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        辣木蛋白絮凝凈水技術(shù)研究進(jìn)展

        2021-01-20 04:47:10吳珍王躍梅周欣張弦
        生物化工 2021年6期
        關(guān)鍵詞:辣木凈水絮凝劑

        吳珍,王躍梅,周欣,張弦

        (鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程系,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

        絮凝是目前應(yīng)用廣泛的水處理工藝單元之一,多年來(lái)始終以簡(jiǎn)單方便、高效快速和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)活躍在水與廢水處理的舞臺(tái)上。其原理為通過(guò)向水中投加化學(xué)藥劑(絮凝劑),水溶液/溶膠系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞,污染物由于脫穩(wěn)聚集成大的聚集體而得以去除。目前應(yīng)用于水處理行業(yè)的主要是無(wú)機(jī)鋁鹽或鐵鹽絮凝劑,有機(jī)合成高分子絮凝劑如聚丙烯酰胺由于其單體的有毒性主要應(yīng)用于工業(yè)廢水和污泥的濃縮處理。此外,還有由生物提取的蛋白質(zhì)、多糖類絮凝劑,但目前多處于研發(fā)階段。

        辣木(Moringa oleifera)是一種被西方科學(xué)家譽(yù)為“神奇之樹(shù)”的多年生熱帶落葉喬木,我國(guó)云南熱帶作物科學(xué)研究所于2002年引進(jìn)和試種,目前已在我國(guó)廣西、云南、福建、四川等地廣泛種植。從辣木種子經(jīng)壓榨后的籽粕中提取的辣木蛋白被證實(shí)具有凈水活性,它不僅能顯著降低水中的致濁污染物,對(duì)水中天然有機(jī)物、染料、重金屬離子、藻類、寄生蟲(chóng)、鈣鎂離子等都有一定的去除效果,且絮凝后不引起水體pH和電導(dǎo)率的改變,污泥產(chǎn)量也比常規(guī)的鋁鹽、鐵鹽絮凝劑少得多。更為重要的是,采用辣木蛋白做絮凝劑不產(chǎn)生帶有金屬化合物的污泥,且不存在鋁鹽、聚丙烯酰胺等絮凝劑殘留而引起的人類健康潛在風(fēng)險(xiǎn)。基于辣木蛋白的凈水特效,以及安全、無(wú)毒副作用、易于生物降解等特性,有望替代傳統(tǒng)無(wú)機(jī)及有機(jī)合成絮凝劑成為一種更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)、更天然的水處理絮凝劑。

        1 辣木蛋白用于水處理的研究現(xiàn)狀

        辣木的凈水能力雖然是近些年在逐漸被大眾發(fā)現(xiàn),但實(shí)際上早在60年代一些國(guó)家和地區(qū)就有使用辣木凈水的傳統(tǒng)。人們通過(guò)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)辣木籽粉的水提取液就可以除去污水中的泥沙和細(xì)菌從而達(dá)到澄清水體凈化水質(zhì)的作用。90年代以來(lái),人們對(duì)辣木的凈水作用開(kāi)展了科學(xué)研究,并發(fā)現(xiàn)其中起凈水作用的是一種辣木蛋白。

        YAMAGUCHI等[1]對(duì)辣木蛋白在水處理中的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,以“辣木”和“水處理”為關(guān)鍵詞在Web of Science上檢索2016—2020年的文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)其發(fā)文量呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì),且在生物質(zhì)絮凝劑相關(guān)文獻(xiàn)中占50%以上。YAMAGUCHI等認(rèn)為,辣木蛋白具有豐富可用、成本低、可生物降解、無(wú)毒和多功能等特點(diǎn),是一種可用于地表水處理的天然絮凝劑,可用其去除多種水污染物(如農(nóng)藥、染料和藥物等)。TAIWO等[2]從辣木種子中提取了分子量分別為14.2 kDa和30.3 kDa的辣木蛋白,用于處理水庫(kù)水,與常規(guī)化學(xué)絮凝劑(硫酸鋁)相比,辣木蛋白顯著降低了水的濁度(<0.05 NTU)和有機(jī)污染物,同時(shí)使水中大腸菌群總量減少了58.18%。MAGALH?ES等[3]采用辣木蛋白去除含油廢水中的油脂,得到平均油脂去除效率為82.43%±0.70%。迪卡羅[4]使用電絮凝/辣木籽吸附耦合技術(shù)處理染料廢水,可以快速提高廢水中染料的去除效率,酸性黑1(AB1)和堿性紅2(BR2)的脫色率分別可達(dá)99.30%和94.00%。

        2 辣木蛋白用于水處理的機(jī)理

        目前對(duì)辣木蛋白凈水活性物質(zhì)有著多種解釋:其中一種認(rèn)為是吸附和電中和,即帶正電荷的辣木蛋白通過(guò)與帶負(fù)電荷的污染物通過(guò)靜電吸附現(xiàn)象相互結(jié)合,然后通過(guò)電中和作用從而改變污染物的電荷來(lái)導(dǎo)致水體內(nèi)產(chǎn)生電荷特征不同的區(qū)域,從而加劇了污染物的運(yùn)動(dòng)碰撞過(guò)程,得以進(jìn)一步通過(guò)電中和形成較大的絮凝體最終在重力作用下沉淀下來(lái);另一種則認(rèn)為是水中的二價(jià)陽(yáng)離子與該物質(zhì)生成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)從而對(duì)污染物產(chǎn)生網(wǎng)捕、卷掃作用進(jìn)而得以除去水體中的污染物。

        目前比較公認(rèn)的是辣木種子中的凈水活性成分是一種陽(yáng)離子型蛋白質(zhì),等電點(diǎn)(pI)在10左右,分子量在6.5~14.0 kDa。而對(duì)于凈水機(jī)理,GHEBREMICHAEL等[5]認(rèn)為辣木提取液中帶正電的活性物質(zhì)與帶負(fù)電顆粒在庫(kù)侖力的作用下,使顆粒物間靜電排斥作用減少而脫穩(wěn)聚集,活性物質(zhì)又通過(guò)架橋的方式與其他顆粒聚集形成更大絮凝體;NDABIGENGESERE等[6]指出,吸附電中和是絮凝的主要機(jī)制,因?yàn)樘崛∫簬д姾墒切跄l(fā)生的先決條件;方曉敏[7]發(fā)現(xiàn),分子量大于10 kDa的帶酰胺基陽(yáng)離子型蛋白可以改變懸濁液的電性,但單獨(dú)使用時(shí)并不能使高嶺土微粒聚結(jié)沉降,需要與辣木提取液中另外兩種小于10 kDa的陰離子型蛋白質(zhì)混合后才具有絮凝沉降作用;OKUDA等[8]則認(rèn)為,辣木所含有的活性物質(zhì)對(duì)濁度的去除機(jī)理既非吸附電中和,也非壓縮雙電層,而是水中的二價(jià)陽(yáng)離子與活性物質(zhì)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)起到網(wǎng)捕、卷掃作用的結(jié)果。顯然,更為清晰的辣木凈水蛋白絮凝機(jī)理需要深層次的研究和探討。

        3 結(jié)語(yǔ)

        絮凝是目前用于水中污染物去除的一種常用技術(shù),由于絮凝涉及到水溶液化學(xué)、膠體與微界面化學(xué)、流體力學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域,為絮凝過(guò)程及其機(jī)理研究增加了難度,對(duì)絮凝的有關(guān)機(jī)理還未完全明確。而隨著社會(huì)的發(fā)展,不斷涌現(xiàn)的新污染物和人們對(duì)水質(zhì)需求的不斷提高,也為絮凝技術(shù)提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

        天然辣木蛋白絮凝去除水中各種污染物的研究報(bào)道表明,辣木蛋白對(duì)水中溶解性染料等小分子有機(jī)污染物的去除效果比傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽絮凝劑更勝一籌。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模型相結(jié)合,分析并論證天然辣木蛋白絮凝反應(yīng)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù),揭示絮凝反應(yīng)機(jī)理將是今后值得探索的方向之一。

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