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        固定化漆酶催化降解水中BPA的特性研究

        2020-11-27 04:10:44王亞麗劉夢婷
        山東化工 2020年21期
        關鍵詞:影響

        王亞麗,劉夢婷,梁 瑞

        (寧夏師范學院化學化工學院,寧夏 固原 756000)

        含酚廢水已成為水體污染的主要來源之一,具有危害性大、污染范圍廣等特點[1]。雙酚A,簡稱BPA,常被用來合成聚碳酸酯和環(huán)氧樹脂等材料制造的塑料瓶、玻璃涂料、食品包裝和奶粉罐內(nèi)涂層[2]。雙酚A的危害極大,會導致人體內(nèi)分泌失調(diào),從而影響著胎兒和兒童的身體發(fā)育。目前,在人的唾液、血液、尿液中也測出了雙酚A[3]。因此如何有效的降解BPA 是我們面臨的一個重大問題。

        研究者開發(fā)了各種處理手段,目前主要的處理方法主要有Fenton 催化法、光催化降解法、微生物處理法、電化學處理法等[4-6],但這些方法在降解過程中仍存在一定問題,不能達到理想的效果,有的甚至會造成二次污染。近年來,漆酶因催化效率高、易獲取、操作簡單等特點,被廣泛應用于水中酚類污染物的催化降解處理[7-8]。但是存在的問題是游離漆酶具有易失活、不可重復性等特點,致使其使用成本高,難以用于工業(yè)生產(chǎn)。漆酶的固定化技術(shù)可以克服游離漆酶的不足,極大地提高漆酶穩(wěn)定性,降低使用成本[9]。固定化漆酶的方法有很多,如吸附法、包埋法、共價結(jié)合和交聯(lián)等,研究表明,通過固定化后的漆酶可以保持較好的活性和穩(wěn)定性。本文利用溶膠凝膠法制備磁性Fe3O4/SiO2復合材料,將其作為載體用于固定化漆酶,并研究了固定化漆酶對雙酚A的去除效果。

        1 實驗部分

        1.1 試劑儀器

        雙酚A、漆酶、30%的H2O2、磷酸緩沖液、三氯甲烷、氯化亞鐵、氯化鐵、聚乙二醇、甲苯、丙酮、四甲氧基硅烷(TMOS)、鹽酸(36%-38%)、乙醇(95%)、戊二醛(50%)(AR,國藥化學試劑有限公司)。

        紫外可見分光光度計(UV-1700型,島津國際貿(mào)易上海有限公司);數(shù)顯 pH酸度計(實驗室pH計(FE20),梅特勒-托利多儀器上海有限公司);掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-6700F,日本)。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 漆酶的固定化

        先利用溶膠凝膠法制備Fe3O4/SiO2復合粒子,后取該復合粒子0.2g加入磷酸鹽緩沖溶液(10 mL)和戊二醛(9%(W/V))(10 mL)的混合液中,25℃恒溫水浴反應6 h,得產(chǎn)物后用蒸餾水洗滌5次,真空冷凍干燥,得實驗所需的磁性載體。稱取25mg該Fe3O4/SiO2復合粒子,加入一定量pH為6.0的磷酸鹽緩沖溶液,再加入一定濃度的漆酶溶液,在25 ℃下恒溫水浴反應4 h,得固定化的漆酶,用pH 6.0的磷酸鹽緩沖溶液洗滌三次后,4 ℃下保存。

        1.2.2 確定BPA的特征吸收波長并繪制標準曲線

        配置一定量的BPA溶液,以磷酸緩沖溶液為參比,利用紫外分光光度計,在170 nm~330 nm波長范圍內(nèi)掃譜。結(jié)果如圖1所示,確定270 nm為BPA的特征波長。

        圖1 BPA的吸收波長

        繪制BPA的標準曲線:配置如圖2所示的7個不同濃度的雙酚A溶液,在10.0 mL的反應管中采用移液槍分別加pH值為6的磷酸緩沖溶液4000 μL,雙酚A溶液400 μL。25 ℃恒溫5 min后,將一定量的不同濃度溶液加入比色皿在UV測定其在270 nm處的吸光度值。以吸光度—濃度作圖,得出圖2標準曲線。

        圖2 BPA的標準曲線

        1.2.3 固定化漆酶催化降解雙酚A的條件測定

        在10.0 mL反應管中加入4000μL不同pH的磷酸緩沖溶液,400μL不同濃度的BPA溶液和一定量的固定化漆酶溶液,最后再加入200μL 2.0 mmol·L-1的H2O2溶液,在25℃下反應20 min,用UV測定其吸光度值,計算BPA的降解率[10]:η=(A0-At)/A0×100%

        2 實驗結(jié)果討論

        2.1 磁性Fe3O4/SiO2復合粒子及固定化漆酶后的結(jié)構(gòu)

        以 Fe3O4為磁核包覆SiO2后得到 Fe3O4/SiO2,然后將漆酶固定于Fe3O4/SiO2上,圖3(a)為磁性Fe3O4/SiO2復合粒子的 SEM圖,圖3(b)為磁性復合粒子固定漆酶后的SEM圖。由圖看出,磁性Fe3O4/SiO2復合粒子呈現(xiàn)球形分布,部分粒子有團聚的現(xiàn)象。

        圖3 (a)Fe3O4/SiO2納米粒子的SEM圖(b)固定漆酶后的Fe3O4/SiO2納米粒子的SEM圖

        2.2 溫度對BPA降解率的影響

        在7支10.0mL反應管中分別加入 pH值為7的緩沖溶液4000μL、1.0 mmol·L-1的BPA溶液400μL和 5 mg·mL-1固定化的漆酶溶液200μL,在不同的溫度下,加3 mmol·L-1的H2O2入400μL,實驗持續(xù)30 min,考察溫度對BPA降解的影響。結(jié)果如圖4所示,溫度為25 ℃時,降解率為45.2%,溫度對降解率的影響較大。

        圖4 溫度對BPA降解率的影響

        2.3 pH對BPA降解率的影響

        同上在7支10.0 mL反應管中分別加入相同量不同 pH值緩沖溶液、BPA溶液和固定化的漆酶溶液,在25 ℃下加入相同量的H2O2,30 min后停止反應,計算pH對降解率的影響。結(jié)果如圖5,反應液pH為5時,降解效果最佳,達52.4%,從圖中可以看出,在酸性環(huán)境中BPA更易被降解。

        圖5 pH值對BPA降解率的影響

        2.4 H2O2濃度對BPA降解率的影響

        在8支10.0 mL反應管中分別加入相同的4000 μL的pH值為5的磷酸緩沖溶液、400 μL濃度為1.0 mmol·L-1的BPA溶液和200μL 5 mg·mL-1固定化的漆酶溶液,定溫25℃下將相同量不同濃度的H2O2分別加入反應管中,30 min后停止反應,計算H2O2濃度對降解率的影響。將結(jié)果繪圖。從圖6可以看出,H2O2濃度對降解率的影響很大,該實驗在H2O2為4 mmol·L-1時,降解率為61.3%,效果最佳。

        圖6 H2O2濃度對降解率的影響

        2.5 時間對BPA降解率的影響

        在其它條件不變情況下考察反應時間對降解率的影響,反應條件如上,在確定H2O2濃度為4mmol·L-1下,時間不定進行反應。考察時間點如圖7所示,從圖中可以得出,開始反應的前20 min,反應較快,在20 min時降解率達到最大值65.8%,之后隨著反應時間的延續(xù),降解率下降。

        圖7 時間對降解率的影響

        2.6 BPA濃度對降解率的影響

        同樣在7支10.0mL反應管中分別加入pH值為5緩沖溶液4000 μL,后分別加入不同濃度的BPA溶液400 μL和 5 mg·mL-1固定化的漆酶溶液200μL,25 ℃下恒溫,加入4 mmol·L-1的H2O2溶液400μL,反應進行20 min后停止,計算BPA濃度對降解率的影響。結(jié)果繪圖,從圖8中可以看出,在BPA濃度為2.0 mmol·L-1時,降解率最大為68.0%。

        圖8 BPA濃度對降解率的影響

        2.7 加入表面活性劑對BPA降解的影響

        有文獻指出加入表面活性劑能有效提高酶催化對酚類物質(zhì)的降解率。本實驗采用聚乙二醇為表面活性劑,考察加入聚乙二醇對BPA降解率的影響。在7支10.0 mL反應管中分別加入 pH為5的緩沖液4000 μL,然后依次加入不同量的聚乙二醇,25 ℃下反應,加入4 mmol·L-1的H2O2400μL,反應進行20 min停止,考察BPA的降解情況。從圖9可以看出當加入聚乙二醇的量為1.5 mg時,降解率最好為73%。

        圖9 表面活性劑用量對降解率的影響

        3 結(jié)論

        通過以上實驗確定在一定條件下,固定化漆酶能夠有效地催化降解水中的雙酚A。當反應溫度為25 ℃,pH值為5時,在BPA、H2O2濃度分別為2.0 mmol·L-1、4 mmol·L-1,加入1.5 mg聚乙二醇,固定化酶用量1.0 μg的條件下反應20 min,BPA降解率可以達到73%。

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