辣木籽蛋白對水中濁度的去除研究

李 翀，黃 鑫，宋盼輝，劉鵬飛，帖靖璽

(1．華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450045;2．華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450045)

混凝劑是現(xiàn)代水處理中應(yīng)用最為廣泛的藥劑之一，既可用于自來水生產(chǎn)以去除原水中的濁度和色度等感官指標(biāo)，也可用于含重金屬、染料、氟、油類［1－4］等廢水的處理．目前，使用廣泛的無機混凝劑主要有鐵鹽和鋁鹽混凝劑，有機高分子混凝劑主要有聚丙烯酰胺系列． 這些混凝劑在水處理中效果良好，但同時都存在不同程度的缺陷，如鋁鹽可能引起大腦損傷和鋁性貧血等疾病;鐵鹽則有較強腐蝕性，故對設(shè)備要求較高，且三價鐵離子可與水中腐殖質(zhì)等有機物形成水溶性污染物，使自來水產(chǎn)生顏色，影響自來水品質(zhì);聚丙烯酰胺的單體則存在生物毒性［5］．其他的天然高分子混凝劑，如淀粉類、半乳甘露聚糖類、纖維素衍生物類、微生物多糖類及動物骨膠類則由于電荷密度小，分子量低，易于生物分解等缺點，無法被大規(guī)模應(yīng)用．因此，尋找新型、安全、無毒、高效的混凝劑就顯得十分重要．

辣木是一種典型的熱帶多功能速生樹種，其葉、花、果、根和辣木油富含多種礦物質(zhì)、維生素;嫩葉尖、嫩豆莢及根作為蔬菜和食品有增進營養(yǎng)的功能［6］;壯齡辣木的葉、花、成熟果及根具有醫(yī)療保健功能［7］;辣木籽還具有優(yōu)良的凈水效果，其中所含的植物蛋白是一種天然的混凝劑，能夠有效去除水中的濁度，同時對水中的微生物以及重金屬等也有良好的去除效果［8－9］．

1 材料與方法

1．1 模擬濁度水

將60 g 高嶺土加入300 mL 自來水中，用高效快速濕式球磨機(KM －I 型，湘潭華豐儀器制造有限公司)球磨15 min 后，將研磨漿液用自來水定容至1 000 mL 備用． 正式試驗時，采用自來水將上述漿液稀釋至所需濁度． 采用0．1 mol/L 的NaOH 和HCl 溶液進行濁度水pH 值的調(diào)整．

1．2 辣木籽油渣中蛋白的提取

首先將辣木籽油渣(云南辣木生物科技有限公司提供)在40 ℃烘箱中烘干8 h．然后，采用家用粉碎機將辣木籽油渣粉碎后過80 目篩，然后與0．5 mol/L硫酸銨溶液按1∶100(W∶V)的比例混合，在40 ℃的磁力攪拌器(DF －I 型，常州博遠實驗分析儀器廠)中攪拌20 min 后，用0．45 μm 濾膜過濾．向濾液中緩慢加入粉末狀(NH4)2SO4(控制濾液中鹽的最終飽和度為80%)，同時進行磁力攪拌，加完后繼續(xù)攪拌10 min，混合液在4 000 rpm 離心機(800B 型，上海安亭科學(xué)儀器廠)中離心10 min，棄去上清液，沉淀用蒸餾水清洗3 次后加入截留分子量為3 500 D(Dalton 道爾頓)的透析袋，透析袋密封后放入盛有1 L 蒸餾水的大燒杯中，定期更換蒸餾水并從燒杯中取出水樣，向其中加入1%的BaCl2溶液，直至水樣中沒有白色沉淀時，停止透析． 將透析袋中的液體取出并定容至100 mL，采用考馬斯亮藍法測定最終的蛋白含量．具體流程如圖1 所示．

圖1 辣木籽油渣提取工藝流程圖

1．3 混凝試驗

將盛有500 mL 濁度水的燒杯置于混凝試驗攪拌器(ZR4 －6 型，深圳潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司)上，加入一定量的辣木籽蛋白提取液，開始混凝攪拌．設(shè)定混合攪拌3 min，速度200 r·min－1，混凝攪拌15 min，速度40 r·min－1． 攪拌結(jié)束后開始計時，在沉淀時間為30 ～180 min 時，從燒杯液面下2 cm處取樣，測定樣品濁度．改變初始濁度，辣木籽蛋白的投加量，pH 值和水溫，重復(fù)上述試驗，考察上述因素對濁度的去除效果． 以上所有試驗均做3 組平行，同時以不加任何絮凝劑的濁度水為對照．選擇其中一組，取試驗結(jié)束時水樣用0．45 μm 濾膜過濾后測定其CODMn和硝態(tài)氮濃度．

1．4 測試分析方法

辣木籽蛋白提取液中的蛋白濃度采用考馬斯亮藍法測定(UVmini－1240 型，島津企業(yè)管理(中國)有限公司);溶液濁度采用便攜式濁度儀(SGZ －B型，上海悅豐儀器儀表有限公司)測定;溶液的pH值采用臺式pH 計(PHS －3C 型，上海理達儀器廠)測定;水溫采用水銀溫度計測定;辣木油渣提取物的官能團采用傅里葉紅外光譜儀測定(Nicolet 5700，美國Thermo Nicolet 公司);水中的CODMn和硝態(tài)氮濃度按照國標(biāo)法檢測［10］．

2 結(jié)果與分析

2．1 提取物的紅外光譜分析

提取物的紅外光譜譜圖如圖2 所示． 其中，2 923 cm－1和2 851 cm－1為脂肪酸中CH2的對稱和非對稱振動;1 655 cm－1為 CO 的伸縮振動(酰胺I 帶);1 543 cm－1為CN 的伸縮振動和NH 的彎曲振動(酰胺II 帶)［11］．說明提取物中蛋白質(zhì)存在．采用考馬斯亮藍法測定的蛋白質(zhì)濃度為222 mg/L．

圖2 辣木籽油渣提取物紅外圖譜

2．2 沉淀時間的影響

沉淀時間對濁度去除效果的影響如圖3 所示．初始濁度為150 NTU，溫度為30 ℃，pH 值為8．

圖3 沉淀時間的對濁度去除效果的影響

由圖3 看出，濁度隨沉淀時間的延長而下降，兩個體系濁度的下降規(guī)律不同． 空白體系的濁度隨沉淀時間的延長均勻下降;投加了0．5，1．0 mL 的辣木蛋白提取液后，濁度則在沉淀的前30 min內(nèi)急劇下降，之后緩慢下降，1．0 mL 辣木籽蛋白投加量的去除效果最好．這是因為，辣木籽蛋白提取液中含有大量蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)的等電點(pH 值)為10 ～11［12］，在試驗設(shè)定的pH 值條件下，蛋白質(zhì)帶正電荷，能夠通過吸附－電性中和作用沉淀水中的高嶺土顆粒．試驗體系的剩余濁度在90 min 以后基本趨于穩(wěn)定，選取90 min 為最佳沉淀時間．

2．3 pH 值的影響

溶液初始pH 值對濁度去除的影響如圖4 所示．初始濁度為180 NTU，溫度為30 ℃，辣木籽蛋白提取液投加量為0．1 mL．由圖4 可知，在pH 值為7時辣木籽蛋白對濁度的去除效果最差，去除率為92．8%，pH 值為6 和8 時的去除率分別為96．0%和94．2%．鑒于試驗用水的pH 值接近于8，所以選取8 作為后續(xù)研究用水的pH 值．

圖4 pH 值對濁度去除的影響

2．4 溫度的影響

溶液溫度對濁度去除的影響如圖5 所示．采用初始濁度為180 NTU 的濁度水，在不同溫度下分別投加0．1 mL 辣木籽蛋白提取液．由圖5 可見，辣木籽蛋白對濁度的去除受溫度的影響不大． 溶液溫度在10，20，30 ℃時，去除率分別為94．6%，95．9%，93．8%．因此，在其他試驗條件情況不變的情況下，溫度對辣木籽蛋白提取液去除水中濁度的影響較?。?/p>

圖5 溫度對濁度去除的影響

2．5 投加量和初始濁度的影響

不同辣木籽蛋白投加量對不同濃度濁度水去除效果的影響如圖6 所示，溫度為30 ℃．

圖6 辣木籽蛋白用量和初始濁度對濁度去除的影響

對于低濁度(20，30 NTU)水，投加0．2 mL 辣木籽蛋白提取液，靜置90 min 后，濁度分別降至12．2 NTU和14．4 NTU，投加1．0 mL 時濁度分別降至11．6 NTU 和11．0 NTU． 隨辣木籽蛋白投加量的增加，濁度的去除率基本呈上升趨勢，30 NTU 的濁度水投加0．2 ～1．0 mL 蛋白，去除率從52．2%增加到63．4%，20 NTU的濁度水去除率從38．8%增加到47．2%．

對于中濁度(90，120，150 NTU)水，投加0．2 mL的辣木籽蛋白提取液，靜置90 min 后，對濁度的去除率分別為83．9%，87．1%，91．1%．隨著投加量的增加，去除率也相應(yīng)增加，投加0．2 ～1．0 mL 的辣木籽蛋白去除率增加幅度分別為5． 8%，3． 3%，1．9%．辣木籽蛋白提取液對中濁度水去除效果影響明顯大于低濁度水，但隨著蛋白投加量的增加，中濁度水去除率的增加幅度小于低濁度水，去除效果基本穩(wěn)定．

對于高濁度(180，240，280 NTU)水，分別投加0．2，0．4，0．6，0．8，1．0 mL 的辣木籽蛋白提取液，靜置90 min 后，180 NTU 試驗組濁度分別降為10．3，11．4，8．2，9．1，7．3 NTU，去除率分別為94．28%，93．67%，95．46%，94．93%，95．93%．隨著辣木籽蛋白投加量的增加，240，280 NTU 的試驗組濁度去除率分別從96．4%增加到96．9%和從95．6%增加到98．7%．辣木籽蛋白提取液對中高濁度水的去除效果高于低濁度水．

2．6 辣木籽蛋白提取液對處理水水質(zhì)的影響

作為混凝劑，在高效凈水的同時，應(yīng)盡可能減少對處理水質(zhì)的影響． 辣木籽蛋白提取液主要成分為有機物，如果處理水中有較多的殘留，則容易造成處理水變質(zhì)，并產(chǎn)生異味;同時辣木籽蛋白提取液中含有硝酸鹽［13］，高濃度的硝酸鹽會危害飲用者的健康．因此，選取高錳酸鹽指數(shù)和硝態(tài)氮作為衡量指標(biāo)，考察辣木籽蛋白投加進水體后對水質(zhì)的影響，其結(jié)果如圖7 所示，初始濁度為180 NTU，溫度為30 ℃．

圖7 辣木籽蛋白對水質(zhì)的影響

由圖7 可知，辣木籽蛋白提取液用量為0 mL 的對照體系經(jīng)過濾后CODMn的含量為5．21 mg/L;而投加0． 2 mL 的辣木籽蛋白提取液后，處理水中CODMn的濃度最低，為3． 60 mg/L，其余投加量下CODMn的濃度均為3．92 mg/L．可以看出，處理水中的CODMn均低于對照體系，說明辣木籽蛋白提取液在有效去除水中濁度的同時，并不會增加水中有機物的含量．

硝態(tài)氮的含量變化則隨辣木籽蛋白提取液投加量的增加變化趨勢并不大，基本處于穩(wěn)定值．空白對照組經(jīng)過濾后硝態(tài)氮的含量為3．06 mg/L;而投加0．2 ～1．0 mL 的辣木籽蛋白提取液后，硝態(tài)氮含量最低為2．99 mg/L，最高為3．32 mg/L，符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 5749—2006 中自來水廠出水指標(biāo)(硝酸鹽(以N 計，mg/L)小于10 mg/L)． 用辣木籽蛋白去除濁度對水質(zhì)的影響較?。?/p>

3 結(jié) 語

采用鹽溶+鹽析法制備的辣木籽蛋白提取液中蛋白含量為222 mg/L．以高嶺土模擬的濁度為目標(biāo)污染物，考察辣木籽蛋白對濁度的去除效果．結(jié)果表明:溫度和pH 值對上述提取液去除水中濁度的影響較小;辣木籽蛋白適合用來處理中、高濁度水，而對低濁度水去除效果不夠理想;辣木籽蛋白對處理的水質(zhì)影響較小，可能是由于其去除水中濁度的機理是吸附－電性中和作用的原因．

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