漆酶水解對制漿造紙中段廢水污泥親油性的影響

韓　卿， 錢威威, 劉　睿， 李　斯， 彭新文

(1.陜西科技大學 輕工與能源學院 陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安　710021； 2.華南理工大學 制漿造紙工程國家重點實驗室， 廣東 廣州　510641)

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漆酶水解對制漿造紙中段廢水污泥親油性的影響

韓卿1,2， 錢威威1,2, 劉睿1,2， 李斯1， 彭新文2

(1.陜西科技大學 輕工與能源學院 陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安710021； 2.華南理工大學 制漿造紙工程國家重點實驗室， 廣東 廣州510641)

摘要：對制漿造紙中段廢水污泥的基礎組分進行了分析.結果表明,該污泥含水率為78.11%，pH為5.43，有機物含量為46.74%，其中木質(zhì)素含量為6.75%，粗纖維含量為27.34%.采用漆酶水解污泥后,其質(zhì)量基本不變，而親油性則得以明顯提高.通過正交試驗和單因素實驗法探討了漆酶預水解處理污泥的工藝條件，得出了適宜的反應時間、反應溫度、酶用量和污泥濃度分別為4 h、55 ℃、30 U·g-1和130 g·L-1，此時沉降時間為180 min.對水解后污泥產(chǎn)物的紅外光譜分析表明，在漆酶水解過程中，酶促反應使其大分子結構上的親水基團，如酚羥基峰消失，從而提高了污泥的親油特性.

關鍵詞：造紙污泥； 漆酶； 親油性； 水解處理

0引言

造紙污泥是制漿造紙過程中產(chǎn)生的終端固體廢棄物，每生產(chǎn)1 t紙，就會產(chǎn)生含水率65%的污泥約700 kg[1].中段水處理工程產(chǎn)生的污泥量是同等規(guī)模市政污水處理廠的5～10倍，且成分復雜，含水量高，處理難度大，處置費用約占造紙廢水處理費用的50%以上.污泥中含有一定量的細小纖維、礦物填料等.目前,對造紙污泥的處理處置利用方法主要有海洋投棄、土地填埋、堆肥、焚燒等.這些方法在經(jīng)濟性和技術性方面均存在著一定的問題，故對造紙污泥進行經(jīng)濟有效地技術開發(fā),一直是學術界所關注的熱點研究課題之一.

由于污泥中含有大量的有機纖維和無機礦物填料，故將造紙污泥作為熱塑性復合材料的一種填料使用，可在一定程度上提高熱塑性材料的機械性能(如造紙污泥中含有的纖維可以提高塑料的機械強度；所含的少量CaCO3可以提高塑料的韌性等)，這在一方面可以解決造紙污泥的處置問題，在另一方面又可以充分利用造紙污泥中的有效組分來加工制備高附加值的復合材料，從而為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益[2-4].

然而，造紙污泥中含有大量的親水基團使其具有親水疏油性，與熱塑性樹脂的界面相容性較差，從而導致復合材料的某些機械性能下降以及材料的應用性能較差，故限制了該技術的發(fā)展.若通過對造紙污泥進行預水解處理，可以提高其表面的疏水親油性，從而達到改善造紙污泥與樹脂材料相容性的目的[4].

對造紙污泥而言，傳統(tǒng)的化學預處理方法是將改性試劑(如硬脂酸鈉)加入污泥中，在高溫、高壓等條件下進行反應來提高其親油性[5].生物酶處理造紙污泥是近年來發(fā)展的一種新型技術手段，具有投入量少、效率高、反應條件溫和等優(yōu)點.Maryam Edalatmanesh等[6]采用漆酶和脂肪酶單獨對造紙污泥預處理，并與尼龍共混后，成功地制備出了性能良好的尼龍/污泥復合材料.

漆酶是一種多銅氧化還原酶，可以催化各種芳香族化合物的氧化反應.它催化不同類型底物氧化反應的機理，主要表現(xiàn)在底物自由基的生成和四個銅離子的協(xié)同作用.催化酚或芳胺類底物時，首先是底物向漆酶轉(zhuǎn)移一個電子，生成自由基中間體，之后是一系列不均衡的非酶反應，如自由基氧化成醌，發(fā)生鍵的斷裂和形成，漆酶獲得四個電子之后成為還原態(tài)，在O2存在的條件下，還原態(tài)漆酶被氧化，O2還原成H2O[7].漆酶對底物氧化還原的機理如圖1所示.

同時,污泥能催化酚氧基聚合.在水解污泥過程中，主要作用于污泥中的木質(zhì)素.木質(zhì)素分子結構上的大量親水基團(如羥基等)，導致污泥表現(xiàn)為親水疏油性.對污泥用漆酶水解處理后，有望在一定程度上減少污泥中的親水基團，從而賦予其一定的親油特性，為改善其在相關熱塑性復合材料中的界面相容性創(chuàng)造了條件.

本文在對造紙污泥的基礎特性進行了分析的基礎上，采用漆酶對造紙污泥進行水解處理，研究了漆酶水解造紙污泥的最佳工藝參數(shù)，對水解后污泥大分子化學結構進行了分析表征，并對漆酶處理造紙污泥提高其表面疏水親油性的機理進行了初步地探討.

圖1　漆酶氧化還原循環(huán)示意圖

1試驗部分

1.1原料

制漿造紙工廠中段廢水的生化污泥，取自于國內(nèi)某制漿造紙綜合企業(yè)；漆酶由某酶制劑公司提供；無水乙酸鈉、冰醋酸、NaOH、濃H2SO4和液體石蠟，均為分析純.

1.2儀器

馬弗爐，TG-328A型；傅里葉紅外光譜儀，VECTOR-22 型；pH計，PB-10型；離心機，LD4-2A型；掃描電子顯微鏡，S4800型；EDS能譜儀，KYKY1000B型.

1.3試驗方法

(1)污泥的含水率、pH 值、有機物含量、灰分含量的測定.均參照國家城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準 CJ/T 221-2005《城市污水處理廠污泥檢測方法》中的規(guī)定進行檢測.

(2)污泥的元素分析：選用EDS電子能譜對污泥的元素進行分析.

(3)木質(zhì)素含量的測定：稱取20.00 g的污泥于燒杯中，加入50 mL的80 ℃熱水，再加入100 mL 的10%的NaOH溶液使污泥中的木質(zhì)素溶解；上述溶解體系經(jīng)抽濾所得濾液分別用適量的濃H2SO4和10%的H2SO4調(diào)節(jié)pH值在3.0～4.0之間，使污泥中所含的木質(zhì)素沉淀完全；將上述沉淀體系于80 ℃～90 ℃下保溫50 min，使上層清液變?yōu)辄S褐色，經(jīng)抽濾后將沉淀物用水洗滌至中性，經(jīng)烘干、稱重，得粗木質(zhì)素[8].

(4)粗纖維的測定：粗纖維含量參照國家標準GB/T 6434-94《飼料中粗纖維測定方法》進行測定.

(5)漆酶酶活的測定：室溫下取等體積的酶液和0.15 mmol·L-1的2,2-連氮-二(3-乙基并噻-6-磺酸)(ABTS)在pH=4.0的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液中反應，測定反應體系溶液在5 min內(nèi)420 nm處吸光度的變化，定義每分鐘使1μmol的ABTS氧化所需要的酶量為一個酶活單位[9].通過上述方法測得本文所述漆酶的酶活為1 989 U·g-1.

(6)漆酶水解造紙污泥：稱取一定量的造紙污泥于燒杯中，加入pH=5的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液后，再加入適量的漆酶溶液，并在通入空氣的條件下反應一段時間.

(7)沉降時間的測定：選用液體石蠟為分散劑.稱取0.3 g造紙污泥于10 mL的具塞試管中，加入10 mL液體石蠟，搖勻后觀察達到完全沉降狀態(tài)時所需要的時間.

2結果與討論

2.1污泥的組成與性質(zhì)分析

污泥組成與性質(zhì)見表1和表2所示.

表1　污泥的組成

注：有機物含量、灰分含量、粗纖維含量和木質(zhì)素含量相對絕干污泥計算.

由表1可知，污泥中含有大量的水分，顯弱酸性；其中的有機物主要是粗纖維(包含纖維素和少量半纖維素)，還含有一定量的木質(zhì)素.這些有機物的存在為酶預水解處理造紙污泥提供了良好的物質(zhì)基礎.

圖2為污泥組分在光學顯微鏡下的形態(tài)圖.從圖2可以發(fā)現(xiàn)，污泥中含有少量的纖維，污泥顆粒絮聚成團，這可能是因為廢水處理時加入的絮凝劑使污泥粒子絮聚成團所致，也可能是污泥的離子粒徑小，表面自由能大所致.

表2　造紙污泥的元素組成及含量

由表2可知，污泥中含有大量的C元素、O元素和Fe元素.污泥中的Fe元素主要是以Fe3+的形式存在，使污泥表現(xiàn)為紅棕色，它可以作為普通聚氨酯泡沫塑料的填料[10]；C元素和O元素主要來源于污泥中所含的有機物和CaCO3.CaCO3可以作為塑料(如PVC、PP等)的填料，能增強復合材料的韌性;污泥中的Si元素主要是以SiO2的形式存在,它可以作為PET的填料，能增強其雙向拉伸強度[11].這些物質(zhì)為污泥作為填料提供了基礎.

圖2　污泥顯微鏡形態(tài)圖(×100)

2.2漆酶水解處理對造紙污泥質(zhì)量和親油性的影響

以反應時間(A)、反應溫度(B)、酶用量(C)和污泥濃度(D)等為影響因素，考察以上因素對污泥質(zhì)量和親油性的影響.采用四因素五水平正交試驗設計,如表3所示.其試驗結果及其分析見表4和表5所示.

表3　漆酶預水解處理污泥正交試驗表

由表4可知，經(jīng)漆酶水解后，污泥的剩余率變化不大.這可能是因為在水解過程中，漆酶主要與木質(zhì)素發(fā)生反應，而污泥中木質(zhì)素含量較小所致；也可能是因為漆酶屬于一種氧化還原酶，可應用于催化氧化還原反應和高分子合成領域[12-14]，以催化木質(zhì)素結構中的酚羥基生成苯氧自由基，而苯氧自由基之間可發(fā)生共價連接，從而使得木質(zhì)素水解產(chǎn)物之間發(fā)生共聚，導致反應后污泥的質(zhì)量變化很小[8].

表4　漆酶預水解處理污泥的結果

注：污泥剩余率是處理后污泥的質(zhì)量與起始質(zhì)量的比值.

本試驗采用液體石蠟作為污泥的分散體系，考察了污泥在液體石蠟中靜置的沉降時間.沉降時間越長，表明親油性越好.由表5可知，對污泥親油性而言，各影響因素對漆酶預水解處理后污泥沉降時間的影響次序為：D>B>C>A.即污泥濃度影響最為顯著，其次是反應溫度和酶用量，最后是反應時間.由此可以得出,漆酶預水解污泥的最佳工藝參數(shù)為A4B5C2D5，即反應時間、反應溫度、酶用量和污泥濃度分別為4 h、55 ℃、30 U·g-1和130 g·L-1，此時水解后污泥表面的親油性最強.

在正交試驗的基礎上,對影響漆酶預水解處理造紙污泥的主要工藝參數(shù)進行單因素實驗研究，以進一步了解相關因素對水解后污泥沉降時間的影響，其結果如圖3～6所示.

圖3表示漆酶水解污泥過程中反應時間與沉降時間的關系.由圖3可看出，隨著反應時間的增加，污泥的沉降時間延長，當反應時間為4 h時，沉降時間可達到最大值180 min.這可能是因為隨著水解反應時間的延長，木質(zhì)素的水解產(chǎn)物量增加；同時，水解產(chǎn)生的木質(zhì)素小分子由于漆酶的催化聚合作用而共聚生成具有疏水親油性的木質(zhì)素大分子，以致使污泥的沉降時間延長[13].

圖3　反應時間與沉降時間的關系

圖4表示漆酶水解污泥過程中反應溫度與污泥沉降時間的關系.由圖4可知，隨著反應溫度的升高，沉降時間呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.當溫度為55 ℃時,沉降時間達到最大值180 min;當溫度超過55 ℃時，漆酶開始失活，漆酶活力下降，致使作用效果惡化.

圖5表示漆酶水解污泥過程中酶用量與污泥沉降時間的關系.由圖5可看出，隨著酶用量的增加，污泥的沉降時間延長，當酶用量為30 U·g-1時,沉降時間可達到最大值170 min.這可能是因為污泥與漆酶反應首先需要漆酶吸附在污泥的表面.隨著酶用量的增加，漆酶不斷地吸附在污泥表面，參與反應，使其沉降時間不增加；然而，污泥的表面能與漆酶發(fā)生吸附作用的吸附點有限，當酶用量達到30 U·g-1時，污泥表面已沒有供漆酶吸附的吸附點，故當酶用量為30 U·g-1時，沉降時間達到最長.需要說明的是，漆酶水解造紙污泥的機理還有待于在今后的研究工作中加以驗證.

圖4　反應溫度與沉降時間的關系

圖5　酶用量與沉降時間的關系

圖6表示漆酶水解污泥過程中污泥濃度與污泥沉降時間的關系.由圖6可知，隨著污泥濃度的增加，污泥的沉降時間延長，但濃度過大會影響反應過程中通氣的均勻性，阻礙空氣與污泥接觸，從而導致了沉降時間的降低.故選擇污泥濃度的最佳工藝參數(shù)為130 g·L-1.

圖6 底物濃度與沉降時間的關系

2.3漆酶水解處理對污泥中有機物結構的影響

污泥通過漆酶處理前后其有機物結構的變化如圖7中紅外光譜圖所示.其中,漆酶預水解條件采用上述研究過程中得出的最佳工藝參數(shù)進行.

由圖7可見，3 318 cm-1處的寬峰說明污泥中含有豐富的-OH鍵，這是污泥表現(xiàn)為親水性的一個方面.經(jīng)漆酶處理后，污泥中有機物結構發(fā)生了較為明顯地改變.其中，2 971 cm-1處所代表的甲基中的C-H吸收峰的強度減弱；共軛羰基峰由1 624 cm-1移動到了1 541 cm-1處，且其強度增強，可以推測木質(zhì)素結構中非共軛羰基轉(zhuǎn)化成了共軛羰基;而1 377 cm-1處所代表的非醚化酚羥基峰消失，1 159 cm-1處醚鍵的C-O-C伸展振動吸收峰和1 126 cm-1處芳香環(huán)的C-H面內(nèi)變形振動峰消失,以及952 cm-1吸收峰消失,表明芳香環(huán)上的取代基發(fā)生了改變，可以推測出污泥大分子發(fā)生了水解反應，且反應的主要位點在酚羥基和苯環(huán)側鏈取代基上.木質(zhì)素發(fā)生漆酶水解反應的結果是，使其分子結構中的酚羥基含量減少和苯環(huán)側鏈取代基發(fā)生改變，最終導致污泥中所含親水性基團減少和污泥親油性增強.

a:為未處理的污泥；b:為處理后的污泥圖7　未用漆酶處理的污泥和漆酶處理后的污泥的紅外光譜圖

2.4漆酶水解處理對污泥微觀形貌的影響

如圖8所示，在放大80 000倍的情況下進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)漆酶處理后污泥顆粒明顯減小，這使污泥顆粒的比表面積增大，從而有利于提高污泥顆粒的表面自由能.

在漆酶處理過程中，污泥中含有的一些膠體物質(zhì),如有機絮凝劑,也可能會得以水解破壞.例如，非醚化的酚羥基之間可以形成氫鍵，形成大分子的框架結構，一些無機小分子填充在其中，從而形成較大的顆粒，經(jīng)漆酶處理后，非醚化的酚羥基消失，致使污泥的顆粒變?。荒z體物質(zhì)一般可以作為小分子之間的“橋梁”，將小分子連接成比較大的顆粒，漆酶處理后破壞了這種“橋梁”，從而為污泥顆粒變小創(chuàng)造了條件.

(a)水解前的污泥

(b)水解后的污泥圖8　漆酶水解前后污泥的形貌

3結論

(1) 漆酶水解制漿造紙中段廢水污泥的適宜工藝條件為：反應時間為4 h、反應溫度為55 ℃、酶用量和污泥濃度分別為30 U·g-1和130 g·L-1，此時污泥的沉降時間為180 min.經(jīng)漆酶處理后，污泥的質(zhì)量與酶解前相比基本保持不變，但其表面疏水親油性明顯提高.

(2)漆酶水解造紙污泥的紅外光譜表明,在漆酶水解過程中，酶促反應使其大分子結構上的親水基團(如非醚化的酚羥基)消失，因而污泥表面的親油性得以提高.

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Influence of hydrolysis by laccase on pulp papermaking

wastewater sludge and its lipophilicity

HAN Qin1,2, QIAN Wei-wei1,2, LIU Rui1,2, LI Si1， PENG Xin-wen2

(1.College of Light Industry and Energy, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper，Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Abstract:The base components of pulp and papermaking wastewater sludge were analyzed and listed as the water content was 78.11%,lignin content was 6.75%,crude fiber content was 27.34%,organic matter content was 46.74% and pH was 5.43.After enzymatic hydrolysis by laccase,the quality of sludge remains essentially unchanged,while the lipophilic performance can be significantly improved.The orthogonal and single factor experiments explored the pre-treatment conditions of laccase hydrolysis sludge process,the results showed that the suitable reaction time was 4 h,reaction temperature was 55 ℃,the amount of enzyme was 30 U·g-1and the substrate concentrations was 130 g·L-1.Under these conditions,the settling time was 180 min.The hydrolysate of sluge was analyzed by FTIR.The FTIR spectrum was indicated that the reason why the lipophilic performance of sluge was improved was that the enzymatic reaction leaded to the hydrophilic groups such as phenolic hydroxyl group disappear during laccase hydrolysis process.

Key words:paper sludge; laccase; lipophilic; hydrolysis treatment

中圖分類號：TS79；X793

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)02-0007-06

作者簡介:韓卿(1965-)，男，青海西寧人，教授，博士生導師，研究方向：植物纖維高值化及固體廢物資源化利用

基金項目：華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金項目(201314)

收稿日期:*2014-11-30