吳佳娜， 張紫茹， 孫 然， 馬春蕾， 唐建可， 王 琦

（1.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，太原 030008； 2.太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，太原 030008；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟管理學(xué)院，太原 030006）

四環(huán)素類（TCs）物質(zhì)是世界范圍內(nèi)大量生產(chǎn)和消耗的一種抗生素［1］，因為它們具有穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，很難被生物代謝降解，所以會對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴重危害［2-5］. 因此，研究開發(fā)出能夠高效降解四環(huán)素的材料和技術(shù)具有重要意義.

目前報道的用于降解四環(huán)素的方法有很多，如物理吸附［6］、生化處理［7］、膜超濾［8］、離子交換［9］、電泳［10］、光催化［11］、高級氧化［12-13］等. 高級氧化法是利用活性氧的強氧化性來氧化降解四環(huán)素的一種方法. 根據(jù)高級氧化法的原理，很多活性材料被合成并在過氧化氫的輔助下用于降解四環(huán)素［14-15］. 然而，有些活性材料的制備流程比較復(fù)雜，有些活性材料在降解后期較難分離，這些問題在一定程度上限制了它們的應(yīng)用. 為了解決上述這些問題，有的學(xué)者［16-17］利用植物纖維來制備二氧化錳活性材料并將其用于污水的處理，有的學(xué)者［18］將雞蛋膜作為一種生物模板用于染料的降解.

本研究利用雞蛋膜和銀氨溶液制備出了雞蛋膜負載的銀顆粒（Ag/ESM），并對Ag/ESM的制備條件進行了優(yōu)化，然后根據(jù)高級氧化法的原理，研究了不同條件下Ag/ESM+H2O2對鹽酸四環(huán)素的降解效果. 本研究可為鹽酸四環(huán)素的降解提供一定的參考.

1 實驗方法

1.1 實驗儀器和試劑

實驗所用儀器和試劑分別列于表1和表2.

表1 實驗儀器Tab.1 Experimental instruments

表2 實驗試劑Tab.2 Experimental reagents

1.2 雞蛋膜負載的銀顆粒（Ag/ESM）的制備

首先取0.063 7 g硝酸銀置于燒杯中，加入少量去離子水溶解，然后向燒杯中逐滴滴加體積分數(shù)為25%的氨水直至沉淀剛好消失，最后定容到25 mL容量瓶中即可得到濃度為15 mmol·L-1的銀氨溶液母液. 其余濃度的銀氨溶液由此銀氨溶液母液稀釋得到.

雞蛋膜洗凈后在空氣中自然晾干并切成每片質(zhì)量為5 mg的小片備用. 取一片雞蛋膜浸泡于1 mL濃度為13.5 mmol·L-1的銀氨溶液中并置于50 ℃的恒溫水浴鍋中，反應(yīng)3 h后，取出雞蛋膜并清洗干凈，然后置于紗網(wǎng)上晾干備用.

1.3 Ag/ESM制備條件的優(yōu)化

有研究［19］表明，銀顆粒具有催化分解過氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力，且產(chǎn)生的活性氧能夠與3，3’，5，5’-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）發(fā)生顯色反應(yīng)，使TMB溶液從無色變?yōu)樗{色. 本研究通過觀察不同條件下制備的Ag/ESM的顯色程度來對Ag/ESM的制備條件進行優(yōu)化. 首先將200 μL濃度為2.5 mmol·L-1的TMB溶液和100 μL濃度為0.1 mmol·L-1的過氧化氫溶液加入到1700 μL pH=4的醋酸-醋酸鈉緩沖液中，配制成顯色反應(yīng)的底物溶液（簡稱顯色溶液）. 然后，分別在不同銀氨溶液濃度（1.5、4.5、7.5、10.5、13.5 mmol·L-1）、不同反應(yīng)時間（1、2、3、4、5 h）、不同反應(yīng)溫度（20、30、40、50、60、70、80 ℃）條件下制備Ag/ESM. 最后，取一片在不同條件下制備的Ag/ESM 浸泡到顯色溶液中，在500 r/min 條件下振蕩5 min，取一定量的顯色溶液在紫外可見分光光度計中測定其在653 nm 處的吸光度（OD653），同時觀察顯色溶液的顏色并記錄拍照. OD653的值越大，表明Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能越好. 顯色溶液的顏色越深，表明Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能越好.

1.4 鹽酸四環(huán)素標準曲線的建立

首先將初始質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液分別稀釋成質(zhì)量濃度為0.1、0.5、1、2、4、6、8、10、20、30、40、50、60、70 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液，然后通過紫外可見分光光度計分別測定不同質(zhì)量濃度的鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），最后根據(jù)鹽酸四環(huán)素溶液的質(zhì)量濃度與OD358的關(guān)系建立鹽酸四環(huán)素（TCH）的標準曲線，如圖1所示.

圖1 TCH的標準曲線Fig.1 The standard curve of TCH

1.5 鹽酸四環(huán)素的降解

1.5.1 不同材料對TCH降解效果的影響 首先，根據(jù)高級氧化法的原理，結(jié)合銀顆?？纱呋纸膺^氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力，分別設(shè)置四個處理組以分析不同材料對鹽酸四環(huán)素的降解效果. 四個處理組分別如下：①H2O2處理組（20 mL 濃度為0.1 mmol/L 的H2O2溶液）；②ESM 處理組（10 片雞蛋膜）；③Ag/ESM 處理組（10 片Ag/ESM）；④Ag/ESM+H2O2處理組（10 片Ag/ESM+20 mL 濃度為0.1 mmol/L 的H2O2溶液）. 然后分別向四個處理組中加入20 mL質(zhì)量濃度為50 mg·L-1的TCH溶液，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min通過紫外可見分光光度計測定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標準曲線計算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計算鹽酸四環(huán)素的降解率.

式中：R代表鹽酸四環(huán)素的降解率，%；C0和C分別代表的是鹽酸四環(huán)素的初始質(zhì)量濃度和最終質(zhì)量濃度，mg·L-1.

1.5.2 不同H2O2濃度條件下Ag/ESM+H2O2對TCH 降解效果的影響 首先，向10 mL 質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液中分別加入40、120、200 μL 濃度為10 mol/L 的H2O2溶液并混合均勻，之后再分別加入9.96、9.88、9.8 mL去離子水，即可得到含有不同H2O2濃度（0.02、0.06、0.1 mmol/L）的質(zhì)量濃度為50 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液. 然后，取10片Ag/ESM分別浸入到上述三種溶液中，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min通過紫外可見分光光度計測定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標準曲線計算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計算鹽酸四環(huán)素的降解率.

1.5.3 不同TCH 濃度條件下Ag/ESM+H2O2對TCH 降解效果的影響 首先，分別向2、6、10 mL 質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液中加入200 μL 濃度為0.01 mol/L 的H2O2溶液并混合均勻，之后再分別加入17.8、13.8、9.8 mL去離子水，即可得到含有0.1 mmol/L H2O2的質(zhì)量濃度分別為10、30、50 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液. 然后，取10片Ag/ESM分別浸入到上述三種溶液中，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min通過紫外可見分光光度計測定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標準曲線計算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計算鹽酸四環(huán)素的降解率.

1.5.4 不同Ag/ESM用量條件下Ag/ESM+H2O2對TCH降解效果的影響 首先，向10 mL質(zhì)量濃度為100 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液中加入200 μL濃度為0.01 mol/L的H2O2溶液并混合均勻，之后再加入9.8 mL去離子水，即可得到含有0.1 mmol/L H2O2的質(zhì)量濃度為50 mg/L 的鹽酸四環(huán)素溶液. 然后，分別取5、10、20 片Ag/ESM 浸入到20 mL 含有0.1 mmol/L H2O2的質(zhì)量濃度為50 mg/L 的TCH 溶液中，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min 通過紫外可見分光光度計測定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標準曲線計算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計算鹽酸四環(huán)素的降解率.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 Ag/ESM的合成機理和表征

雞蛋膜中的糖醛酸和糖類化合物中含有醛基［20］，當雞蛋膜浸入到銀氨溶液中時，醛基能與銀氨溶液發(fā)生類銀鏡反應(yīng)，于是銀單質(zhì)在雞蛋膜表面生成并生長為顆粒負載于雞蛋膜上. 圖2a為Ag/ESM的掃描電鏡（SEM）圖，可以看到銀顆粒均勻地負載于雞蛋膜蛋白纖維上. 圖2b為放大后的SEM圖，對比標尺可以看出，銀顆粒的尺寸在80～160 nm之間. 圖2c是Ag/ESM的實物圖，可以看出白色的雞蛋膜變?yōu)榱俗厣?，說明銀顆粒確已生成. 圖3a為Ag/ESM材料的X射線光電子能譜圖（XPS全譜圖），由圖3a可知，Ag/ESM由碳、氧、氮、銀元素組成. 圖3b為Ag/ESM 材料的Ag 3d分譜圖，從圖中可以觀察到在368.2、374.2 eV處有兩個分峰，它們分別對應(yīng)于Ag 3d1/2和Ag 3d3/2，這表明該材料確為雞蛋膜負載的銀顆粒.

圖2 Ag/ESM的掃描電鏡圖和實物圖Fig.2 The SEM images and photo of Ag/ESM

圖3 Ag/ESM的XPS全譜圖和Ag 3d分譜圖Fig.3 The XPS full scan spectra and Ag 3d spectra of Ag/ESM

2.2 Ag/ESM制備條件的優(yōu)化

由圖4可知，隨著銀氨溶液濃度的增加，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值逐漸升高，顯色溶液的顏色也逐漸加深，說明銀氨溶液濃度越高，制備出的Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能越好.由圖5可知，隨著反應(yīng)時間的增加，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值呈先升高后降低的趨勢，顯色溶液的顏色則先變深后變淺，當反應(yīng)時間為3 h時，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值最大，顯色溶液的顏色最深，說明反應(yīng)時間為3 h時，制備出的Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能最佳，若反應(yīng)時間繼續(xù)增加，制備出的Ag/ESM 的尺寸雖然有所增加，但其催化分解過氧化氫的性能反而減弱. 由圖6可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值呈先升高后降低的趨勢，顯色溶液的顏色則先變深后變淺，且在50 ℃條件下制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值最大，顯色溶液的顏色最深，說明在50 ℃條件下制備出的Ag/ESM 催化分解過氧化氫的性能最佳，反應(yīng)溫度過高可能會使銀單質(zhì)被氧化為黑色的氧化銀，導(dǎo)致最終得到的Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能降低. 綜上可知，Ag/ESM的最佳制備條件為：銀氨溶液濃度13.5 mmol/L、反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時間3 h.

圖4 不同銀氨溶液濃度條件下制備的Ag/ESM催化TMB顯色的結(jié)果Fig.4 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different concentrations of Tollens

圖5 不同反應(yīng)時間條件下制備的Ag/ESM催化TMB顯色的結(jié)果Fig.5 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different reaction times

圖6 不同反應(yīng)溫度條件下制備的Ag/ESM催化TMB顯色的結(jié)果Fig.6 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different temperatures

2.3 不同材料對鹽酸四環(huán)素降解效果的研究

由圖7 可知，經(jīng)過3 h 降解后，H2O2處理組、ESM 處理組、Ag/ESM 處理組和Ag/ESM+H2O2處理組中鹽酸四環(huán)素（TCH）的降解率分別為10.90%、25.30%、40.12%、76.86%.由于H2O2具有強氧化性，因此H2O2處理組中有少量的TCH 被降解. 因為ESM 和Ag/ESM 具有吸附作用，所以ESM 處理組和Ag/ESM 處理組中也有一定量的TCH 被降解. 當Ag/ESM 與H2O2共存時，TCH 的降解率則大大提高，這是由于Ag/ESM 能夠催化H2O2分解產(chǎn)生大量的羥基自由基（·OH），羥基自由基的強氧化性則能夠?qū)崿F(xiàn)對TCH 的高效降解. 以上結(jié)果表明，Ag/ESM+H2O2對TCH降解效果最佳，即以Ag/ESM為活性材料，在H2O2的輔助下可實現(xiàn)對TCH的高效降解.

圖7 不同材料對鹽酸四環(huán)素的降解效果Fig.7 The comparison of degradation efficiencies of H2O2，ESM，Ag/ESM and Ag/ESM+H2O2 treatment

2.4 不同條件下Ag/ESM+H2O2對鹽酸四環(huán)素降解效果的研究

不同條件下Ag/ESM+H2O2對TCH 的降解效果如圖8 所示. 由圖8 a 可知，隨著Ag/ESM 用量的增加，TCH 的降解率也隨之增加. 由圖8b 可知，隨著過氧化氫濃度的增加，TCH 的降解率也隨之增加. 從圖8c可以看出，TCH 的初始質(zhì)量濃度不同時，TCH 的降解率差別不大，也就是說不同初始質(zhì)量濃度的TCH 對Ag/ESM+H2O2降解TCH的影響不大. 當Ag/ESM 用量為20片，過氧化氫濃度為0.1 mmol/L，TCH的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L時，TCH的降解率最高，為81.92%，這充分說明以Ag/ESM為活性材料，在過氧化氫的輔助下可以實現(xiàn)對鹽酸四環(huán)素的高效降解. 整個降解過程完成后，雞蛋膜作為固體模板很容易從溶液中被分離出來，因此在后續(xù)除去材料方面更加簡便.

圖8 不同條件下Ag/ESM+H2O2對鹽酸四環(huán)素的降解效果Fig.8 The degradation efficiencies of TCH by Ag/ESM+H2O2 in different concentrations

3 結(jié)論

1）通過類銀鏡反應(yīng)成功制備出了雞蛋膜負載的銀顆粒材料，該材料具有較好的催化分解過氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力.

2）根據(jù)高級氧化法的原理，結(jié)合生物模板易于操作的優(yōu)點和銀顆粒可催化分解過氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力，以Ag/ESM 為活性材料，在過氧化氫的輔助下實現(xiàn)了對鹽酸四環(huán)素的高效降解. 當Ag/ESM 用量為20片，過氧化氫濃度為0.1 mmol/L，TCH的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L時，TCH的降解率最高，為81.92%.

3）簡單的制備方法和便捷的分離操作使得雞蛋膜負載的銀顆粒成為一種較理想的降解鹽酸四環(huán)素的活性材料.