固定化碳酸酐酶催化吸收模擬煙氣中CO2實(shí)驗(yàn)研究

李娟，張琳，孫瑩，楊林軍，2

（1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省煤基CO2捕集與地質(zhì)封存重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008）

固定化碳酸酐酶催化吸收模擬煙氣中CO2實(shí)驗(yàn)研究

李娟1，張琳1，孫瑩1，楊林軍1，2

（1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省煤基CO2捕集與地質(zhì)封存重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008）

利用表面羧基化四氧化三鐵和戊二醛交聯(lián)法實(shí)現(xiàn)碳酸酐酶的固定，對比考察了游離態(tài)碳酸酐酶和固定化碳酸酐酶對CO2催化吸收效果的影響；還自行設(shè)計(jì)了填料塔反應(yīng)裝置，在填料塔式反應(yīng)器中進(jìn)行了固定化碳酸酐酶催化吸收CO2實(shí)驗(yàn)，考察了操作條件及共存氣體SO2對固定化碳酸酐酶催化吸收CO2性能的影響。結(jié)果表明，游離態(tài)碳酸酐酶和固定化碳酸酐酶可縮短CO2達(dá)到飽和濃度所需的時(shí)間；同時(shí)，得到最優(yōu)的操作條件為：液氣比為28L/m3，氣體流速為25.5cm/min，單位塔體積加酶量為600mg/L（載酶量2mg/L），吸收液溫度為35℃；固定化碳酸酐酶經(jīng)連續(xù)5h催化吸收CO2后，CO2的去除效率仍可維持在30%以上；此外，SO2的存在不利于固定化碳酸酐酶對CO2的催化吸收。

固定化酶；二氧化碳；催化吸收；填料塔反應(yīng)器

我國是CO2排放大國，且排放量逐年上升，預(yù)計(jì)2030年達(dá)到峰值[1]，減少CO2的排放顯得尤為重要。現(xiàn)有的CO2捕集技術(shù)主要有吸附技術(shù)[2-3]、吸收技術(shù)[4-5]、膜技術(shù)[6-7]等。眾多燃煤電站CO2捕集和封存技術(shù)中，利用碳酸酐酶（CA）仿生物法捕集低濃度CO2的研究逐步受到學(xué)者關(guān)注。

在CA捕集低濃度CO2的研究中，主要關(guān)注操作條件對固定化酶活性的影響和固定化酶穩(wěn)定性等方面內(nèi)容。FEI等[8]分別利用表面氨基化和表面環(huán)氧官能化修飾的介孔分子篩（SBA-15）進(jìn)行CA固定化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面修飾后的載體材料對酶的固定化效果比較明顯，且經(jīng)表面環(huán)氧官能團(tuán)化修飾后的載體固定CA效果更佳。OZDEMIR[9]將CA固定到聚氨酯泡沫（PU）上，結(jié)果顯示，CA經(jīng)固定化后，酶的活性較游離酶的活性有所降低，但固定化CA具有良好的操作穩(wěn)定性，且貯藏穩(wěn)定性也顯著高于游離酶，但對固定化酶的應(yīng)用沒有進(jìn)一步研究。ZHANG等[10]將CA固定到納米級二氧化硅上，考察了固定化條件對酶活性的影響，研究表明固定化酶的熱穩(wěn)定和pH穩(wěn)定性得到很大提高。

目前利用CA進(jìn)行CO2催化吸收試驗(yàn)的研究相對較少。朱軼林等[11]進(jìn)行了固定化CA在鼓泡塔式反應(yīng)器中催化吸收CO2性能研究，考察了加酶量和氣體流量對吸收液pH和反應(yīng)終止pH的影響，結(jié)果表明固定化酶催化吸收CO2效果顯著，且具有較高的操作穩(wěn)定性。HOU等[12]開發(fā)了一種新型生物催化氣液膜接觸器，將固定到納米TiO2的固定化酶懸浮在吸收劑中促進(jìn)CO2水合反應(yīng)，結(jié)果顯示，經(jīng)10個(gè)周期操作后，生物催化氣液膜接觸器對CO2仍有較好的吸收效果。但對固定化CA應(yīng)用的研究中，利用填料塔式反應(yīng)器催化吸收CO2的研究相對較少。本文利用表面羧基化四氧化三鐵為載體，制作固定化酶，在填料塔式反應(yīng)器中進(jìn)行了CA催化吸收CO2實(shí)驗(yàn)，考察了氣量、濃度、液氣比、加酶量、吸收液溫度和共存氣體SO2等對CA催化吸收CO2性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

CA購自南京都萊生物技術(shù)有限公司，白色粉末狀，保存溫度2～8℃；FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、25%濃氨水、油酸、KMnO4、三羥甲基氨基甲烷（Tris）、對硝基乙酸苯酯、戊二醛（25%）、鹽酸，均為分析純。CO2（99.99%）、N2（99.9%）和SO2（99.99%），購自南京上元工業(yè)氣體廠。

1.2 固定化CA制備和酶活測定

首先用FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、25%濃氨水、油酸、KMnO4等化學(xué)試劑制得表面羧基化四氧化三鐵，干燥后過100目篩，即制得CA的載體材料。

稱取30mg載體材料于50mL離心管中，分別向離心管中加入10mL Tris-HCl（pH=8.0）緩沖液和1mL CA溶液（溶于pH=8.0的緩沖液中），置于30℃、轉(zhuǎn)速250r/min的恒溫?fù)u床中，待固定化反應(yīng)進(jìn)行3h時(shí)，向離心管中加入1mL摩爾分?jǐn)?shù)為0.4%的戊二醛交聯(lián)劑，再進(jìn)行1h的交聯(lián)反應(yīng)。磁力分離，用緩沖溶液洗滌數(shù)次，再用吸水紙吸干表面水分，置于4℃冰箱中冷藏備用。

CA的活力測定方法采用紫外分光光度計(jì)法，酶活的計(jì)算公式如式(1)。

式中，A348,酶和A348,空白對照分別表示樣品和空白對照組在波長為348nm處的吸光度值；Vt為反應(yīng)總體系，mL；e為p-NP的摩爾消光系數(shù)；Vs為酶液體積，mL；d為比色皿厚度，1cm。

固定化CA活性采用酶活回收率和相對酶活來表征，其計(jì)算公式如式(2)、式(3)。

實(shí)驗(yàn)制備的固定化酶在最優(yōu)的操作條件下最佳固定化酶活力為1672.5units/mg，酶活回收率最大可達(dá)到66.90%。

1.3 固定化CA催化吸收CO2實(shí)驗(yàn)

圖1為固定化CA催化吸收模擬煙氣中CO2的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，填料塔反應(yīng)器高1000 mm，內(nèi)徑50mm，底部布置有進(jìn)氣口和支撐板。支撐板上放有石英棉包裹的固定化酶，且填料上下底部布設(shè)有釹鐵硼磁球?qū)?，粒?mm，以防止固定化酶在氣流和吸收液的沖刷下脫落。CO2和N2經(jīng)靜態(tài)混合器從吸收管底部進(jìn)入填料塔；來自恒溫水浴鍋中的吸收液從反應(yīng)器上部進(jìn)入填料塔，在填料層處與氣體逆流接觸；氣體催化吸收CO2后，剩余氣體從反應(yīng)器上部經(jīng)氣體凈化器進(jìn)入GC-9070型氣相色譜儀，在線監(jiān)測反應(yīng)器出口CO2濃度。

圖1 固定化CA催化吸收模擬煙氣中CO2實(shí)驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 CA催化吸收CO2過程中溶液pH變化特性

2.1.1 游離態(tài)CA催化吸收CO2對溶液pH的影響

在pH≈6.8（1L）的吸收液中通入2.0L/min 12%的CO2（88% N2）氣體，采用便攜式pH計(jì)考察不同量游離酶（1mL、2mL、3mL、4mL，游離酶量分別0.1mg、0.2mg、0.3mg、0.4mg）對CO2吸收性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，游離酶的加入可明顯降低CO2達(dá)到飽和濃度的時(shí)間。CO2吸收初期，隨著游離酶量的增加，CO2吸收速率越快，吸收液越快達(dá)到CO2飽和濃度；當(dāng)加入4mL游離酶時(shí)，溶液達(dá)到CO2飽和濃度的時(shí)間約為180s。

圖2 游離態(tài)CA催化吸收CO2對溶液pH的影響

2.1.2 固定化CA催化吸收CO2對溶液pH的影響

圖3 固定化CA催化吸收CO2對溶液pH的影響

在pH≈6.8（1L）的吸收液中通入2.0L/min體積分?jǐn)?shù)為12%的CO2（88% N2），采用便攜式pH計(jì)定性地考察不同量固定化酶（30mg、60mg、90mg、120mg，載酶量分別為0.1mg、0.2mg、0.3mg、0.4mg）對CO2吸收性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，CO2吸收初期隨著固定化酶量的增加，可用于催化吸收CO2的酶量增多，吸收速率越快，溶液越快接近飽和濃度。當(dāng)固定化酶催化吸收反應(yīng)達(dá)到200s時(shí)，溶液pH可從6.8下降到4.79，下降了2.01個(gè)pH單位；而相同的時(shí)間內(nèi)，在沒有固定化酶加入的情況下，持續(xù)通入CO2氣體，溶液的pH從6.87下降到5.93，僅下降0.94個(gè)單位。

2.2 操作條件對固定化CA催化吸收CO2性能的影響

2.2.1 液氣比對CO2催化吸收性能的影響

填料塔中加入1.2g固定化酶（載酶量4mg），并以超純水為吸收劑，通入氣體流速25.5cm/min、體積分?jǐn)?shù)為16.8%的CO2（83.2% N2）氣體，液氣比18～32L/m3，采用氣相色譜在線檢測不同液氣比下的出口CO2濃度，實(shí)驗(yàn)中氣量不變。結(jié)果如圖4所示，液氣比越大CO2去除效果越好，但隨著液氣比進(jìn)一步增大，出口CO2體積分?jǐn)?shù)下降幅度趨于平緩。由于CA催化吸收CO2是在液相環(huán)境下進(jìn)行，吸收液量越大，被CA催化吸收的CO2越容易進(jìn)到液相環(huán)境中生成HCO3–或者CO32–。

2.2.2 氣體流速對CO2催化吸收性能的影響

圖4 液氣比對CO2催化吸收性能的影響

填料塔中加入1.2g固定化酶（載酶量4mg），并以超純水為吸收劑，通入16.8%的CO2（83.2%N2）氣體，液氣比為28L/m3，改變氣體流速分別為5.1cm/min、10.2cm/min、15.3cm/min、20.4cm/min、25.5cm/min、30.6cm/min，測出口CO2濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可見隨著進(jìn)口氣體流速增大，CO2去除效率降低。當(dāng)氣體流速增大時(shí)，CO2停留時(shí)間縮短；同時(shí)，由于填料中固定化酶的量一定，氣體流速增大，CO2分子數(shù)目越多，而被固定化碳酸酐酶催化吸收的CO2數(shù)目有限，從而去除效率降低。氣體流速為5.1cm/min時(shí)，CO2去除效率可達(dá)到90%。

圖5 氣體流速對CO2催化吸收性能的影響

2.2.3 濃度對CO2催化吸收性能的影響

填料塔中加入1.2g固定化酶（4mg CA），并以超純水為吸收劑，液氣比控制在28L/m3，氣體流速為25.5cm/min，改變CO2和N2的配比，CO2體積分?jǐn)?shù)為9.8%～20.5%。結(jié)果如圖6所示，可見，CO2出口濃度隨著進(jìn)口濃度的增加而增加，但CO2去除效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。CO2濃度低時(shí)，單位體積的CO2分子數(shù)較少，根據(jù)分子碰撞原理，CO2與酶分子接觸反應(yīng)的機(jī)率相對較?。划?dāng)體積分?jǐn)?shù)為16.8%時(shí)，CO2去除效率最大；隨著CO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，由于酶分子數(shù)目有限，同一時(shí)間內(nèi)可催化吸收CO2數(shù)目有限，因此隨著CO2體積分?jǐn)?shù)增加，去除效率降低。

圖6 CO2進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)對催化吸收性能的影響

2.2.4 單位塔體積加酶量對CO2催化吸收性能的影響

以超純水為吸收劑，向填料吸收管中通入16.8%的CO2（83.2% N2）氣體，液氣比為28L/m3，氣體流速為25.5cm/min，改變填料管中固定化酶的量為150～900mg/L，對應(yīng)的載酶量范圍為0.5～3mg/L。結(jié)果如圖7所示，填料塔中加酶量越多，CO2催化吸收效果越好。隨著固定化酶量的增多，可用于催化吸收CO2的酶分子數(shù)目增多，單位時(shí)間內(nèi)捕集CO2數(shù)目越多，CO2去除效率越高。

2.2.5 吸收液溫度對CO2催化吸收性能的影響

填料塔中加入1.2g固定化酶（載酶量4mg），并以超純水為吸收劑，通入16.8%的CO（283.2% N2）氣體，液氣比為28L/m3，氣體流速為25.5cm/min，吸收液溫度25～55℃。圖8為不同溫度下的CO2去除效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著溫度的升高，CO2的去除效率先升高后下降。吸收液溫度為35℃時(shí)，固定化酶催化吸收CO2的效率最高。吸收液溫度影響酶的活性，35℃是固定化酶的最適酶活溫度，這與酶的固定化實(shí)驗(yàn)考察溫度對酶活性影響的結(jié)果一致[13]。吸收液溫度過高或者過低都影響酶的活性，從而影響CO2的去除效率。

圖7 單位體積載酶量對CO2催化吸收性能的影響

圖8 吸收液溫度對CO2催化吸收性能的影響

2.3 長時(shí)間操作下CO2催化吸收性能

填料塔中加入1.2g固定化酶（載酶量4mg），并以超純水為吸收劑，通入16.8%的CO（283.2% N2）氣體，液氣比為28L/m3，氣體流速為25.5cm/min，吸收液溫度為35℃，考察長時(shí)間操作（1～5h）下的CO2催化吸收性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，隨著操作時(shí)間的延長，CO2去除效率逐漸下降?？蓮膬蓚€(gè)方面解釋這一現(xiàn)象：一方面，固定化酶長時(shí)間暴露在35℃的環(huán)境下，酶的活性隨著暴露時(shí)間的延長逐漸下降；另一方面，在液相和氣相的沖刷下，有少量的固定化酶隨吸收液從填料層處脫落下來，催化劑量減少，從而CO2去除效率降低。經(jīng)過5h連續(xù)催化吸收后，CO2的去除效率降至32%。為了有效地防止CO2催化吸收性能的降低，可采取的措施是，在填料層下增加一層用磁性材料制作的多孔支撐材料，因?yàn)楸疚氖褂玫墓潭ɑd體具有磁性，因此在填料層下方增加一層磁性材料制作的多孔支撐板，進(jìn)而可有效地防止固定化酶的脫落造成的酶損失。

圖9 長時(shí)間操作下CO2催化吸收性能

2.4 共存氣體SO2對CO2催化吸收性能影響

填料塔中加入1.2g固定化酶（載酶量4mg），并以超純水為吸收劑，通入16.8%的CO（283.2% N2）氣體，液氣比為28L/m3，氣體流速25.5cm/min，吸收液溫度為35℃，考察共存雜質(zhì)SO2對CO2催化吸收性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，可見，隨著SO2的加入，降低了CO2的去除效率，SO2濃度越高，影響越大。SO2易溶于吸收液中，由于填料層處于濕潤環(huán)境下，故存在著SO32–和H+，隨著SO2濃度增大，填料層處SO32–和H+增多，pH越低，從而固定化碳酸酐酶的活性受到抑制，催化吸收CO2效果變差。

圖10 SO2濃度對CO2催化吸收性能的影響

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以表面羧基化四氧化三鐵為載體來制作固定化酶，考察了固定化酶在填料塔反應(yīng)器中CA對CO2催化吸收性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）游離酶和固定化酶的存在，可大大減少CO2達(dá)到飽和濃度所需時(shí)間。

（2）在填料塔式反應(yīng)器中，考察了操作條件對CO2催化吸收性能的影響，得到最優(yōu)的操作條件為：液氣比28L/m3，氣體流速25.5cm/min，CO2氣體進(jìn)口體積分?jǐn)?shù)16.8%，單位塔體積加酶量600mg/L（載酶量2.0mg/L），吸收液溫度35℃。

（3）由于長時(shí)間暴露，以及液體和氣體的沖刷，固定化酶經(jīng)5h的連續(xù)催化吸收后，CO2的催化吸收效率有明顯減低。

（4）在最優(yōu)的操作條件下，SO2的存在不利于CA對CO2的催化吸收效果。

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Experimental studies on catalytic absorption of CO2in simulated flue gas by immobilized carbonic anhydrase

LI Juan1，ZHANG Lin1，SUN Ying1，YANG Linjun1，2
（1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China；2Key Laboratory of Coal-based CO2Capture and Geological Storage，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China）

The carbonic anhydrase was immobilized by the carboxylated Fe3O4and glut-aldehyde cross-linking method in this study. The effects of the free carbonic anhydrase and immobilized carbonic anhydrase on the CO2absorption were compared. A packed tower reactor was designed. The effect of the operating conditions and SO2on the performance of CO2catalytic absorption with the immobilized carbonic anhydrase was investigated in the packed tower reactor. The results showed that the free enzyme and immobilized enzyme could shorten the time of CO2reaching saturation concentration. The optimal operating conditions，such as the ratio of liquid to gas，the gas flow rate，enzyme dosage of the unit tower volume，and absorption liquid temperature，were 28L/m3，25.5cm/min，600mg/L，and 35℃，respectively.The CO2removal efficiency could still reach more than 30%，after catalytic absorption with the immobilized enzyme for 5h. The existence of SO2had negative effect on the CO2catalytic absorption.

immobilized enzyme；carbon dioxide（CO2）；catalytic absorption；packed tower reactor

X511

：A

：1000-6613（2017）09-3502-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0012

2017-01-04；修改稿日期：2017-05-04。

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20130092110005）、江蘇省煤基CO2捕集與地質(zhì)儲存重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2016年）開放基金（2016A05）、國家自然科學(xué)基金（51176034）及東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文基金（YBJJ1508）項(xiàng)目。

李娟（1990—），女，碩士，從事CO2捕集和封存研究。E-mail：1527449899@qq.com。聯(lián)系人：楊林軍，博士，教授，主要從事PM2.5、脫硫、脫硝、CO2捕集方面的研究。E-mail：ylj@seu.edu.cn。