磁性固定化技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)展

方明　汪泠　徐偉

摘 要：磁性固化技術(shù)憑借自身的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)在環(huán)境工程利用中得到了廣泛地應(yīng)用，并且從其應(yīng)有效果來看，其具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。該文在介紹磁性固化技術(shù)種類的基礎(chǔ)上，對(duì)其在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，僅供參考。

關(guān)鍵詞：磁性固化 環(huán)境工程 廢氣處理

中圖分類號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（b）-0070-02

磁性固化技術(shù)通過物理或化學(xué)方法將酶或微生物定位于磁性固化載體，待固化反應(yīng)完后，通過外部磁場(chǎng)完成對(duì)其的分離處理，同時(shí)使酶或微生物能夠保持活性，并且可以進(jìn)行多次固化，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

1 磁性載體的固化分類

磁性納米球是磁性固化過程中的常用載體，對(duì)其進(jìn)行分類大體可以分為以下幾種。

（1）吸附法，利用物理吸附方法，將酶固定在瓊脂糖或多孔玻璃等載體上。該固定方法具有固定條件溫和、工藝簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其載體具有較為廣泛的選擇空間，既可以選擇人工合成的高分子材料，也可以選擇天然的高分子材料，在吸附過程中可以實(shí)現(xiàn)固定化和純化，失活的酶能夠再次活化，而應(yīng)用的載體也能夠?qū)崿F(xiàn)再生。

（2）共價(jià)法，支持物反映基團(tuán)和分子功能基形成共價(jià)鍵，粘合十分牢固，在應(yīng)用過程中具有較高的穩(wěn)定性，并且很少會(huì)發(fā)生酶脫落的情況。該方法在應(yīng)用過程中的主要缺點(diǎn)是固化和載體活化起來相對(duì)比較復(fù)雜，并且反應(yīng)發(fā)生所需要的環(huán)境也十分劇烈，因此要想獲取活力較好的固定化酶，必須要對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行嚴(yán)格地控制。

（3）包埋法，在聚合物材料的微囊或格子結(jié)構(gòu)中固定酶，通過這種方式有效地避免了酶蛋白釋放，而在實(shí)際操作中，在微囊或格子中仍然可以有底物落入與酶發(fā)生接觸。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是操作起來相對(duì)比較容易，只是將酶分子包埋起來，不會(huì)對(duì)生物活性造成較為嚴(yán)重地破壞，但是該方法并不是適用于分子較大的底物。

（4）交聯(lián)法，對(duì)試劑進(jìn)行應(yīng)用，完成蛋白酶之間交聯(lián)，從而使多功能試劑與酶分子之間形成共價(jià)鍵，最終形成三向交聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，酶分子不僅存在外交聯(lián)，而且也存在內(nèi)交聯(lián)。在實(shí)際操作過程中添加材料上的差異會(huì)使產(chǎn)生的固化酶具有不同的物理性質(zhì)。

2 環(huán)境工程對(duì)磁性固化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 環(huán)境檢測(cè)

免疫磁性分離技術(shù)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，近幾年其也被應(yīng)用到環(huán)境檢測(cè)中。通過對(duì)免疫磁分離技術(shù)的應(yīng)用可以從樣品中將目標(biāo)微生物分離，如果在檢驗(yàn)過程中與熒光免疫分析、多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等方法合理地結(jié)合在一起，可以提高檢測(cè)極限和分離效率。

在檢測(cè)廢水大腸桿菌的含量時(shí)，可以結(jié)合三磷酸腺苷為生活和免疫磁性分離技術(shù)相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，檢測(cè)的整個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間低于60 min，并且檢測(cè)結(jié)果具有較高的精準(zhǔn)度，因此是一種快速有效的檢測(cè)方法。部分學(xué)者在研究過程中在分離金屬離子過程中利用了一種表面被改性后的磁性納米微生物球，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在濃度為10 ng/ml，pH=4的溶液中，Cu、Co、Pb等離子能夠依照順序被提出，并且提取效率超過了90%，是一種不錯(cuò)的方法。

2.2 廢氣處理

磁性固定化技術(shù)因?yàn)榫哂蟹磻?yīng)速度塊、密度高、產(chǎn)物易分離、抗毒性較強(qiáng)等等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到廢氣治理領(lǐng)域中。宣群等研究人員利用海藻酸鈉進(jìn)行固化實(shí)驗(yàn)，在對(duì)氧化亞硫酸鐵的降解率超過了97%，得到不錯(cuò)的應(yīng)用效果。馬艷玲等研究人員利用海藻酸鈣制定固定微生物顆粒實(shí)現(xiàn)對(duì)硫化氫等廢氣的凈化，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硫化氫的排除率超過了90%，排除效果良好。此外，馬艷玲通過對(duì)活性炭的應(yīng)用，對(duì)假單胞菌進(jìn)行吸附降解油煙廢氣，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流速低于8 L/h，油煙濃度未超過100 mg/L，容積負(fù)荷處于2.5～19.0 g/m3·h，油煙的滯留時(shí)間超過30 s時(shí)，生活反應(yīng)器對(duì)講解油煙的效率超過了95%，降解效果十分明顯，對(duì)油煙的處理效果明顯，并且以活性炭為填充料的反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，這也確保了其應(yīng)用的合理性。

2.3 廢水處理

部分學(xué)者在嘗試在污水處理過程中將磁性技術(shù)與固化技術(shù)結(jié)合，將磁性物質(zhì)作為酶或微生物在固化過程中的載體，通過其具有的磁場(chǎng)和高效分離等特點(diǎn)對(duì)微生物和污水進(jìn)行處理，這彌補(bǔ)了傳統(tǒng)廢水處理中難以對(duì)微生物進(jìn)行處理，難以將水與微生物進(jìn)行分離的弊端，探索出一條處理廢水的新途徑。在對(duì)磁性納米球進(jìn)行一系列地處理后，可以使其攜帶功能基團(tuán)，這在一定程度上提高了載體對(duì)微生物的固載量。固定微生物附著在磁性載體上可以使其在廢水處理上的效率、速度得到提高，同時(shí)在污水處理過程中還具備磁處理所具有的優(yōu)勢(shì)，也就是在存在外磁場(chǎng)的情況下，具有較強(qiáng)的磁響應(yīng)，因此很容易從反應(yīng)體系中將載體分離出來，具有良好的處理效果。

部分學(xué)者在磁性微球上固定辣根過氧化物酶，在固定酶過程中，酶最大固載量可以達(dá)到3.35 mg/g，在反應(yīng)器中利用其對(duì)廢水（含有酚酞）進(jìn)行處理，在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)廢水的成分進(jìn)行處理，通過測(cè)量，游離酶的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km為224μmol/L，固定化酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax為371μmol/L；也有學(xué)者對(duì)磁活性污泥進(jìn)行應(yīng)用對(duì)奶廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理，主要處理廢水中的氨氮和有機(jī)物，相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，處理率分別可以達(dá)到98%和92%，并且隨著科技的發(fā)展，處理率還會(huì)進(jìn)一步提高，可見其是一種高效的處理方法；部分學(xué)者也針對(duì)功能化硅包覆介孔磁性載體固定細(xì)菌效果進(jìn)行了研究，主要針對(duì)pH值、處理時(shí)間、處理溫度等因素進(jìn)行分析，同時(shí)在研究過程中需要將結(jié)果與其他載體固菌效果對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在30 ℃環(huán)境中，搖床中的振動(dòng)速度為200r/min，對(duì)固菌進(jìn)行24 h培養(yǎng)效果最佳，在城市污水處理過程中對(duì)固菌后載體進(jìn)行應(yīng)用，處理24 h，主要處理過程中應(yīng)當(dāng)在pH=7，投加量為0.5 g的最佳情況下開展，在該環(huán)境下，去除COD的量能夠超過83%，利用pH=2的HCL溶液完成酸洗后的再生載體，將其應(yīng)用到城市污水處理中，處理效果仍然可以超過76%。

將磁性載體固化酶放入磁場(chǎng)穩(wěn)定流動(dòng)床反應(yīng)器中，可以簡(jiǎn)化整個(gè)體系在反應(yīng)過程中的操作環(huán)節(jié)，比較適合規(guī)模化生產(chǎn)。通過對(duì)外部磁場(chǎng)的應(yīng)用可以對(duì)磁性材料固定酶的運(yùn)動(dòng)方向和方式進(jìn)行適當(dāng)控制，通過該方式頂替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械攪拌的方式，可以使攪拌變得更加合理，使固定化酶的催化效率得到了進(jìn)一步提高。

部分學(xué)者利用納米磁粉磁化菌生物肥對(duì)屠宰場(chǎng)的廢水進(jìn)行處理，處理結(jié)果顯示，通過對(duì)該工藝的應(yīng)用，可以快速地分離磁性生物絮凝泥水混合液，在處理過程中僅需要15 min便可以完成沉淀，磁粉和磁場(chǎng)能夠促進(jìn)微生物的新陳代謝，提高了污泥活性以及處理廢水的效果，通過大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)，利用其對(duì)屠宰場(chǎng)的廢水處理，對(duì)SS、COD、NH3-N 3種化學(xué)物質(zhì)的去除效率分別可以達(dá)到92%、96%、87%，通過處理后的排除的水的水質(zhì)遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)，并且該工藝具有很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

磁性固化技術(shù)因?yàn)槠渥陨砭哂械奶攸c(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中，并且對(duì)其的應(yīng)用也已經(jīng)逐漸趨于成熟，但是對(duì)其環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段。因此，加強(qiáng)對(duì)磁性固化技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用的研究，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，并且要將研究結(jié)果由實(shí)驗(yàn)階段逐漸向應(yīng)用階段發(fā)展，進(jìn)一步改善我國(guó)的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘富軍，周作明.碳酸酐酶固定化技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].化學(xué)工程，2014（3）：11-17.

[2] 譚碧君.固定化酶制備及應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].上海畜牧獸醫(yī)通訊，2011（1）：12-15.

[3] 韓志萍，葉劍芝，羅榮瓊.固定化酶的方法及其在食品中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].保鮮與加工，2012（5）：48-53.