絲膠蛋白的固定化及其對Cd2+的吸附效果研究*

毛 玲 何星存 鄭 波 蘇小建# 韋鴻飛 何星基 蔡國華

(1.廣西師范大學環(huán)境與資源學院,珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護省部共建教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.賀州學院化學與生物工程學院，廣西 賀州 542899；3.桂林奧尼斯特節(jié)能環(huán)保技術有限公司,廣西 桂林 541004)

盡管環(huán)境中的鎘濃度極低(大氣中一般不超過0.003 μg/m3，水中不超過10 μg/L，土壤中不超過0.5 mg/kg[1-2])，但鎘是一種毒性很大的重金屬，可以通過食物鏈富集進入人體，鎘在人體內(nèi)形成的鎘硫蛋白通過血液累積在肝、腎和骨骼中，導致這些臟器、骨骼等發(fā)生病變甚至癌變，因此鎘被《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)認定為第一類污染物[3-4]。目前，國內(nèi)外對處理含鎘廢水的研究很多，主要處理方法有化學沉淀法、離子交換法、吸附法、膜分離法、生物法等[5-9]，其中吸附法是一種操作簡單且應用廣泛的方法，但是吸附劑價格高、吸附效率低是限制其被廣泛應用的原因，因此尋找廉價、高效、選擇性強且易于再生的吸附劑是吸附法的研究熱點。

絲膠蛋白是一種天然水溶性球蛋白，由18種氨基酸組成，其分子結構中的氨基和羧基對重金屬具有螯合作用[10-11]。長期以來，制絲及紡織工業(yè)產(chǎn)生的絲膠蛋白沒有得到利用，而是將其隨廢水一起排放，既浪費資源，又增加水體污染。因此，將絲膠蛋白用于吸附廢水中的重金屬，既能減少制絲及紡織工業(yè)對環(huán)境的污染，又能實現(xiàn)廢物資源的再生利用，達到“以廢治廢”的目的。由于絲膠蛋白水溶性極好，與重金屬結合后形成的螯合物又難以固液分離，也不易回收再生使用，因此不適合直接用作重金屬吸附劑來使用。本研究通過對固定化載體、制備方法和條件的優(yōu)化，將自制煮繭廢水中的絲膠蛋白固定，成功制備了一種機械強度適中且能固液分離的新型重金屬吸附劑，與傳統(tǒng)吸附劑(活性炭[12]、膨潤土[13]、沸石[14])相比，具有價格低廉、選擇吸附性好、處理效率高的特點。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

煮繭廢水(實驗室自制，絲膠蛋白質(zhì)量濃度為8 mg/mL)；戊二醛，體積分數(shù)為25%，若無特殊說明，都稀釋為2%使用；乙酸溶液，體積分數(shù)為2%；50 mmol/L檸檬酸緩沖液(pH=5.0)；生理鹽水，NaCl質(zhì)量分數(shù)為0.9%；硝酸溶液，1 mol/L；海藻酸鈉溶液，20 g/L；氯化鈣溶液，20 g/L；殼聚糖，分析純。

美國PerkinElmer公司的Analyst 800型原子吸收光譜儀；SHZ-82A型水浴恒溫振蕩器；202型電熱恒溫干燥箱；FB224自定內(nèi)校型電子分析天平；PHS-4C+型酸度計。

1.2 固定化絲膠蛋白的制備

1.2.1 殼聚糖固定化絲膠蛋白

吸附—交聯(lián)法：(1)稱取1 g殼聚糖，溶于50 mL乙酸溶液中配成殼聚糖溶液，用5 mL注射器將殼聚糖溶液逐滴滴入過量1 mol/L氫氧化鈉溶液中，過濾，用蒸餾水洗滌生成的白色顆粒至中性，用檸檬酸緩沖液浸泡，于4 ℃冰箱中保存過夜；(2)稱取1 g步驟(1)中處理過的白色顆粒，加入10 mL煮繭廢水，于4 ℃冰箱中吸附5 h后用檸檬酸緩沖液沖洗；(3)將10 mL戊二醛加入到吸附絲膠蛋白后的白色顆粒中，振蕩30 min，室溫下靜置1.5 h，用檸檬酸緩沖液沖洗交聯(lián)載體，制得的殼聚糖固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅰ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

交聯(lián)—吸附法：(1)預處理方法同吸附—交聯(lián)法的步驟(1)；(2)稱取1 g步驟(1)中處理過的白色顆粒，加入10 mL戊二醛，振蕩30 min，室溫下靜置1.5 h，用檸檬酸緩沖液沖洗形成的交聯(lián)載體；(3)加入10 mL煮繭廢水，于4 ℃冰箱中吸附5 h，再用檸檬酸緩沖液沖洗，制得的殼聚糖固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅱ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

包埋—交聯(lián)法：(1)稱取1 g殼聚糖，溶于50 mL乙酸溶液中，按1∶1(體積比)的配比加入煮繭廢水，混合均勻，用5 mL注射器將混合液逐滴滴入過量1 mol/L氫氧化鈉溶液中，過濾，用蒸餾水洗滌生成的白色顆粒至中性，用檸檬酸緩沖液浸泡，于4 ℃冰箱中保存過夜；(2)稱取1 g步驟(1)中處理過的白色顆粒，加入10 mL戊二醛，振蕩30 min，室溫下靜置1.5 h，用檸檬酸緩沖液沖洗交聯(lián)載體，制得的殼聚糖固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅲ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

1.2.2 海藻酸鈉固定化絲膠蛋白

交聯(lián)—包埋法：(1)海藻酸鈉溶液與煮繭廢水按體積比1∶1混合均勻，加入與煮繭廢水等體積的戊二醛溶液，振蕩30 min后靜置交聯(lián)2 h，用5 mL注射器將混合液逐滴滴入過量氯化鈣溶液中，濾出凝膠小球；(2)將凝膠小球全部浸泡于氯化鈣溶液中，于4 ℃冰箱中靜置硬化2 h，最后用生理鹽水洗滌，制得的海藻酸鈉固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅳ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

包埋—交聯(lián)法：(1)海藻酸鈉溶液與煮繭廢水按體積比1∶1混合均勻，37 ℃水浴30 min，用5 mL注射器將混合液逐滴滴入過量氯化鈣溶液中，濾出凝膠小球；(2)稱取1 g凝膠小球與10 mL戊二醛交聯(lián)2 h，用生理鹽水洗滌，制得的海藻酸鈉固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅴ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

直接包埋法：(1)凝膠小球的制備同包埋—交聯(lián)法的步驟(1)；(2)后續(xù)步驟同交聯(lián)—包埋法的步驟(2)，制得的海藻酸鈉固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅵ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

1.3 吸附實驗

稱取1 g固定化絲膠蛋白，分別加入兩種模擬含Cd2+廢水中，一種為無干擾離子的含Cd2+廢水，體積為100 mL，Cd2+質(zhì)量濃度為100 mg/L，一種為有干擾離子Ga2+(400 mg/L)和Na+(200 mg/L)的含Cd2+廢水，體積為100 mL，Cd2+質(zhì)量濃度為100 mg/L。在溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為150 r/min的條件下振蕩吸附4 h，用原子吸收光譜儀測定吸附前后Cd2+濃度，并按式(1)計算吸附量。

(1)

式中：Q為吸附量，mg/g；c0為吸附前Cd2+質(zhì)量濃度，mg/L；c為吸附后Cd2+質(zhì)量濃度，mg/L；V為模擬廢水體積，L；m為固定化絲膠蛋白質(zhì)量，g。

2 結果與討論

2.1 固定化載體及制備方法的選擇

2.1.1 耐酸堿性實驗

配制pH分別為3、7、10的磷酸緩沖液，將不同固定化絲膠蛋白置于磷酸緩沖液中浸泡24 h，觀察其形態(tài)變化。結果發(fā)現(xiàn)，以海藻酸鈉為載體制備的固定化絲膠蛋白都只能存在于pH=3的磷酸緩沖液中，而以殼聚糖為載體制備的固定化絲膠蛋白在3種pH條件下均能保持形狀不變，這是因為在殼聚糖分子中，有相當數(shù)量的游離氨基，這些氨基可以和雙功能試劑(如戊二醛等)發(fā)生交聯(lián)，形成機械性能良好、化學穩(wěn)定性高的固定化載體[15]。因此，從酸堿穩(wěn)定性考慮，應選擇殼聚糖作為固定化絲膠蛋白的載體。

圖1 不同固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量Fig.1 Adsorption quantity on Cd2+ of different immobilized sericin proteins

2.1.2 吸附量比較

由圖1可知，殼聚糖為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量幾乎不受Ga2+、Na+干擾離子的影響，而海藻酸鈉為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量受Ga2+、Na+干擾離子的影響很明顯。以殼聚糖為載體時，用包埋—交聯(lián)法制備的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附效果最好。以海藻酸鈉為載體的固定化絲膠蛋白雖然對有干擾離子的含Cd2+廢水處理效果不佳，但其對無干擾離子的含Cd2+廢水處理效果普遍優(yōu)于以殼聚糖為載體的固定化絲膠蛋白，其中包埋—交聯(lián)法制備的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附效果最好。因此，包埋—交聯(lián)法是一種理想的絲膠蛋白固定化方法。

2.1.3 再生利用性能

將1.3節(jié)吸附實驗后的固定化絲膠蛋白用蒸餾水洗滌2～3次，用硝酸溶液振蕩解析4 h，再用蒸餾水洗滌至中性，重復1.3節(jié)無干擾離子的含Cd2+廢水吸附實驗。如此再生利用5次，考察不同固定化絲膠蛋白的再生利用性能，結果如圖2所示。隨著再生利用次數(shù)的增加，固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量逐漸降低。對于同一種載體，用不同固定化方法制備的固定化絲膠蛋白再生利用性能差別不大。再生利用5次后，海藻酸鈉為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量平均值從102.26 mg/g降至11.09 mg/g，而殼聚糖為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量降低極小，原因在于殼聚糖分子中的氨基和羥基具有與重金屬離子形成配位鍵的能力，能形成穩(wěn)定的螯合物[16-18]。

圖2 不同固定化絲膠蛋白的再生利用性能Fig.2 The property for reuse of different immobilized sericin proteins

綜上所述，制備固定化絲膠蛋白的最佳載體為殼聚糖，最佳制備方法為包埋—交聯(lián)法。

2.2 殼聚糖固定化絲膠蛋白的吸附條件優(yōu)化

2.2.1 殼聚糖溶液濃度對Cd2+的吸附效果影響

稱取一定質(zhì)量的殼聚糖，溶于100 mL乙酸溶液中，配制成殼聚糖質(zhì)量濃度分別為5、10、15、20、25、30 g/L的殼聚糖溶液，其他條件按照殼聚糖為載體的包埋—交聯(lián)法進行固定化，得到殼聚糖固定化絲膠蛋白。殼聚糖濃度不同對制成的固定化絲膠蛋白成球效果差異很大(見表1)，其中殼聚糖質(zhì)量濃度為15 g/L或20 g/L時固定化絲膠蛋白的成球效果較好。

表1 殼聚糖質(zhì)量濃度對固定化絲膠蛋白成球效果的影響

用不同殼聚糖質(zhì)量濃度下按包埋—交聯(lián)法制備的固定化絲膠蛋白對無干擾離子的含Cd2+廢水進行吸附實驗，結果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著殼聚糖濃度的提高，固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量逐漸升高。殼聚糖質(zhì)量濃度為20 g/L時，Cd2+的吸附量達到最大，之后逐漸降低。這是因為過量的殼聚糖會使固定化絲膠蛋白機械強度過高，表面致密，影響Cd2+的空間擴散。因此，選用20 g/L的殼聚糖比較合適。

圖3 殼聚糖質(zhì)量濃度對Cd2+的吸附效果影響Fig.3 Effect of chitosan concentration on Cd2+ adsorption

2.2.2 煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比對Cd2+的吸附效果影響

固定殼聚糖質(zhì)量濃度為20 g/L，煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比分別設為2∶1、1∶1、1∶2、1∶4、0∶1，其他條件按照殼聚糖為載體的包埋—交聯(lián)法進行固定化，得到殼聚糖固定化絲膠蛋白，對無干擾離子的含Cd2+廢水進行吸附實驗，結果如圖4所示。當煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為2∶1時，無法制備出成形的固體顆粒，故不再考慮。從圖4來看，當煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比變大，即絲膠蛋白含量增大時，Cd2+的吸附量逐漸增加。當煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為1∶1時，吸附量達到最大值，為101.23 mg/g，因此選擇煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為1∶1作為最佳配比。

圖4 煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比對Cd2+的吸附效果影響Fig.4 Effect of cocoon boiling wastewater to chitosan solution volume ratio on Cd2+ adsorption

2.2.3 戊二醛體積分數(shù)對Cd2+的吸附效果影響

固定殼聚糖質(zhì)量濃度為20 g/L，煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為1∶1，按照殼聚糖為載體的包埋—交聯(lián)法進行固定化，得到固定化絲膠蛋白，考察戊二醛體積分數(shù)為1%、2%、4%、6%、8%對無干擾離子的含Cd2+廢水的吸附效果影響，結果如圖5所示。由圖5可見，戊二醛體積分數(shù)為2%時Cd2+吸附量最大，達到102.72 mg/g；戊二醛體積分數(shù)過高或過低時Cd2+吸附量均較低。這是因為戊二醛既是固定化反應的交聯(lián)劑，又是蛋白質(zhì)的變性劑[19]。因此，戊二醛體積分數(shù)以2%為宜。

圖5 戊二醛體積分數(shù)對Cd2+的吸附效果影響Fig.5 Effect of glutaraldehyde volume fraction on Cd2+ adsorption

3 結 論

以殼聚糖為載體，采用包埋—交聯(lián)法，在殼聚糖質(zhì)量濃度為20 g/L、煮繭廢水與殼聚糖溶液的體積比為1∶1、戊二醛體積分數(shù)為2%的條件下，制備的殼聚糖固定化絲膠蛋白成球效果好、易操作、機械強度適中，對Cd2+的吸附量最大達到102.72 mg/g。

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