三乙烯四胺/丁二酸酐修飾啤酒廢酵母菌吸附日落黃的研究

目前,我國(guó)染料廢水污染十分嚴(yán)重,染料廢水的排放量已占工業(yè)廢水總量的10%,對(duì)環(huán)境構(gòu)成極大的威脅。常用的染料廢水去除方法有絮凝[1]、氧化或臭氧化[2,3]、膜分離[4]和活性炭吸附[5]等,均存在操作復(fù)雜、費(fèi)用較高等缺點(diǎn)[6]。生物吸附法是利用生物體或其衍生物吸附廢水中的染料，由于微生物對(duì)金屬離子的吸附具有速度快、選擇性高、吸附容量大等優(yōu)點(diǎn)[7],近年來關(guān)于新型生物吸附劑的開發(fā)、吸附工藝和機(jī)理等方面的研究日趨深入，其中尋找廉價(jià)易得、可再生的生物吸附材料已成為研究熱點(diǎn)。

利用發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)生的廢棄生物菌體作為吸附基質(zhì)，不僅可降低生物吸附劑的生產(chǎn)成本，而且可減少?gòu)U棄物處理帶來的困擾[8]。啤酒廢酵母菌是死體菌，表面含有氨基、羥基和少量羧基，與活體菌相同，適合于經(jīng)交聯(lián)、接枝制備生物吸附劑。

作者在此用戊二醛交聯(lián)啤酒廢酵母菌[9]，再接枝丁二酸酐，然后引入三乙烯四胺，制得了新的生物吸附劑，即修飾酵母菌，用紅外光譜對(duì)其進(jìn)行了表征。并以染料日落黃為吸附對(duì)象,研究了pH值、染料濃度、吸附時(shí)間等因素對(duì)修飾酵母菌和未修飾酵母菌吸附性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

啤酒廢酵母菌，湖北某啤酒廠。

丁二酸酐(化學(xué)純)、50%戊二醛、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、三乙烯四胺，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;日落黃，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；其它試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

CR22G型高速離心機(jī)，日本日立公司；721型分光光度計(jì)；SHZ-03型恒溫水浴搖床，上海堪鑫儀器設(shè)備有限公司；TGL-16G型臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；NEXUS 470型智能型傅立葉紅外光譜儀(FTIR)，美國(guó)珀金-埃爾默公司;UV23600 型紫外分光光度計(jì)，日本島津公司;PHS-3C型精密酸度計(jì)，上海虹益儀表有限公司。

1.2 三乙烯四胺/丁二酸酐修飾菌的制備

1.2.1 啤酒廢酵母菌的預(yù)處理

稱取15.0 g過篩100～120目的廢酵母菌于250 mL錐形瓶中，加150 mL水，35℃水浴振蕩30 min；取出靜置30 min，棄上層渾濁液,反復(fù)洗滌至上清液變清；然后加入100 mL無水乙醇洗滌,靜置，棄上清，再水洗2～3次,收集沉淀物用丙酮抽濾，置于50℃烘箱干燥，備用。

1.2.2 交聯(lián)菌的制備

將1.5 g已預(yù)處理的啤酒廢酵母菌加入到50 mL體積分?jǐn)?shù)為4%的戊二醛溶液中，于35℃搖床振蕩12 h后收集產(chǎn)物;用水反復(fù)洗滌去除菌體表面未反應(yīng)的戊二醛;置于50℃烘箱干燥，得黃色交聯(lián)菌。

1.2.3 丁二酸酐修飾菌(修飾菌Ⅰ)的制備[10,11]

將1.0 g交聯(lián)菌加入到溶有3.0 g丁二酸酐的50 mL DMF中,于80℃恒溫水浴中攪拌24 h后取出，用乙醚洗滌，置于50℃烘箱干燥,得修飾菌Ⅰ。

1.2.4 三乙烯四胺/丁二酸酐修飾菌(修飾菌Ⅱ)的制備

將1.0 g修飾菌Ⅰ加入到50 mL含體積分?jǐn)?shù)為10%的三乙烯四胺的DMF溶液中,于40℃恒溫水浴中振蕩12 h后取出，用乙醚洗滌，置于50℃烘箱干燥,得修飾菌Ⅱ。

1.3 接枝率計(jì)算

接枝率(mpg)按下式計(jì)算：

式中：mi、mf分別為反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量。

1.4 紅外光譜表征

將干燥的未修飾和修飾啤酒廢酵母菌分別用KBr粉末壓片，在400～4000 cm-1范圍內(nèi)FTIR掃描，研究修飾前后酵母菌表面官能團(tuán)的變化。

1.5 靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

吸附實(shí)驗(yàn)均在恒溫水浴搖床(溫度25℃，轉(zhuǎn)速140 r·min-1)中進(jìn)行。在50 mL錐形瓶中加入0.02 g 吸附劑和20.00 mL日落黃溶液,置于搖床中振蕩,定時(shí)取樣,3000 r·min-1離心后,用可見分光光度法測(cè)定上清液中剩余染料的濃度,求得吸附量(q)。

1.6 解吸與再生實(shí)驗(yàn)

將飽和吸附日落黃的修飾酵母菌置于20.00 mL 0.2 mol·L-1的NaOH溶液中,于140 r·min-1搖床振蕩2 h 后離心,所得固體用去離子水洗3次，用于下一輪的吸附。

1.7 南湖模擬染料廢水吸附實(shí)驗(yàn)

取南湖水抽濾，澄清后取上清液調(diào)節(jié)酸度，按1.5方法進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 接枝率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，丁二酸酐修飾1.0 g啤酒廢酵母菌得到1.21 g產(chǎn)物，其接枝率為21%,說明丁二酸酐被修飾到啤酒廢酵母菌壁表面；三乙烯四胺修飾1.0 g丁二酸酐修飾菌得到1.15 g產(chǎn)物，其接枝率為15%,說明三乙烯四胺已接枝到丁二酸酐修飾菌上。

2.2 修飾菌的紅外表征

圖1是修飾菌和交聯(lián)菌的紅外圖譜。

a.交聯(lián)菌 b.修飾菌Ⅰ c.修飾菌Ⅱ

由圖1可以看出，和交聯(lián)菌相比，修飾菌Ⅰ在1743 cm-1和1164 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，分別為酸酐C=O和C-O-C的振動(dòng)吸收峰;而修飾菌Ⅱ中這兩處峰消失了，出現(xiàn)了新的3303 cm-1處的酰胺吸收峰。證明在修飾過程中三乙烯四胺的氨基與修飾菌Ⅰ上的羧基發(fā)生了反應(yīng)，得到了修飾菌Ⅱ。

2.3 修飾條件的確定

在修飾菌Ⅰ的制備中,將1.0 g 交聯(lián)菌分別與0.5 g、1.0 g、2.0 g、3.0 g丁二酸酐反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著丁二酸酐用量的增加,修飾菌Ⅰ的接枝率和吸附量相應(yīng)增加。故選用3.0 g丁二酸酐接枝交聯(lián)菌。

在修飾菌Ⅱ的制備中，將1.0 g修飾菌Ⅰ分別與3.0 mL、4.0 mL、5.0 mL三乙烯四胺反應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著三乙烯四胺用量的增加，修飾菌Ⅱ的接枝率和吸附量相應(yīng)增加。故選用5.0 mL三乙烯四胺接枝修飾菌Ⅰ。

隧洞所在地貌單元為黃河Ⅳ級(jí)基座式階地，階地表面黃土覆蓋，黃土厚度約7～15 m，以粗粉粒為主，上部風(fēng)積，下部水成。黃土下伏沖洪積砂卵石層，為黃河古道。形成時(shí)代相當(dāng)于Q3期，砂卵石層與上覆黃土層組成二元結(jié)構(gòu)。下伏二疊系砂巖、頁巖、泥巖地層。

2.4 吸附反應(yīng)的影響因素

2.4.1 溶液的pH值

pH值在1.0～7.0 范圍內(nèi)對(duì)修飾菌Ⅱ吸附日落黃能力的影響見圖2。

吸附條件：25℃，8 h，日落黃的初始濃度為1.0 mg· mL-1

由圖2可以看出，隨著pH值的升高，修飾菌Ⅱ?qū)θ章潼S的吸附量逐漸減小。這是因?yàn)?，?dāng)pH值較低時(shí),H+濃度較高,修飾菌Ⅱ表面因氨基質(zhì)子化而帶正電荷,對(duì)陰離子染料有較強(qiáng)的靜電引力或氫鍵作用力,因此在酸性條件下,對(duì)日落黃的吸附量較高;當(dāng)pH值升高時(shí),修飾菌Ⅱ表面所帶正電荷數(shù)量減少,對(duì)日落黃的吸附量隨之降低。故選擇pH值為2.0時(shí)吸附日落黃。由圖2還可以看出，交聯(lián)菌在pH值低時(shí)對(duì)日落黃的吸附量較修飾菌Ⅱ低很多，這可能是交聯(lián)后菌體表面有殘留的氨基所致。

2.4.2 吸附時(shí)間

吸附時(shí)間對(duì)修飾菌Ⅱ吸附日落黃能力的影響見圖3。

吸附條件：25℃，pH值2.0，日落黃的初始濃度為1.0 mg·mL-1

由圖3可以看出,修飾菌Ⅱ在前5 min的吸附速度較快,0.5 h內(nèi)吸附達(dá)到平衡。這是因?yàn)?，在吸附初?修飾酵母菌表面有空余吸附位點(diǎn),吸附速度較快;隨吸附反應(yīng)的進(jìn)行,吸附位點(diǎn)逐漸減少,故吸附速度降低。

2.4.3 染料濃度(圖4)

吸附條件：25℃，8 h， pH值2.0

由圖4可以看出，隨染料濃度的增加,修飾菌Ⅱ?qū)θ章潼S的吸附量逐漸增加,最后趨于平衡。

2.5 吸附機(jī)理

用準(zhǔn)二級(jí)方程式[12]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所得動(dòng)力學(xué)參數(shù)列于表1。

表1 啤酒廢酵母菌吸附日落黃的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程模擬動(dòng)力學(xué)參數(shù)

由表1可知,三乙烯四胺接枝修飾菌Ⅰ后,吸附日落黃的速度和吸附量顯著提高，證實(shí)修飾菌Ⅱ的氨基增多，對(duì)陰離子染料的吸附能力明顯加強(qiáng)。擬合的線性相關(guān)系數(shù)說明,準(zhǔn)二級(jí)方程適合描述此吸附反應(yīng)。

分別用Langmuir[13]和Freundlich[14]吸附模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得模擬參數(shù)列于表2。

表2 啤酒廢酵母菌吸附日落黃的Langmuir和Freundlich等溫線模擬參數(shù)

由表2可知,修飾菌Ⅱ?qū)θ章潼S的吸附過程更符合Langmuir 吸附等溫式,故認(rèn)為固體吸附劑表面的吸附是以單分子層化學(xué)吸附為主。

2.6 解吸與再生

將飽和吸附日落黃的修飾菌Ⅱ用20.00 mL 0.2 mol·L-1NaOH溶液進(jìn)行解吸,然后再進(jìn)行吸附,反復(fù)3次,其吸附再生率為98%～87%。表明修飾菌Ⅱ有較好的再生能力,可重復(fù)使用。

2.7 南湖模擬染料廢水吸附效果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得修飾菌Ⅱ在pH值為2.0時(shí)對(duì)1.0 mg·mL-1南湖模擬染料廢水的吸附量為945 mg·g-1、染料的去除率為94.5%。由此可見,在模擬染料廢水介質(zhì)中吸附劑的吸附能力不受影響,而且性能穩(wěn)定，可重復(fù)使用。

3 結(jié)論

啤酒廢酵母菌經(jīng)戊二醛交聯(lián)、丁二酸酐接枝后,再經(jīng)三乙烯四胺修飾，得到吸附劑三乙烯四胺/丁二酸酐修飾酵母菌。該吸附劑對(duì)日落黃的吸附可在0.5 h內(nèi)快速趨于平衡，且不受溫度的影響。吸附過程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,吸附模式為L(zhǎng)angmuir 單分子層吸附。該吸附劑在pH值為2.0時(shí)對(duì)日落黃的最大吸附量達(dá)935 mg·g-1、吸附反應(yīng)初始速度為9.82×102mg·g-1·min-1，分別是交聯(lián)菌的3.74倍和8.47倍。三乙烯四胺/丁二酸酐修飾酵母菌制備簡(jiǎn)單、原料易得、吸附條件溫和，是一種性能良好的生物吸附劑，對(duì)水體中陰離子染料的去除率高、吸附量大，且能重復(fù)使用，應(yīng)用前景廣闊。

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