螺旋藻(Fucus spiralis)生物吸附剂对La3+和Th4+的绿色高效回收：Box-Behnken优化与机理研究

为解决稀土元素(REEs)和放射性Th4+污染治理难题，研究人员以褐藻(BA)和绿藻(GA)为生物吸附剂，通过SEM-EDX/FT-IR/XPS多技术联用揭示了BA对La3+(180 mg/g)和Th4+(240 mg/g)的选择性吸附优势。采用RSM-BBD优化获得83% La3+去除率的最佳条件(pH=4.31，吸附剂0.015g)，证实其符合Langmuir模型和自发吸附热力学特征，为核废水和稀土废水处理提供了新型环保方案。

　　

在"工业维生素"稀土元素(REEs)和核燃料Th⁴⁺需求激增的背景下，其开采过程产生的含La³⁺和放射性Th⁴⁺废水对生态环境构成严重威胁。传统处理方法如化学沉淀法成本高且易产生二次污染，而藻类生物吸附剂因其表面丰富的羧基等功能基团展现出独特优势。然而，不同藻类对REEs的选择性吸附机制尚不明确，特别是对具有放射性的Th⁴⁺的回收研究更为匮乏。

研究人员通过对比褐藻(BA)与绿藻(GA)的吸附性能发现，在初始浓度1000 mg/L条件下，BA对La³⁺和Th⁴⁺的吸附量分别达180 mg/g和240 mg/g，显著优于GA（仅吸附196 mg/g Th⁴⁺且不吸附La³⁺）。通过SEM-EDS观察到BA表面具有典型蜂窝状多孔结构，FT-IR证实羧基(-COOH)和羟基(-OH)是主要吸附位点，XPS分析则发现吸附后La 3d_5/2和Th 4f_7/2电子结合能位移，证实了化学配位机制。

关键技术方法

研究采用Box-Behnken设计(BBD)构建17组实验优化参数，结合人工神经网络(ANN)预测模型；通过pH_zpc测定确定表面电荷特性；Langmuir和伪二级动力学模型拟合吸附过程；热力学分析通过ΔG⁰、ΔH⁰和ΔS⁰计算评估反应自发性。

Characterization and mechanism

SEM显示BA具有层状褶皱结构，EDX图谱证实吸附后La和Th的特征峰出现；FT-IR检测到3415 cm^-1处-OH伸缩振动峰和1637 cm^-1处C=O键位移，证实金属离子与含氧官能团配位；XPS分析表明La³⁺通过离子交换取代藻酸盐中的Ca²⁺。

Conclusion

该研究证实Fucus spiralis褐藻是La³⁺/Th⁴⁺高效生物吸附剂，其最大吸附容量分别达111 mg/g和131 mg/g。RSM优化获得83%去除率的最佳条件为：pH 4.31、吸附剂0.015g、浓度50 mg/L。研究创新性地将ANN模型应用于吸附预测，R²达0.98，为核废水中放射性元素回收提供了理论依据和技术参考。论文发表于《Separation and Purification Technology》，为发展绿色水处理技术提供了重要范式。