胞外高聚物分離富集-火焰原子吸收法測定水樣中鎳

摘要 以胞外高聚物PF-2作為鎳的分離富集新材料，利用掃描電鏡（SEM）、X射線能量色散分析儀（EDX）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）對其進行表征。以火焰原子吸收法為檢測手段，研究了胞外高聚物PF-2對水中Ni的吸附性能。結果表明: 在pH 5.0，此吸附劑對水中的Ni具有很強的吸附能力。高聚物PF-2對Ni的吸附較易進行，吸附等溫線能較好地用Langmuir模型來描述，最大吸附容量為33.5 mg/g。被吸附的Ni可用0.5 mol/L HCl定量洗脫。本方法線性范圍0.05～2.0 mg/L；檢出限為48 μg/L；對80 mg/L Ni 溶液平行測定9次，RSD為2.6%。本方法已成功地應用于環境樣品中痕量鎳的測定。

關鍵詞 胞外高聚物；分離富集；火焰原子吸收法；鎳

2010-10-25收稿；2011-03-17接受

本文系國家自然科學基金（No. 30970309）、國家教育部博士學科點專項基金（No. 20093227110015）、河南省科技攻關項目（No. 082102220009）和河南省教育廳科技攻關項目（No. 2009A610001）資助

E-mail：myanliao@163.com

1 引言

胞外高聚物是由微生物產生的生物高分子物質，主要成分有糖蛋白、胞外多糖、蛋白質、纖維素和核酸^［1］。因其在環境中易于降解且對人體無害等優點，受到廣泛重視，近年來已有關于用胞外高聚物作為生物吸附劑吸附重金屬的報道^［1～4］。胞外高聚物中存在著大量陰離子基團 （羧基、羥基和氨基等），對不同類型金屬離子表現出強烈的親和性^［5］，對一些金屬離子有很強的吸附力，是痕量金屬離子理想的分離富集材料。鎳在自然環境中多數以微量形式存在，不易直接測定，通常需要進行預分離/富集。目前分離/富集方法主要有共沉淀法^［6］、離子交換樹脂法^［7］和有機溶劑萃取法^［8］等。本實驗利用自制的胞外高聚物作為分離富集材料，用火焰原子吸收法（FAAS）作為檢測手段，測定了環境樣品中痕量鎳的含量。本方法具有靈敏度高，重現性好，線性范圍寬等特點，為檢測環境水樣和食品中的痕量鎳提供了新的方法。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑TAS-986 型原子吸收分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司）；WQF-400N傅立葉變換近紅外光譜儀（熱電公司）；S-4800場發射掃描電子顯微鏡（Hitachi High，Japan）; X射線能量色散分析儀（EDX， USA）；pHS-3C型酸度計（上海理達儀器廠）；高速冷凍離心機（ Eppendorf ）。Ni標準儲備溶液由Ni（NO₃）₂·6H₂O配制，標準溶液系列由1.0 g/L的儲備溶液逐級稀釋而成，各種干擾離子溶液均按常規方法配制。

2.2 儀器工作條件

分析線波長：232.0 nm；燈電流：4.0 mA；燃燒器高度：5.0 mm；光譜帶寬： 0. 2 nm；燃氣流量：1500 mL/min， 燃燒器位置：2.0 mm。

2.3 實驗方法

2.3.1 胞外高聚物的制備

將細菌Pseudomonas fluorescens C-2^［9］接種到產胞外高聚物培養基（葡萄糖2%，酵母膏0.05%，尿素0.05%，NaCl 0.01%，K₂HPO₄ 0.5%，KH₂PO₄ 0.2%，（NH₄）₂SO₄ 0.02%， MgSO₄·7H₂O 0.02%，pH 7.0～8.0）中，30℃振蕩培養60 h，以10000 r/min離心去除菌體，2倍體積無水乙醇抽提離心后發酵液得到胞外高聚物，80℃烘干得到胞外高聚物PF-2。

2.3.2 吸附與解吸實驗

于50 mL比色管中加入適量Ni標準溶液，以HCl和NH₄OH溶液調節至pH 5.0，以水定容至刻度。稱取0.25 g胞外高聚物PF-2加入其中，25℃振蕩1 h，靜置2 h后，以轉速5000 r/min離心5 min，移取上層清液用FAAS測定Ni的含量，計算胞外高聚物PF-2對Ni的吸附率。取上述Ni吸附完全并離心后的沉淀，溶于蒸餾水中，加入10 mL 0.5 mol/L HCl，定容至與沉淀前液體相同的體積，25℃振蕩1 h，靜置2 h后離心，移取上層清液用FAAS測定Ni含量，計算解脫回收率。

3 結果和討論

3.1 胞外高聚物PF-2的表征

3.1.1 SEM-EDX分析

圖1為胞外高聚物PF-2吸附Ni前后的掃描電鏡圖。由圖1a可見，PF-2表面不平整，可使眾多功能團能與吸附質相接觸。而吸附Ni后（圖1b），高聚物間結合力減弱，故比吸附前顯得分散，在其顆粒周圍有大量的片狀物質存在，外表面還粘附一些絮狀或團狀物，說明Ni在高聚物表面形成了金屬沉積物。

本實驗采用EDX技術對吸附鎳前后的胞外高聚物PF-2進行了元素半定量分析（圖2）。由圖2a可見，PF-2中C， O， Na， P和K的重量比分別為13.2%， 25.1%， 19.3%， 30.0%和12.0%。當高聚物與Ni作用后，原高聚物中K和Na元素峰減弱，同時在7.5和8.25 keV處出現了Ni元素峰，這表明Ni與高聚物中K^＋和Na^＋之間存在離子交換作用。

3.1.2 FTIR 分析

胞外高聚物PF-2吸附鎳前后的紅外譜圖如圖3所示。3315 cm^－1附近的強寬譜峰為締合的來自OH的伸縮振動，是OH和NH鍵伸展振動吸收。2926 cm^－1處的峰為CH₂的碳氫反對稱伸縮振動峰^［10］。1732 cm^－1處吸收峰為羧酸脂類化合物及酮類化合物中羰基的C——O伸縮振動。1440 cm^－1處是羧酸根離子（COO^－）的特征吸收峰，是由于羧酸中CO伸縮振動引起的^［11］。

由圖3b可見，胞外高聚物PF-2吸附Ni后，3315 cm^－1處的NH吸收峰稍有減弱，移至3296 cm^－1處。這可能是因為Ni-PF-2在合成過程中產生N——Ni配位鍵， 使得NH吸收峰有所減弱。吸附Ni后，2926 cm^－1處的吸收峰向低波數偏移10 cm^－1， 且峰強明顯降低；1732 cm^－1處的C——O伸縮振動峰向低波數漂移10 cm^－1；高聚物PF-2吸附Ni后， 羧基的CO伸縮振動峰發生位移，由1440 cm^－1移至1432 cm^－1，強度明顯減弱。分析結果表明，PF-2在吸附Ni時，氨基和羧基是參與吸附作用的主要官能團。通過電位滴定實驗確定了PF-2中參與Ni吸附的官能團中羥基、氨基、羧基的含量分別為0.5， 0.9和2.4 mmol/g。

3.2 酸度對胞外高聚物PF-2吸附率的影響

于50 mL比色管中加入0.15 mg Ni，固定PF-2用量為0.25 g，分別考察了pH 1.0～8.0不同酸度條件下Ni在PF-2上的吸附率。PF-2對Ni的吸附率隨pH值的增加而增大，pH 5.0時，吸附率達到最大。當溶液pH值較低時，位于高聚物表面的官能團活性位點（如羧基、氨基等）質子化程度較高^［12］，即水合氫離子與高聚物表面的活性位點結合，阻止了Ni與吸附活性位點的接觸，因此對Ni吸附量較小；隨著pH值升高，高聚物表面官能團逐漸脫質子化，官能團的負電荷逐漸暴露出來。因此，Ni與活性位點結合量隨之增加。當溶液pH值過高時，在溶液中大量Ni會發生水解而影響吸附，所以選擇最佳酸度為pH＝5.0。

3.3 吸附等溫線

在一系列50 mL比色管中分別加入濃度為5～500 mg/L的Ni，分別在25，35和45℃下進行吸附實驗，計算其吸附容量q（mg/g）。

對于固液體系的吸附行為，常用Langmuir， Freundlich和Dubinin-Radushkevich（D-R）吸附等溫方程式來描述^［13］。3種吸附等溫方程式的線性形式分別為：

3.4 解脫實驗

從酸度對吸附率影響可以看出，強酸條件下有利于Ni的解脫。選擇HCl作為解脫劑，按實驗方法進行吸附和解脫實驗， 在25 ℃，250 mL容量瓶中進行解吸實驗，分別考察不同體積的0.5 mol/L HCl對Ni回收率的影響。結果表明：當HCl的體積達到10 mL時，Ni的回收率達到98.5%，本實驗選擇10 mL 0.5 mol/L HCl作為解脫劑，預富集因子為25。

3.5 共存離子的影響

固定PF-2用量0.25 g，在50 mL溶液中，3000 μg的K^＋，Na^＋；1000 μg的Mg^2＋，Ca^2＋，HPO^－₂，SiO^2－₃；300 μg的Co^2＋，Ag^＋；200 μg的Zn^2＋，Hg^2＋；100 μg的Pb^2＋；50 μg的Al^3＋；30 μg的Fe^3＋對1.0 mg/L Ni的回收率無影響。

3.6 工作曲線、方法的檢出限和精密度

經考察，Ni的濃度在0.05～2.0 mg/L范圍內線性良好，線性方程為Y＝0.0519X（mg/L） ＋0.0175，相關系數r＝0.9998。根據IUPAC定義，測得本法的檢出限為48 μg/L，相對標準偏差為2.6% （0.08 mg/L Ni，n＝9）。

3.7 樣品分析

取自來水和河水按常規方法預處理，取土壤樣品采用微波消解法進行前處理，按照實驗方法進行吸附和解吸實驗，同時做空白實驗和加標回收實驗，用火焰原子吸收法測定解吸液中Ni的濃度，結果見表2，回收率滿意。

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Determination of Nickel in Water by Flame Atomic AbsorptionSpectrometry after Separation/Preconcentration with Exopolymers

MAO Yan-Li^1，2， XIAO Xiao-Cun²， PAN Jian-Ming¹， OU Hong-Xiang¹， YAN Yong-Sheng^*1

¹（College of Chemistry and Chemical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013）

²（Environmental and Municipal Engineering Department， Henan University ofUrban Construction， Pingdingshan 467036）

Abstract A new exopolymers PF-2 was prepared for separation-preconcentration of trace nickel， and characterized using scanning electron microscope （SEM）， energy dispersive X-ray spectrometry（EDX） and Fourier transform infrared spectrophotometry （FTIR）. By means of the determination of flame atomic absorption spectrometry （FAAS）， the adsorption behavior of exopolymers PF-2 for nickel ions was investigated. The results showed that at the optimum pH 5.0， the Langmuir isotherm fitted well with the experimental equilibrium data， and maximum monolayer adsorption capacity was 33.50 mg/g. The adsorption kinetics data fitted very well to pseudo second-order model. The adsorbed Ni could be quantitatively eluted using 0.5 mol/L HCl. A linear response of nickel was obtained in the range of 0.05－2.0 mg/L with a detection limit of 48 μg/L. Under optimum conditions， the relative standard deviation （RSD） was 2.6% （n＝9， c＝0.08 mg/L）. The proposed method has been applied to determine trace nickel in environmental samples with satisfactory results.

Keywords Exopolymers; Separation-preconcentration; Flame atomic adsorption spectrometry； Nickel

（Received 25 October 2010; accepted 17 March 2011）