徐銀龍，鄭文杰，王琳，薛中飛，謝毅鑫

（1 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055； 2 陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710055）

引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及工業(yè)進(jìn)程的加快，重金屬污染物通過各種途徑進(jìn)入土壤和河水，導(dǎo)致大氣和水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步惡化[1]。重金屬污染是一個(gè)國際上環(huán)境工程領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，關(guān)乎人類健康和社會的可持續(xù)發(fā)展。礦山開采、印刷、電鍍、化工等行業(yè)產(chǎn)生的廢水中含有大量的銅離子(Cu2+)，在自然環(huán)境中極易發(fā)生擴(kuò)散和運(yùn)移[2]。銅(Cu)進(jìn)入人體內(nèi)會形成富集，導(dǎo)致人體生長發(fā)育異常、致癌、智力低下并引發(fā)一系列其他疾病[3-4]。

銅廢水的主要處理技術(shù)包括化學(xué)沉淀法、離子交換法、電化學(xué)法、吸附法、微生物法等，但化學(xué)沉淀法無法形成穩(wěn)定的沉淀從而產(chǎn)生大量的污泥并容易造成二次污染，離子交換法、電化學(xué)法、吸附法處理成本高昂，微生物法所使用的微生物對環(huán)境要求較高無法處理高濃度的銅廢水[5]。酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀(EICP)是一項(xiàng)主要用于土壤改良的新興的修復(fù)技術(shù)，鮮少用于銅廢水的處理。相較于上述處理技術(shù)，這一方法可形成穩(wěn)定的碳酸鹽沉淀結(jié)構(gòu)從而避免污泥的產(chǎn)生，適應(yīng)各種環(huán)境，操作簡單高效，因此備受同領(lǐng)域?qū)W者和從業(yè)人員關(guān)注[6-7]。

EICP 方法的實(shí)施原理即利用脲酶催化尿素水解為銨根離子(NH+4)和CO2-3[式(1)～式(3)]，進(jìn)而與鉛離子(Pb2+)、鋅離子(Zn2+)、鉻離子(Cr2+)、銅離子(Cu2+)等結(jié)合形成碳酸鹽沉淀從而防止重金屬離子擴(kuò)散運(yùn)移，最終達(dá)到處理、固化重金屬污染的目的[8-10]。Nam 等[11]應(yīng)用EICP 技術(shù)固化重金屬和類金屬，研究結(jié)果表明砷、錳、鋅、鉛、鉻和銅的濃度分別大幅降低了31.7%、65.8%、50.6%、51.6%、45.1%和49.7%。Moghal 等[12-13]發(fā)現(xiàn)EICP 能有效沉淀鎘、鎳和鉛的碳酸鹽，同時(shí)還引用乙烯二胺四乙酸(EDTA)和檸檬酸對固化后的重金屬進(jìn)行萃取，結(jié)果表明EICP技術(shù)可以有效降低重金屬的解吸水平。

雖然EICP 在重金屬固化方面有很好的應(yīng)用前景，但Wang 等[14]的研究表明在銅廢水濃度低于5 mmol/L 時(shí)EICP 方法才能發(fā)揮出較大作用，而就前人研究來看，實(shí)際的污染濃度早已超越這一范圍，因此在高濃度銅污染背景下的EICP 修復(fù)方法研究甚是缺乏。另外，高濃度的銅離子會顯著影響脲酶活性，進(jìn)一步降低銅廢水處理效果[15-17]。因此，需尋找一種材料和方法來保護(hù)脲酶免受銅離子毒性作用影響。

殼聚糖是以蝦蟹外殼中的甲殼素為原料，經(jīng)脫乙?；玫降木€性聚陽離子生物聚合物[18-21]。因其優(yōu)異的吸附性、生物相容性和生物降解性而被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)的吸附與酶的固化[22-24]。以往的研究表明，殼聚糖多與微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀(MICP)技術(shù)聯(lián)用改善生物礦化的結(jié)構(gòu)[25]，卻鮮少用于重金屬污染的固化。殼聚糖作為一種大分子物質(zhì)(分子量在5000 以上)，Hamdan 等[26-27]進(jìn)行試驗(yàn)表明生物大分子膠體的加入會使碳酸鹽晶體之間的相互作用更緊密，并且可以延長EICP 反應(yīng)時(shí)間，提高沉淀效率使得沉淀結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。因此，基于以上研究現(xiàn)狀，本研究的主要目的是：(1)研究在酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀處理銅廢水中，脲酶活性對處理效率的影響；(2)探求鈣源添加對沉淀形態(tài)和處理效率的影響；(3)揭示殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽方法處理銅廢水的強(qiáng)化和劣化機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試劑與主要儀器

1.1.1 化學(xué)試劑 本試驗(yàn)所用試劑均為分析純：尿 素[CO(NH2)2]；氫 氧 化 鈉(NaOH)；鈣 源[CaCl2；Ca(CH3COO)2]；冰 醋 酸(CH3COOH)；無 水 乙 醇(C2H5OH)；硝酸銅[Cu(NO3)2]；殼聚糖(chitosan,脫乙酰度≥95%)；去離子水；干燥刀豆。

1.1.2 試驗(yàn)儀器 粉碎機(jī)；電子天平；磁力攪拌器；冰柜；烘干機(jī)；pH 計(jì)(HANNA HI2003)；電導(dǎo)率儀(HANNA HI2314)；臺式高速離心機(jī)(常州市金壇勒普儀器TG16G)；分光光度計(jì)(上海儀電分析儀器721G)；原子吸收分光光度計(jì)(北京普析通用儀器TAS-990SVPERF)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 脲酶制備與活性測量 本研究所用脲酶提取步驟為：①將刀豆置于粉碎機(jī)中粉碎，過篩備用，儲存時(shí)應(yīng)注意低溫、密封；②取豆粉溶于乙醇溶液中，置于磁力攪拌器上攪拌10～20 min 至均勻；③將豆粉溶液放入離心機(jī)離心30 min；④取離心管上清液，于冷柜中靜置4 h；⑤將靜置后的溶液再次離心1 h；⑥離心完成后分離上清液，沉淀即為所用脲酶。

電導(dǎo)率法測量脲酶活性：室溫下，將1 mol/L 尿素溶液30 ml和0.09 g 脲酶混合，使用電導(dǎo)率儀每隔5 min 測定混合溶液的電導(dǎo)率變化，連續(xù)測定3 次，取均值；根據(jù)Whiffin[28]提出的電導(dǎo)率法進(jìn)行脲酶活性測量，即1 mS/(cm·min)的電導(dǎo)率變化對應(yīng)11.1 mmol/(L·min)的尿素水解量，再乘以稀釋倍數(shù)，計(jì)算脲酶每分鐘水解尿素量，為刀豆脲酶活性的量化指標(biāo)。脲酶活性(每克)=電導(dǎo)率(每分鐘)×11.1×稀釋倍數(shù)/脲酶濃度，得到尿素水解量為1.47 mmol/(g·min)。

1.2.2 殼聚糖膠體制備 將一定質(zhì)量的殼聚糖加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的醋酸溶液中，置于磁力攪拌器上攪拌至無肉眼可見顆粒，再加入NaOH 調(diào)節(jié)pH 至弱酸性即配制完成[29]。本試驗(yàn)所使用的殼聚糖濃度為4 g/L和2 g/L。

1.2.3 銅廢水處理過程 將脲酶溶于去離子水中得脲酶溶液，將脲酶溶液與殼聚糖膠體混合攪拌均勻，再加入尿素溶液攪拌均勻即為本試驗(yàn)所用的修復(fù)液，將上述修復(fù)液加入至不同濃度的硝酸銅和鈣源混合的污染液中，反應(yīng)過后進(jìn)行剩余銅離子濃度、銨根離子濃度、pH測量。剩余銅離子濃度通過原子吸收分光光度計(jì)測量，銨根離子濃度通過納氏試劑法測量，pH通過pH計(jì)測量。本試驗(yàn)方案如表1所示。根據(jù)式(4)計(jì)算銅廢水處理效率：

表1 試管試驗(yàn)方案Table 1 Testing scheme applied to the present work

式中，CI為銅離子初始濃度，mmol/L；CR為處理后銅離子剩余濃度,mmol/L。

1.2.4 軟件模擬 為了評估脲酶活性和鈣源對銅廢水處理效率的影響，使用Visual MINTEQ 3.1 軟件進(jìn)行模擬。脲酶催化尿素水解這一生物過程通過添加尿素水解產(chǎn)物，即銨根離子和碳酸根離子來體現(xiàn)，該軟件可通過添加由試管試驗(yàn)中所測得的銨根離子和碳酸根離子來重現(xiàn)化學(xué)平衡反應(yīng)的產(chǎn)物。數(shù)值模擬輸入?yún)?shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬輸入?yún)?shù)Table 2 Simulation scheme applied to the present work

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 脲酶活性對銅廢水處理的影響

由式(1)～式(3)可知，氫氧根離子和銨根離子作為脲酶催化尿素水解的產(chǎn)物，可以通過測量銨根離子濃度和pH 來反映脲酶活性和尿素水解程度，即銨根離子濃度和pH 越高，脲酶活性越高尿素水解程度越高。結(jié)果表明在未添加殼聚糖的試樣中均未檢測出NH4+，說明此時(shí)脲酶處于失活狀態(tài)，無法在EICP過程中實(shí)現(xiàn)尿素水解，故后續(xù)剩余銅離子濃度、處理效率沒有再進(jìn)行測量和計(jì)算。脲酶失活的本質(zhì)是銅離子結(jié)合脲酶上的巰基(—SH)，從而改變其結(jié)構(gòu)使其失活[28]。

基于前述量測結(jié)果，本研究擬添加不同濃度殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)開展后續(xù)試驗(yàn)，結(jié)果如圖1 所示。在添加殼聚糖的試樣中，銨根離子濃度最高達(dá)330 mmol/L，并隨著殼聚糖濃度增加而增加，隨著銅離子濃度增加呈降低趨勢[圖1(a)]。另一方面，添加殼聚糖的試樣中，pH 的測量結(jié)果最高達(dá)9 以上，并且pH 隨殼聚糖濃度的增加而增加，同時(shí)隨銅離子濃度增加而降低[圖1(b)]。此結(jié)果說明殼聚糖能穩(wěn)固脲酶活性進(jìn)而保證尿素水解。根據(jù)剩余銅離子濃度和式(4)計(jì)算處理效率。如圖2所示，處理效率分布在18%～94%范圍，在尿素水解程度較高即銨根離子濃度較高(4 g/L 殼聚糖)和初始銅離子濃度較低(5 mmol/L 和10 mmol/L)的情況下，處理效率卻更低。在以往的研究中顯示，脲酶的活性越高，重金屬處理效率會越高[6]。然而本研究結(jié)果顯示脲酶活性與銅處理效率不成正比關(guān)系。

圖1 考慮添加殼聚糖銨根離子濃度和pH隨銅離子濃度的變化Fig.1 NH4+concentration and pH versus Cu2+concentration using the chitosan-assisted EICP method

圖2 考慮添加殼聚糖處理效率隨銅離子濃度變化Fig.2 Treatment efficiency versus Cu2+concentration using the chitosan-assisted EICP method

進(jìn)一步地，由數(shù)值模擬分析討論殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀的相關(guān)產(chǎn)物，探究影響銅處理效率的因素。數(shù)值模擬通過實(shí)際測量得出的銨根離子和碳酸根離子濃度作為輸入?yún)?shù)(圖1)，考慮不同殼聚糖濃度下重現(xiàn)試管試驗(yàn)EICP 過程。由圖3 可知，銅的相關(guān)產(chǎn)物主要為孔雀石[Cu2(OH)2CO3]、藍(lán)銅礦[Cu3(OH)2(CO3)2]和銅氨絡(luò)合物[[Cu(NH3)n]2+，n=1～4][式(5)～式(7)]。

孔雀石和藍(lán)銅礦以沉淀形式存在，形態(tài)穩(wěn)定且不易分解，而銅氨絡(luò)合物以離子形態(tài)存在，易擴(kuò)散遷移，從而劣化處理效果[30]。由圖3(a)得，銅離子濃度為30 mmol/L時(shí)，銅相關(guān)的產(chǎn)物只有Cu3(OH)2(CO3)2，濃度接近于10 mmol/L，即沉淀了30 mmol/L 的Cu2+，此時(shí)處理效率接近100%(圖2)。銅離子濃度為5 mmol/L 時(shí)，銅產(chǎn)物為[Cu(NH3)n]2+，濃度接近于4 mmol/L，由式(4)計(jì)算處理效率低至20%(圖2)。由圖3(b)得，銅離子濃度為50 mmol/L 時(shí)，生成銅的沉淀只有Cu2(OH)2CO3，濃度接近于25 mmol/L，即沉淀了50 mmol/L的Cu2+，此時(shí)處理效率約為100%(圖2)。以上數(shù)值模擬得出的結(jié)果與試管試驗(yàn)量測結(jié)果一致。由圖2 可得，銨根離子濃度越高處理效率反而越低的原因在于形成銅氨絡(luò)合物，造成游離銅的濃度較高從而劣化處理效率。銅氨絡(luò)合物的形成與氨的濃度緊密相關(guān)，本研究中氨主要來源于尿素水解，而尿素水解程度與脲酶活性密切相關(guān)。圖1、圖2的結(jié)果也證明殼聚糖濃度越高，脲酶活性越高，使得尿素水解程度較高，令溶液中的銨根離子和pH 較高，提供銅氨絡(luò)合物形成的優(yōu)良條件?；谝陨嫌懻?，本研究通過精細(xì)化數(shù)值模擬探究尿素水解程度以及銅氨絡(luò)合物的形成條件，以有效提高處理效率。

圖3 考慮添加殼聚糖碳酸鹽沉淀隨銅離子濃度的形態(tài)分布Fig.3 Speciation of carbonate precipitation versus Cu2+concentration using the chitosan-assisted EICP method

2.2 不同尿素水解程度下沉淀形態(tài)分析

2.2.1 未添加鈣源 從圖1(a)可知，殼聚糖能夠顯著提高脲酶活性，使銨根離子濃度高達(dá)330 mmol/L。為研究不同尿素水解程度對沉淀形態(tài)和處理效率的影響，數(shù)值模擬中引入銨根離子濃度范圍為100～700 mmol/L，對應(yīng)的碳酸根離子濃度范圍為50～350 mmol/L。未添加鈣源時(shí)不同尿素水解程度下沉淀形態(tài)如圖4所示，主要沉淀形態(tài)包含藍(lán)銅礦、孔雀石和黑銅礦，其余均以銅氨絡(luò)合物和銅離子等離子形式存在。由分析結(jié)果可知銅濃度低于20 mmol/L，銨根離子濃度在300 mmol/L 以上時(shí)，形成了大量的銅氨絡(luò)合物，相應(yīng)的處理效率接近于0，此時(shí)溶液pH在9以上(圖4)。銅離子濃度高于50 mmol/L，銨根離子濃度在200～300 mmol/L 范圍時(shí)，處理效率接近100%，此時(shí)銅主要以前述三種沉淀形式存在。由試管試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果得，銨根離子濃度隨銅濃度增加而減少，當(dāng)銅離子濃度較低時(shí)銨根離子濃度越高且pH越高[圖1(b)和圖4(c)]，這種情況下形成了大量銅氨絡(luò)合物(圖3)，說明堿性環(huán)境是銅氨絡(luò)合物形成的優(yōu)良條件，Duarte-Nass 等[31]研究也發(fā)現(xiàn)pH在9以上時(shí)，銅離子偏向與氨絡(luò)合生成銅氨絡(luò)合物，而不是與碳酸根結(jié)合生成藍(lán)銅礦和孔雀石。綜合以上分析可知，高活性脲酶會產(chǎn)生一個(gè)偏堿性的多氨環(huán)境，并且使得溶液pH 超過9 時(shí)生成銅氨絡(luò)合物。由此發(fā)現(xiàn)可知，若能研發(fā)調(diào)控pH 的方法則可避免銅氨絡(luò)合物的形成，從而提高處理效率。

圖4 處理效率和pH與銨根離子濃度之間關(guān)系(未添加鈣源)Fig.4 Treatment efficiency and pH versus NH4+concentration(without calcium source addition)

尿素水解產(chǎn)生銨根離子和碳酸根，一部分碳酸根與銅離子結(jié)合生成碳酸鹽沉淀，剩余碳酸根大量水解，產(chǎn)生OH-造成pH 升高[式(8)～式(9)]，因此阻止碳酸根水解即可對pH 進(jìn)行調(diào)控。基于此猜想，本研究通過添加鈣源，使鈣離子與碳酸根結(jié)合進(jìn)而阻止其水解，為了驗(yàn)證此分析，本研究開展添加鈣源的數(shù)值模擬，相關(guān)的結(jié)果將在2.2.2 節(jié)進(jìn)行分析討論。

2.2.2 添加鈣源 圖5為氯化鈣作為鈣源時(shí)，不同尿素水解程度下的沉淀形態(tài)分析，其主要包含氯銅礦[Cu2(OH)3Cl]、藍(lán)銅礦和孔雀石三種形態(tài)，并且銨根離子在200～500 mmol/L 范圍時(shí)，各濃度的銅廢水處理效率接近100%[圖5(b)]，此時(shí)沉淀主要以藍(lán)銅礦和孔雀石的形態(tài)存在[圖5(a)]，這種形態(tài)的沉淀較為穩(wěn)定，不易分解生成其他物質(zhì)，是銅最佳的沉淀形態(tài)。另外，此時(shí)pH 基本在5～7 之間[圖5(c)]，遠(yuǎn)小于易形成銅氨絡(luò)合物的范圍。銅離子和銨根離子濃度為100 mmol/L 時(shí)，沉淀以氯銅礦的形態(tài)存在，這是因?yàn)檫@種條件下pH 過低[圖5(c)]，尿素水解產(chǎn)生的50 mmol/L 碳酸根離子不足以使所有的銅離子沉淀，只能沉淀66 mmol/L 的銅離子，并由式(4)測算處理效率約為66%[圖5(b)]。從圖5(c)可以看出此時(shí)的pH 接近4，既有的研究表明過酸的環(huán)境不利于孔雀石和藍(lán)銅礦形成沉淀[31]，故銅的沉淀形式只有氯銅礦一種，未沉淀的銅以銅離子的形式存在。此外，在銅離子濃度5 mmol/L、銨根離子600 和700 mmol/L，以及銅離子濃度10 mmol/L、銨根離子700 mmol/L 時(shí)，處理效率測算為0[圖5(a)、(b)] ，即無碳酸鹽沉淀形成，銅主要以銅氨絡(luò)合物的形式存在溶液中，此時(shí)pH 處于8～9 之間[圖5(c)]。添加鈣源的數(shù)值模擬結(jié)果表明，其不僅可以改變碳酸鹽沉淀形態(tài)，還可對pH進(jìn)行調(diào)控，少部分處理效率的劣化主要是因?yàn)槟蛩厮獬潭炔蛔?銨根離子濃度為100 mmol/L)而導(dǎo)致，但水解程度過高(銨根離子濃度為600 和700 mmol/L)提高了溶液pH亦會劣化處理效率。

圖5 處理效率和pH與銨根離子濃度之間關(guān)系(鈣源為氯化鈣)Fig.5 Treatment efficiency and pH versus NH4+concentration(with CaCl2 addition)

圖6 為醋酸鈣作為鈣源時(shí)，不同尿素水解下的銅沉淀形態(tài)分析，主要包含藍(lán)銅礦和孔雀石兩種形態(tài)[圖6(a)]，并未出現(xiàn)未添加鈣源時(shí)出現(xiàn)的黑銅礦沉淀[圖4(a)]，對比藍(lán)銅礦和孔雀石，黑銅礦穩(wěn)定性較差且易與其他化合物反應(yīng)[31]。由圖6(b)，銨根離子在200～500 mmol/L范圍，處理效率高達(dá)90%～100%，此時(shí)pH 介于5～8 之間[圖6(c)]。銅離子和銨根離子濃度為100 mmol/L 時(shí)，溶液pH 較低，尿素水解產(chǎn)生的50 mmol/L 碳酸根不足，只能沉淀76 mmol/L 的銅離子，由式(4)測算處理效率約為76%[圖6(b)]。此時(shí)pH 在5 以上，不利于銅氨絡(luò)合物形成。當(dāng)銅離子濃度為5 mmol/L、銨根離子600 和700 mmol/L，以及銅離子濃度10 mmol/L、銨根離子700 mmol/L 時(shí)，處理效率測算為0[圖6(a)、(b)]，處理效率劣化的原因與pH接近9時(shí)銅氨絡(luò)合物的形成緊密相關(guān)[圖6(c)]。

圖6 處理效率和pH與銨根離子濃度之間關(guān)系(鈣源為醋酸鈣)Fig.6 Treatment efficiency and pH versus NH4+concentration(with Ca(CH3COO)2 addition)

2.3 鈣源對處理效率的影響

由數(shù)值模擬結(jié)果得知添加鈣源能有效調(diào)控pH，避免銅氨絡(luò)合物的形成，且模擬結(jié)果與試管試驗(yàn)有較好的一致性。圖7為考慮添加鈣源時(shí)不同殼聚糖濃度下銨根離子和pH 隨銅離子濃度的變化，銨根離子濃度隨殼聚糖濃度增加而增加，且隨銅離子濃度增加而減小[圖7(a)、(b)]。另外，醋酸鈣作為鈣源時(shí)，對比氯化鈣為鈣源時(shí)銨根離子濃度和pH 較低，原因是醋酸根水解產(chǎn)生的醋酸是有機(jī)酸，會破壞殼聚糖大分子的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，降低殼聚糖對脲酶的保護(hù)作用，劣化脲酶活性[32]。當(dāng)殼聚糖濃度為2 g/L 時(shí)，醋酸根水解產(chǎn)生的氫氧根會提高pH，因此圖7(c)中醋酸鈣作為鈣源時(shí)pH 高于氯化鈣作為鈣源時(shí)pH。當(dāng)殼聚糖濃度為4 g/L時(shí)，由于兩種鈣源的銨根離子濃度差距較大，即尿素水解程度差距較大，從而弱化醋酸根水解的影響，導(dǎo)致圖7(d)中當(dāng)醋酸鈣作為鈣源時(shí)pH低于氯化鈣作為鈣源時(shí)pH。

圖7 考慮添加鈣源時(shí)殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀方法銨根離子濃度和pH隨銅離子濃度變化Fig.7 NH+4 and pH versus Cu2+concentration using the chitosan-assisted EICP method(with calcium source addition)

圖8為添加鈣源時(shí)不同濃度殼聚糖下的處理效率隨銅離子濃度變化規(guī)律，較未添加鈣源時(shí)處理效率顯著上升。當(dāng)殼聚糖濃度為2 g/L時(shí)，氯化鈣作為鈣源可使處理效率穩(wěn)定提高至80%以上，當(dāng)殼聚糖濃度為4 g/L 時(shí)，銅離子濃度為5 和10 mmol/L 時(shí)，處理效率顯著下降，原因?yàn)樗獬潭冗^高顯著提升了溶液pH，導(dǎo)致銅氨絡(luò)合物的形成。此外，對比兩種鈣源，醋酸鈣作為鈣源時(shí)的處理效率較低，普遍在80%以下。值得一提的是當(dāng)殼聚糖濃度為4 g/L 時(shí)，盡管醋酸鈣作為鈣源時(shí)的pH 更低，但其處理效率也較低，主要與殼聚糖絮凝作用有關(guān)，將在2.4 節(jié)深入討論。

圖8 考慮添加鈣源殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀方法處理效率隨銅離子濃度變化Fig.8 Treatment efficiency versus Cu2+concentration using the chitosan-assisted EICP method(with calcium source addition)

2.4 殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀對處理效率的強(qiáng)化機(jī)理

試管試驗(yàn)和數(shù)值模擬已表明處理效率的劣化現(xiàn)象，原因可歸結(jié)為：(1)水解程度不足無法沉淀所有銅離子；(2)較高的水解程度產(chǎn)生較多的氫氧根，導(dǎo)致溶液pH 升高從而形成銅氨絡(luò)合物。本節(jié)將深入討論殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀方法處理銅廢水的強(qiáng)化機(jī)理，如圖9 所示，其包含如下幾個(gè)作用。

圖9 殼聚糖聯(lián)合酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀處理銅廢水強(qiáng)化機(jī)理示意圖Fig.9 Enhancement mechanism of the chitosan-assisted EICP method for copper wastewater treatment

(1)殼聚糖為脲酶提供成核位點(diǎn)：由于殼聚糖分子中含有大量的氨基(—NH2)和羥基(—OH)，可以與蛋白質(zhì)分子中的羧基(—COOH)等活性基團(tuán)產(chǎn)生靜電作用，所以殼聚糖與蛋白質(zhì)之間有很好的親和性，可有效地吸附水中蛋白質(zhì)分子[33-34]。因此，這種靜電作用使脲酶與殼聚糖膠體牢牢地結(jié)合在一起，避免其游離在溶液中因其他因素而失活，增強(qiáng)了脲酶的穩(wěn)定性。

(2)殼聚糖膠體的絮凝與吸附作用：將殼聚糖和脲酶、尿素的混合溶液加入銅和鈣源的混合溶液后，殼聚糖膠體會產(chǎn)生絮凝作用，將銅離子和脲酶隔絕開，此時(shí)修復(fù)液呈凝膠狀，殼聚糖膠體會抑制銅離子的擴(kuò)散并保護(hù)脲酶免受其抑制作用，為脲酶催化尿素水解提供足夠的時(shí)間，并且殼聚糖濃度越高這種絮凝作用就越強(qiáng)，進(jìn)而尿素水解程度越高。這種絮凝作用的產(chǎn)生，是因?yàn)闅ぞ厶鞘且环N陽離子多糖，在酸性溶液中帶正電荷，在接觸到含有銅和鈣源的混合溶液后，溶液中的反離子(即與帶電粒子表面電荷相反的離子)會影響分散系的穩(wěn)定性，粒子雙電層的擴(kuò)散層被壓縮，粒子間排斥位能降低而導(dǎo)致的[35-37]。因此在本文2.1 節(jié)中添加殼聚糖后脲酶活性顯著提高，為殼聚糖的絮凝作用將脲酶與銅離子隔離開提供了強(qiáng)而有力的證明。

(3)沉淀的形成：殼聚糖是一種線性聚陽離子聚合物，會吸附陽離子，即銅離子、鈣離子和尿素水解產(chǎn)生的銨根離子。未添加鈣源時(shí)，由于pH 范圍和銨根離子的緣故，銅離子會傾向于產(chǎn)生銅氨絡(luò)合物。添加鈣源后，鈣離子濃度為250 mmol/L，銅離子濃度最高為50 mmol/L，由于鈣離子濃度遠(yuǎn)高于銅離子濃度，因此殼聚糖吸引鈣離子的量會高于銅離子的量，并且由于碳酸鈣(Ksp=10-8.54)和堿式碳酸銅(孔雀石和藍(lán)銅礦)(Ksp=10-9.86)的平衡常數(shù)相近，所以鈣離子會和碳酸根離子優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)碳酸鈣沉淀，并在殼聚糖表面形成一層“碳酸鈣殼”，進(jìn)一步地保護(hù)脲酶免受銅離子抑制作用，極大提高脲酶活性。因此，在本文2.3 節(jié)中添加鈣源后的銨根離子濃度會顯著提高。另一方面，碳酸鈣的形成會阻止碳酸根水解，pH 得以控制在9 以內(nèi)，有效避免銅氨絡(luò)合物的生成。再者，受殼聚糖吸引的銅離子和尿素水解釋放的碳酸根離子會在殼聚糖絮凝處與碳酸鈣形成共沉淀，從而提高重金屬沉淀的穩(wěn)定性。

(4)醋酸鈣作為鈣源處理效率降低：醋酸鈣作為鈣源，殼聚糖濃度為2 g/L 時(shí)，修復(fù)過程中醋酸根的水解會提高pH，如圖7(c)，較高的pH 會促進(jìn)銅氨絡(luò)合物的產(chǎn)生，因此醋酸鈣作為鈣源時(shí)的處理效率均小于氯化鈣作為鈣源。對于殼聚糖濃度為4 g/L 的情況下，雖然醋酸鈣作為鈣源時(shí)pH 較低，但由于殼聚糖的絮凝作用更強(qiáng)，抑制了醋酸鈣的影響。因此，無論殼聚糖濃度高低，醋酸鈣作為鈣源時(shí)進(jìn)行銅廢水處理的效果都不如氯化鈣。

3 結(jié) 論

(1)銅離子對脲酶的抑制作用十分明顯，未添加殼聚糖時(shí)，脲酶處于失活狀態(tài)，而添加殼聚糖后，脲酶有較高活性，可使得銨根離子濃度最高達(dá)到330 mmol/L。但脲酶活性與處理效率不成正比關(guān)系，較高的脲酶活性會促使尿素水解產(chǎn)生較高的銨根離子，提高溶液pH，促使銅氨絡(luò)合物產(chǎn)生，進(jìn)而降低處理效率。而較低的脲酶活性又無法滿足銅離子的完全沉淀，故較高和較低的脲酶活性都會劣化銅廢水處理。

(2) 未添加鈣源時(shí)，尿素水解使得pH 達(dá)到9 以上會大量生成銅氨絡(luò)合物，添加鈣源后會抑制pH的升高及銅氨絡(luò)合物的產(chǎn)生，顯著提高處理效率。銨根離子濃度在200～500 mmol/L 之間，pH 在5～8 之間利于產(chǎn)生孔雀石和藍(lán)銅礦這類理想的銅沉淀。相比于氯化鈣，殼聚糖的這種強(qiáng)絮凝作用使得醋酸鈣不合適作為鈣源進(jìn)行銅廢水的處理，因此氯化鈣是強(qiáng)化銅廢水處理的較好鈣源。

(3)殼聚糖和脲酶之間的靜電作用使得脲酶吸附于殼聚糖之上，加入銅溶液后，殼聚糖的絮凝作用使脲酶和銅離子隔絕開，脲酶有活性催化尿素水解。殼聚糖作為一種線性聚陽離子聚合物，會吸引陽離子，未添加鈣源時(shí)，pH 的不斷升高會為銅氨絡(luò)合物的形成提供良好的環(huán)境從而劣化處理效率。添加鈣源后，會在殼聚糖表面產(chǎn)生“碳酸鈣殼”，進(jìn)一步阻止銅離子的擴(kuò)散，另外添加鈣源能夠有效降低pH阻止銅氨絡(luò)合物生成，有效提高處理效率。