH实验揭示Sr²⁺在pH5时去除率~90%，而Cs⁺在pH8达27%。动力学符合伪二级模型(R²>0.97)，表明化学吸附主导。等温线拟合显示Freundlich模型最优，最大吸附量分别为211.1 mg·g^-1(Sr²⁺)和26.7 mg·g^-1(Cs⁺)。

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【作用机制】离子水合半径分析(Sr²⁺ 4.12 ?)显示Sr²⁺因更高电荷密度(Z/r=0.485)比Cs⁺(3.29 ?)更易吸附。Ca²⁺对Sr²⁺吸附的强烈抑制证实离子交换为主要途径。FTIR数据支持表面络合协同作用。

【再生性能】0.1 M HNO₃洗脱效果最佳(Sr²⁺ 81.2%，Cs⁺ 71.5%)，3次循环后效率仍保持80%以上。热力学参数(△H>0，△G<0)证实吸附为自发的吸热过程，熵增(△S>0)表明固液界面无序度增加。

该研究证实黄曲霉死菌体是通过离子交换、表面络合等多机制协同作用的理想生物吸附剂。相较于传统材料如磁性氧化石墨烯(Sr²⁺吸附量仅9.29 mg·g^-1)，其更高的吸附容量和可再生性显著降低处理成本。研究为核电站废水、核事故污染水处理提供了符合循环经济理念的解决方案，生物质后续可通过焚烧减容实现放射性废物最小化。未来研究可优化菌株培养条件提升生物质产量，并开发固定化技术增强工程适用性。