阴离子偶氮染料（DR5B、DB71和RB5）在Aspergillus sp. RFC-1上的生物吸附：动力学、等温线及化学吸附热力学研究

《Journal of Water Process Engineering》：Biosorption of anionic azo dyes (DR5B, DB71, and RB5) onto aspergillus sp. RFC-1: Kinetics, isotherms, and chemisorption thermodynamics studies

本研究利用Aspergillus sp. RFC-1真菌生物质吸附三种偶氮染料（Direct Red 5B、Direct Blue 71、Reactive Black 5），发现其最大单层吸附量为182.20 mg/g（针对DR5B），吸附机制以Langmuir等温线和伪二级动力学模型描述，表明单层吸附和化学吸附主导，且DR5B吸附过程具有显著热力学活化能（+58.56 kJ/mol）。

　　

阿德南·B·阿尔-哈瓦什（Adnan B. Al-Hawash）

伊拉克巴士拉大学库尔纳教育学院（College of Education-Qurna, University of Basrah），巴士拉，61001

摘要

本研究利用Aspergillus sp. RFC-1真菌生物质作为有效的、可持续的生物吸附剂，探讨了三种偶氮染料——直接红5B（Direct Red 5B, DR5B）、直接蓝71（Direct Blue 71, DB71）和活性黑5（Reactive Black 5, RB5）的生物吸附机制。这种天然真菌生物质具有高度交织的多孔菌丝网络，并含有丰富的暴露功能基团，其单层最大吸附容量为182.20 mg/g（公式：$\mathsub{q}_{\text{max}} = 182.20$ mg/g），显著优于DB71和RB5。形态学（SEM）分析表明，吸附过程严重改变了负载有DR5B的生物质表面，这主要是由于厚重的单层沉积和孔隙填充所致，这也解释了其高吸附容量。BET分析显示，吸附DR5B、DB71和RB5后，表面积和孔隙体积均显著减小，证实染料主要通过孔隙填充和表面覆盖机制被吸附。所有染料的平衡吸附数据均能很好地用Langmuir等温线模型（R2 = 0.99）描述。动力学分析表明，该过程遵循伪二级（Pseudo-Second-Order, PSO）模型（R2 > 0.9978），表明化学吸附（涉及电子共享/交换）是控制吸附速率的关键步骤。此外，DR5B和DB71的吸附过程是自发的且吸热反应（ΔH° = +58.56 kJ/mol），其中DR5的吸热性更强，表明存在显著的热活化障碍和强烈的化学相互作用。这些发现表明RFC-1是一种具有高吸附容量的有前景的生物吸附剂，尤其适用于难以处理的DR5B染料。

缩写说明

缩写列表

DB71RB5PFOPSOSEMFTIRBETpHpzc

DR5B	直接红5B
直接蓝71
活性黑5
伪一级（Pseudo-First-Order）
伪二级（Pseudo-Second-Order）
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy）
傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）
布鲁纳-埃梅特-泰勒法（Brunauer–Emmett–Teller method）
零电荷点（Point of Zero Charge）

关键词

偶氮染料（Azo dyes）

生物吸附（Biosorption）

傅里叶变换红外光谱（FTIR spectroscopy）

Langmuir等温线（Langmuir isotherm）

伪二级反应（Pseudo-second-order, PSO）

热力学（Thermodynamics）

化学物质和染料浓度测定

每种染料的储备溶液（浓度为1 g/L）是通过将其所需质量溶解在蒸馏水中制备的。根据需要，使用0.1 N盐酸（HCl）或0.1 N氢氧化钠（NaOH）调节溶液的初始pH值。所有储备溶液在4°C下储存，以防止实验前发生降解或浓度变化。染料浓度通过Alpha-1860 UV–Vis分光光度计（上海，中国）进行光谱测定。

形态学分析

吸附前，Aspergillus sp. RFC-1生物质（图2a）的结构特征使其成为高效的生物吸附剂。该生物质具有典型的丝状、网状结构，由密集的真菌菌丝网络构成（类似之前的研究[16]）。其独特的丝状、错综复杂的菌丝网络为生物吸附提供了较大的表面积。更重要的是，其表面干净且完整，这意味着吸附过程能够有效地进行。

结论

Aspergillus sp. RFC-1真菌生物质被证明是一种高效的、易于获得的偶氮染料吸附剂，其吸附过程是自发的且受pH值影响，在pH 4.0时达到最大吸附效率。吸附效率排序为：DR5B > DB71 > RB5，其中DR5B的单层最大吸附容量为182.20 mg/g。从机制上看，该过程可以用Langmuir等温线模型（单层吸附）来描述。

CRediT作者贡献声明

阿德南·B·阿尔-哈瓦什（Adnan B. Al-Hawash）：负责资源调配、项目管理、数据整理和概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者感谢伊拉克巴士拉大学库尔纳教育学院及其中央实验室对本研究的支持。