辣木蛋白絮凝凈水技術(shù)研究進(jìn)展

吳珍，王躍梅，周欣，張弦

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程系，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

絮凝是目前應(yīng)用廣泛的水處理工藝單元之一，多年來始終以簡(jiǎn)單方便、高效快速和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)活躍在水與廢水處理的舞臺(tái)上。其原理為通過向水中投加化學(xué)藥劑（絮凝劑），水溶液/溶膠系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞，污染物由于脫穩(wěn)聚集成大的聚集體而得以去除。目前應(yīng)用于水處理行業(yè)的主要是無機(jī)鋁鹽或鐵鹽絮凝劑，有機(jī)合成高分子絮凝劑如聚丙烯酰胺由于其單體的有毒性主要應(yīng)用于工業(yè)廢水和污泥的濃縮處理。此外，還有由生物提取的蛋白質(zhì)、多糖類絮凝劑，但目前多處于研發(fā)階段。

辣木（Moringa oleifera）是一種被西方科學(xué)家譽(yù)為“神奇之樹”的多年生熱帶落葉喬木，我國(guó)云南熱帶作物科學(xué)研究所于2002年引進(jìn)和試種，目前已在我國(guó)廣西、云南、福建、四川等地廣泛種植。從辣木種子經(jīng)壓榨后的籽粕中提取的辣木蛋白被證實(shí)具有凈水活性，它不僅能顯著降低水中的致濁污染物，對(duì)水中天然有機(jī)物、染料、重金屬離子、藻類、寄生蟲、鈣鎂離子等都有一定的去除效果，且絮凝后不引起水體pH和電導(dǎo)率的改變，污泥產(chǎn)量也比常規(guī)的鋁鹽、鐵鹽絮凝劑少得多。更為重要的是，采用辣木蛋白做絮凝劑不產(chǎn)生帶有金屬化合物的污泥，且不存在鋁鹽、聚丙烯酰胺等絮凝劑殘留而引起的人類健康潛在風(fēng)險(xiǎn)?；诶蹦镜鞍椎膬羲匦?，以及安全、無毒副作用、易于生物降解等特性，有望替代傳統(tǒng)無機(jī)及有機(jī)合成絮凝劑成為一種更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)、更天然的水處理絮凝劑。

1 辣木蛋白用于水處理的研究現(xiàn)狀

辣木的凈水能力雖然是近些年在逐漸被大眾發(fā)現(xiàn)，但實(shí)際上早在60年代一些國(guó)家和地區(qū)就有使用辣木凈水的傳統(tǒng)。人們通過經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)辣木籽粉的水提取液就可以除去污水中的泥沙和細(xì)菌從而達(dá)到澄清水體凈化水質(zhì)的作用。90年代以來，人們對(duì)辣木的凈水作用開展了科學(xué)研究，并發(fā)現(xiàn)其中起凈水作用的是一種辣木蛋白。

YAMAGUCHI等[1]對(duì)辣木蛋白在水處理中的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以“辣木”和“水處理”為關(guān)鍵詞在Web of Science上檢索2016—2020年的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其發(fā)文量呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，且在生物質(zhì)絮凝劑相關(guān)文獻(xiàn)中占50%以上。YAMAGUCHI等認(rèn)為，辣木蛋白具有豐富可用、成本低、可生物降解、無毒和多功能等特點(diǎn)，是一種可用于地表水處理的天然絮凝劑，可用其去除多種水污染物（如農(nóng)藥、染料和藥物等）。TAIWO等[2]從辣木種子中提取了分子量分別為14.2 kDa和30.3 kDa的辣木蛋白，用于處理水庫(kù)水，與常規(guī)化學(xué)絮凝劑（硫酸鋁）相比，辣木蛋白顯著降低了水的濁度（＜0.05 NTU）和有機(jī)污染物，同時(shí)使水中大腸菌群總量減少了58.18%。MAGALH?ES等[3]采用辣木蛋白去除含油廢水中的油脂，得到平均油脂去除效率為82.43%±0.70%。迪卡羅[4]使用電絮凝/辣木籽吸附耦合技術(shù)處理染料廢水，可以快速提高廢水中染料的去除效率，酸性黑1（AB1）和堿性紅2（BR2）的脫色率分別可達(dá)99.30%和94.00%。

2 辣木蛋白用于水處理的機(jī)理

目前對(duì)辣木蛋白凈水活性物質(zhì)有著多種解釋：其中一種認(rèn)為是吸附和電中和，即帶正電荷的辣木蛋白通過與帶負(fù)電荷的污染物通過靜電吸附現(xiàn)象相互結(jié)合，然后通過電中和作用從而改變污染物的電荷來導(dǎo)致水體內(nèi)產(chǎn)生電荷特征不同的區(qū)域，從而加劇了污染物的運(yùn)動(dòng)碰撞過程，得以進(jìn)一步通過電中和形成較大的絮凝體最終在重力作用下沉淀下來；另一種則認(rèn)為是水中的二價(jià)陽(yáng)離子與該物質(zhì)生成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)從而對(duì)污染物產(chǎn)生網(wǎng)捕、卷掃作用進(jìn)而得以除去水體中的污染物。

目前比較公認(rèn)的是辣木種子中的凈水活性成分是一種陽(yáng)離子型蛋白質(zhì)，等電點(diǎn)（pI）在10左右，分子量在6.5～14.0 kDa。而對(duì)于凈水機(jī)理，GHEBREMICHAEL等[5]認(rèn)為辣木提取液中帶正電的活性物質(zhì)與帶負(fù)電顆粒在庫(kù)侖力的作用下，使顆粒物間靜電排斥作用減少而脫穩(wěn)聚集，活性物質(zhì)又通過架橋的方式與其他顆粒聚集形成更大絮凝體；NDABIGENGESERE等[6]指出，吸附電中和是絮凝的主要機(jī)制，因?yàn)樘崛∫簬д姾墒切跄l(fā)生的先決條件；方曉敏[7]發(fā)現(xiàn)，分子量大于10 kDa的帶酰胺基陽(yáng)離子型蛋白可以改變懸濁液的電性，但單獨(dú)使用時(shí)并不能使高嶺土微粒聚結(jié)沉降，需要與辣木提取液中另外兩種小于10 kDa的陰離子型蛋白質(zhì)混合后才具有絮凝沉降作用；OKUDA等[8]則認(rèn)為，辣木所含有的活性物質(zhì)對(duì)濁度的去除機(jī)理既非吸附電中和，也非壓縮雙電層，而是水中的二價(jià)陽(yáng)離子與活性物質(zhì)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)起到網(wǎng)捕、卷掃作用的結(jié)果。顯然，更為清晰的辣木凈水蛋白絮凝機(jī)理需要深層次的研究和探討。

3 結(jié)語

絮凝是目前用于水中污染物去除的一種常用技術(shù)，由于絮凝涉及到水溶液化學(xué)、膠體與微界面化學(xué)、流體力學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，為絮凝過程及其機(jī)理研究增加了難度，對(duì)絮凝的有關(guān)機(jī)理還未完全明確。而隨著社會(huì)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的新污染物和人們對(duì)水質(zhì)需求的不斷提高，也為絮凝技術(shù)提出了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

天然辣木蛋白絮凝去除水中各種污染物的研究報(bào)道表明，辣木蛋白對(duì)水中溶解性染料等小分子有機(jī)污染物的去除效果比傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽絮凝劑更勝一籌。通過實(shí)驗(yàn)與模型相結(jié)合，分析并論證天然辣木蛋白絮凝反應(yīng)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)，揭示絮凝反應(yīng)機(jī)理將是今后值得探索的方向之一。