地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜固定化碳酸酐酶用于CO2捕獲

趙寶中, 賀艷, 鄧興發(fā), 肖培, 崔學(xué)民*

(1.廣西大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 廣西 南寧 530004;2.廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004)

0 引言

膜接觸器(membrane contactor, MC)是一種用于CO2分離的氣液接觸裝置,具有占地面積小、操作靈活、可模塊化等優(yōu)點(diǎn)[1-2],有望替代目前工業(yè)應(yīng)用中占地面積大、能耗高、易出現(xiàn)起泡、溢流等問題的傳統(tǒng)填料吸收塔[3]。由于接觸器使用的胺類吸收溶劑具有毒性和腐蝕性,對環(huán)境造成較大的危害[4-7],且較難解決高二氧化碳反應(yīng)速率和低再生能耗之間的矛盾,因此需要尋求一種綠色環(huán)保的催化劑并使用良性溶劑用于燃燒后碳捕獲[8-9],對從煙道氣中將溫室氣體的集中處理來抑制大量CO2排放造成的全球氣候問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10-11]。

碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)是一種可高效催化CO2水合反應(yīng)的含鋅生物酶,可以在良性溶劑中實(shí)現(xiàn)對CO2的高效催化轉(zhuǎn)化,據(jù)報(bào)道,在CA催化下,CO2的水合速率可以提高數(shù)千萬倍[12]。CA本身具有環(huán)保、無毒、可生物降解等優(yōu)勢,將CA在良性溶劑中催化CO2高效水合反應(yīng)與易得的膜技術(shù)結(jié)合起來具有許多優(yōu)點(diǎn),不僅提高了CA的循環(huán)使用性能,并且固定在載體上的CA對于環(huán)境適應(yīng)性也顯著增強(qiáng)[13],且吸收裝置成本低,對CO2選擇性高,易于線性放大,環(huán)境友好。最早Suchdeo等[14]嘗試將CA溶解在溶液中,并用2層疏水膜夾住該溶液來制備液膜反應(yīng)器,然而這種膜穩(wěn)定性差且液膜蒸發(fā)限制了反應(yīng)器的長期運(yùn)行。Hou等[15]將碳納米管(carbon nanotubes, CNTs)涂覆在聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)膜上,制備了Janus膜,該膜具有親水-超疏水性,在親水側(cè)負(fù)載CA可以保留30%的CA活性,然而這種膜制備難度大,難以進(jìn)一步利用。Xu等[16]在PVDF中空纖維膜一側(cè)固定CA,但是難以克服PVDF材料浸泡在溶劑中因膜潤濕和溶脹而帶來的CO2通量顯著降低的問題。Rasouli等[2]制備了有機(jī)物改性的聚丙烯(polypropylene, PP)平板膜用于CA固定化,可以獲得54.3%的CA負(fù)載率和19.4%的酶活回收率,盡管獲得了比較高的酶固定化收率,但是由于共價(jià)固定和有機(jī)物對CA結(jié)構(gòu)的不利影響,因此酶的固定化效率有所降低。目前固定CA的膜接觸器均以有機(jī)聚合物膜為主,在反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行時(shí),基底材料的特性導(dǎo)致的堵孔問題使得CO2傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)降低。綜合已發(fā)表的成果,由于目前用于固定CA的載體普遍存在制備方法復(fù)雜、成膜強(qiáng)度低的問題,因此難以實(shí)際應(yīng)用[17-18]。

無機(jī)膜具有耐高溫、耐酸堿、強(qiáng)度高、制作成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于氣固分離、液固分離、液液分離、光電催化等領(lǐng)域[19]。Merle等[20]使用電聚合的方法在大孔隙率的大孔碳泡沫上負(fù)載CA,該方法獲得的固定化酶在70 ℃的胺溶劑中靜置42 d后保留了40%的初始活性,顯著提高了CA的熱穩(wěn)定性,但是大孔材料的使用無法有效地提高CA的負(fù)載量。地質(zhì)聚合物是一種由[SiO4]和[AlO4]-四面體單元組成的具有三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的凝膠材料,其結(jié)構(gòu)類似于介孔沸石材料,可以用偏高嶺土或工業(yè)廢料(礦渣、粉煤灰、硅灰等)在100 ℃以下、堿性溶液激發(fā)下綠色環(huán)保地制備[21],整個(gè)制備過程操作簡單,幾乎沒有溫室氣體產(chǎn)生[22]。由于地質(zhì)聚合物具有與CA分子直徑匹配的介孔結(jié)構(gòu),可以提供充足的比表面積,這是大多數(shù)有機(jī)材料所不具備的特性,并且內(nèi)部富含羥基,可以很方便地用各種富官能團(tuán)的化合物進(jìn)行化學(xué)修飾[23],因此是固定CA理想的候選材料。

為了解決目前普遍存在的CA固定化載體難以規(guī)?；a(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用的問題,本研究中設(shè)計(jì)了地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜用于負(fù)載CA。該膜以來源廣泛的偏高嶺土和工業(yè)廢棄物高爐礦渣為原料,在60 ℃下通過一步法工藝制備,整個(gè)制備過程綠色環(huán)保,操作簡單,易于放大,可規(guī)?；a(chǎn)。本文中通過應(yīng)用交聯(lián)劑戊二醛預(yù)先修飾膜材料介孔結(jié)構(gòu),用循環(huán)過濾的方式負(fù)載了CA,探索了將CA固定在地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜上的最佳條件,研究了獲得的固定化酶的酶學(xué)性質(zhì),測試了固定化酶復(fù)合膜在CO2捕獲和分離中的表現(xiàn),并對固定化酶復(fù)合膜進(jìn)行了長時(shí)間的循環(huán)使用性能測試。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

主要實(shí)驗(yàn)原料:偏高嶺土(內(nèi)蒙古超牌高嶺土有限公司)、粒狀高爐礦渣〔廣西北海誠德(集團(tuán))有限公司〕,它們的化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。其他實(shí)驗(yàn)材料還有鈉水玻璃(南寧市大成化工有限責(zé)任公司);氫氧化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%)、過氧化氫(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)、十二烷基硫酸鈉和氯化鈣(廣東光華科技股份有限公司);乙腈、乙酸對硝基苯酯(p-nitrophenyl acetate,p-NPA)和對硝基酚(p-nitrophenol, p-NP)(上海麥克林生化科技股份有限公司);三(羥甲基)氨基甲烷〔tris(hydroxymethyl)aminomethane,Tris〕、戊二醛(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);碳酸酐酶(牛紅細(xì)胞,美國Sigma-Aldrich公司);去離子水(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)。

表1 偏高嶺土、粒狀高爐礦渣的化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Chemical composition and content of metakaolin and granulated blast furnace slag 單位:%

采用N2吸附儀(Gemini VII2390型,美國Micromeritics公司)測定樣品的結(jié)構(gòu)特征和孔隙特性,通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hitachi SU8220型,日本Hitachi公司)觀察濺射金屬后的形貌,使用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet iS50型,美國Nicolet公司)分析樣品表面官能團(tuán)信息,X射線粉末衍射(MiniFlex600型,日本Hitachi Rigaku公司)用于分析固體樣品的結(jié)晶度,采用X射線光電子能譜儀(Thermo Scientific K-Alpha型,美國Thermo Fisher科技公司)測定樣品的原子質(zhì)量分?jǐn)?shù),使用紫外-可見分光光度計(jì)(UV-2600型,日本Shimadzu公司)測定溶液樣品的吸光度。

1.2 地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的制備與酶活性測試

1.2.1 地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的制備

固定化酶復(fù)合膜的制備與性能測試流程如圖1所示。

圖1 固定化酶復(fù)合膜的制備與性能測試流程Fig.1 Preparation and performance testing process of immobilized enzyme composite membrane

將偏高嶺土、粒狀高爐礦渣各25.00 g混合均勻,加入模數(shù)為1.3的鈉水玻璃50.00 g及去離子水6.25 g,攪拌機(jī)以轉(zhuǎn)速為2 000 r/min攪拌2 min,隨后加入十二烷基硫酸鈉0.06 g、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過氧化氫1.00 g,繼續(xù)攪拌1 min得到鑄模漿料。將漿料均勻倒入圓柱管式模具中,放在振蕩臺上振蕩1 min,然后放入60 ℃烘箱中養(yǎng)護(hù)24 h。脫模,得到實(shí)驗(yàn)所需的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜。由于制備的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜是堿激發(fā)材料,因此在正式實(shí)驗(yàn)前要對地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜進(jìn)行清洗,以去除材料中殘留的堿。

1.2.2 CA固定化

選擇高度為6 cm、外直徑為3 cm、內(nèi)直徑為1 cm的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜為實(shí)驗(yàn)載體。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的戊二醛溶液5 mL 注入地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜內(nèi)表面,在重力作用下,戊二醛溶液會從膜內(nèi)表面通過膜,再從膜外表面滲出。收集滲出的液體,將其再次注入膜內(nèi)表面,持續(xù)30 min。

隨后以被戊二醛修飾過的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜為實(shí)驗(yàn)對象,將含有1 mg CA的Tris-HCl緩沖溶液5 mL(pH=8.0,0.05 mol/L)注入地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜內(nèi)表面,以同樣的方式循環(huán)負(fù)載2 h,收集負(fù)載后的濾液,記為A液。用Tris-HCl緩沖溶液5 mL 清洗管式膜3次,獲得固定化酶復(fù)合膜,收集洗劑液,記為B液。混合A液、B液,用Bradford法[24]測定A、B混合液中的酶量,用差量法即可得到固定化酶復(fù)合膜的CA負(fù)載量。將固定化酶復(fù)合膜浸入Tris-HCl緩沖溶液(pH=8.0,0.05 mol/L)中,在4 ℃下貯存。

采用控制變量的方法研究在負(fù)載過程中溫度、pH值、膜厚度、戊二醛用量、改性時(shí)間、交聯(lián)時(shí)間等條件對固定化過程的影響。

1.2.3 酶活性測試

由于CA對p-NPA具有較強(qiáng)的親和性[25],因此采用酶酯法檢測游離酶和固定化酶復(fù)合膜的活性。

① 游離酶活性測試。將濃度為3 mmol/L的p-NPA(乙腈為溶劑)0.1 mL 與Tris-HCl緩沖液4 mL(pH=8.0,0.05 mol/L)混合均勻,加入酶液1 mL,用紫外-可見分光光度計(jì)測定溶液在波長為348 nm、反應(yīng)時(shí)間為3 min的吸光度值,以不加酶的緩沖液為空白對照。

② 固定化酶復(fù)合膜活性測試。將濃度為3 mmol/L的p-NPA(乙腈為溶劑)0.1 mL 與Tris-HCl緩沖液5 mL (pH=8.0,0.05 mol/L)混合均勻,將溶液注入固定化酶復(fù)合膜的內(nèi)表面,使液體與固定化酶復(fù)合膜循環(huán)接觸,用紫外-可見分光光度計(jì)測定溶液在波長為348 nm、反應(yīng)時(shí)間為3 min的吸光度值,以洗堿后未負(fù)載酶的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜為空白對照。固定化效率通過酶活性回收率和相對酶活來描述[26-27]。

1.3 酶學(xué)性質(zhì)研究

為了測定環(huán)境溫度、pH值對酶活性的影響,以不同溫度處理酶4 h測定其熱穩(wěn)定性,在溫度為4 ℃下長時(shí)間貯存來測定其貯藏穩(wěn)定性,多次循環(huán)使用測定酶的循環(huán)使用性能。

1.4 測定動(dòng)力學(xué)常數(shù)

為了獲得游離酶與固定化酶復(fù)合膜的表觀動(dòng)力學(xué)參數(shù),用紫外-可見分光光度計(jì)測定游離酶和固定化酶復(fù)合膜催化不同濃度(0.5、1、3、5、10 mmol/L)的p-NPA溶液的水解速率,根據(jù)反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系繪制雙倒數(shù)圖。酶促反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系由Lineweaver-Burk雙倒數(shù)方程給出。

1.5 CO2捕獲和分離性能測試

為了探索酶負(fù)載量、CO2流速、pH值、溫度及長時(shí)間的循環(huán)流動(dòng)測試對固定化酶復(fù)合膜捕獲CO2性能的影響,將固定化酶復(fù)合膜放置在如圖1所示氣密性良好的實(shí)驗(yàn)裝置上,將Tris-HCl緩沖溶液100 mL (pH=8.0,0.05 mol/L)注入反應(yīng)器中,同時(shí)開啟換熱裝置,當(dāng)緩沖溶液以及固定化酶復(fù)合膜溫度達(dá)到25 ℃時(shí),開啟CO2閥門并開始計(jì)時(shí),控制CO2氣流(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%)體積流量為100 mL/min,記錄緩沖溶液pH值降為7.0以及pH值不再減小所需的時(shí)間,當(dāng)pH值在30 s內(nèi)不再發(fā)生變化時(shí)關(guān)閉CO2閥門,立即轉(zhuǎn)移反應(yīng)后的緩沖溶液到150 mL燒杯中,加入濃度為0.1 mol/L的Tris溶液15 mL、濃度為2.5 mol/L的CaCl2溶液5 mL,此時(shí)溶液立刻渾濁,用玻璃棒攪拌均勻后,立刻用保鮮膜封口,靜置1 h后過濾,烘干濾渣并稱重。

2 結(jié)果與討論

2.1 地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的結(jié)構(gòu)特征

通過調(diào)整膜制備過程中過氧化氫的用量,制備出了6種不同水通量的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜,其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 6種地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of six geopolymer tubular inorganic membrane pores

從表2可見,一方面,水通量較大的膜具有較大的比表面積,意味著該膜能提供更多的酶附著位點(diǎn);另一方面,隨著制備的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜水通量不斷增大,其平均孔徑迅速變大。盡管平均孔徑更大的膜比表面積也很大,但根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),這不利于酶的負(fù)載[28],因此,在權(quán)衡利弊后,本文中選擇了水通量為900 L/(m2·h)的地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。此外,由于CA分子的顆粒尺寸約為5 nm×4 nm×4 nm(長度×寬度×高度)[28],這種材料豐富的介孔結(jié)構(gòu)為酶的負(fù)載提供了足夠的結(jié)合位點(diǎn),這是獲得良好酶固定效果的基礎(chǔ)[29]。

2.2 負(fù)載的最優(yōu)化研究

為了獲得酶活性回收率最大的固定化酶復(fù)合膜,采用單變量法對影響碳酸酐酶固定效果的因素進(jìn)行充分研究。不同操作條件對固定碳酸酐酶的影響如圖2所示。

(a) 溫度

(b) pH值

(c) 膜厚度

(d) 戊二醛用量

(e) 改性時(shí)間

(f) 交聯(lián)時(shí)間圖2 不同操作條件對固定碳酸酐酶的影響Fig.2 Effects of different operating conditions on the immobilization of CA

從圖2可見,溫度、pH值和戊二醛用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對酶負(fù)載有顯著影響。溫度過低或過高、環(huán)境過酸或過堿都不利于酶的固定。當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí),酶分子在膜中的擴(kuò)散速度較慢;當(dāng)溫度高于30 ℃或處于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿環(huán)境中時(shí),酶分子結(jié)構(gòu)容易受到破壞,導(dǎo)致固定過程中大量酶活性喪失。

重要的是,戊二醛作為一種交聯(lián)劑,在固定化過程中影響很大。當(dāng)戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.4%時(shí),固定化酶復(fù)合膜的酶活性回收率隨戊二醛用量的增加而增大,然而,當(dāng)戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.4%時(shí),戊二醛的強(qiáng)交聯(lián)作用破壞了酶的分子結(jié)構(gòu),酶的活性回收率迅速減小。這種情況下雖然CA可以被固定在地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜上,但活性卻大大降低。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),膜的厚度對酶的負(fù)載量沒有明顯影響,負(fù)載過程主要取決于無機(jī)膜對酶分子的截留作用,因此,孔徑大小以及酶分子在流經(jīng)孔隙的過程中與地聚物表面的相互作用在酶固定化過程中起著非常重要的作用。

根據(jù)上述對負(fù)載過程的深入研究,得出制備性能最好的固定化酶復(fù)合膜的最佳條件為:pH值為8.0,溫度為30 ℃,膜厚度為7 mm,戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%,改性時(shí)間為1.5 h,交聯(lián)時(shí)間為2 h。

2.3 酶學(xué)性質(zhì)

2.3.1 溫度、pH值對酶活性的影響

游離酶和固定化酶復(fù)合膜的酶學(xué)性質(zhì)如圖3所示。其中圖3(a)、圖3(b)分別對比了在不同溫度、pH值時(shí)的固定化酶復(fù)合膜和游離酶的活性。從圖3(a)可見,固定化酶復(fù)合膜的最適反應(yīng)溫度相比游離酶提高了5 ℃,說明游離酶與地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜結(jié)合后對環(huán)境溫度的容忍性有所提高[13]。從圖3(b)可見,最適反應(yīng)pH值從7.5提高到8.0,相對游離酶在一定程度上的pH值變化,固定化酶復(fù)合膜的活性降幅更小,說明CA固定化后,對pH值具有了一定的緩沖能力[13]。

(a) 溫度對酶活性的影響

(b) pH值對酶活性的影響

(c) 不同溫度處理4 h后酶的活性

(d) 4 ℃下貯藏若干天后酶的活性

(e) 固定化酶的循環(huán)性能

(f) 酶的Lineweaver-Burk雙倒數(shù)圖圖3 游離酶和固定化酶復(fù)合膜的酶學(xué)性質(zhì)Fig.3 Enzymatic properties of free and immobilized enzyme composite membrane

2.3.2 酶的熱穩(wěn)定性、貯藏穩(wěn)定性和循環(huán)使用性能

選取最佳固定化條件下得到的固定化酶復(fù)合膜和游離酶進(jìn)行了熱穩(wěn)定性測試,結(jié)果如圖3(c)所示。固定化酶復(fù)合膜在30 ℃達(dá)到最佳反應(yīng)活性。隨著溫度的繼續(xù)升高,固定化酶復(fù)合膜的活性均高于游離酶的活性,當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃,游離酶活性剩余10.1%,而固定化酶復(fù)合膜活性仍然可以保留32.0%,說明固定化酶復(fù)合膜相對游離酶對高溫的容忍性更強(qiáng),原因是酶分子與地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的多點(diǎn)固定限制了酶的構(gòu)象靈活性[30]。

在4 ℃下貯藏60 d后,固定化酶復(fù)合膜仍保留了52.0%的相對活性,而游離酶僅剩余23.0%的相對活性[圖3(d)],說明固定化CA具有較好的貯藏穩(wěn)定性,原因是酶分子固定在地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜上限制了酶分子自身的運(yùn)動(dòng)[31]。以上結(jié)果表明,固定化酶復(fù)合膜比游離形式更耐熱,并且在整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)表現(xiàn)出良好的儲存穩(wěn)定性。經(jīng)過連續(xù)30次循環(huán)使用,固定化酶復(fù)合膜仍能保留67.8%的相對活性[圖3(e)],活性降幅較少,說明固定化酶復(fù)合膜酶浸出較少[32],酶的固定化效果優(yōu)異。

2.4 動(dòng)力學(xué)常數(shù)

動(dòng)力學(xué)研究對于評價(jià)酶的催化活性至關(guān)重要,使用不同濃度的p-NPA底物對游離酶和固定化酶復(fù)合膜進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)測試,反應(yīng)速率與底物濃度的關(guān)系如圖3(f)所示,游離酶和固定化酶復(fù)合膜的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表3。從表3可見,游離酶的最大反應(yīng)速率Vmax、米氏常數(shù)Km、實(shí)際催化效率(kcat/Km,kcat為實(shí)際反應(yīng)速率)分別為0.19 mmol/(L·min)、2.18 mmol/L、314.23 L/(mol·s),固定化后Vmax增大了2.4倍,為0.64 mmol/(L·min)。Km有所增大,說明CA在固定化后對底物的親和性降低,這可能是CA在固定化過程中空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所致[33]。同時(shí),固定化后,CA的部分催化活性位點(diǎn)被隱藏,底物在與酶的活性位點(diǎn)接觸時(shí)存在一定的阻力[34],導(dǎo)致酶與底物的親和性降低。固定到地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜上時(shí),CA與地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜發(fā)生共價(jià)結(jié)合,部分活性位點(diǎn)被破壞,導(dǎo)致固定化酶復(fù)合膜的kcat/Km有所降低。

表3 游離酶和固定化酶復(fù)合膜的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.3 Kinetic parameters of free CA and GM-CA

2.5 CO2捕獲性能測試

2.5.1 CO2氣體流速和酶用量的影響

CO2氣體流速和酶用量對CO2捕獲測試的影響如圖4所示。對于具有相同酶負(fù)載量的固定化酶復(fù)合膜,隨著CO2氣體流速的增大,催化反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間明顯減少,尤其在氣體體積流量從50 mL/min增大至100 mL/min時(shí),反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間成倍減少,這可能是由于氣體體積流量的增大加速了固定化酶內(nèi)表面流體的擾動(dòng),降低了CO2分子的外擴(kuò)散阻力。當(dāng)氣體體積流量大于150 mL/min時(shí),反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間幾乎不再減少,表明固定化酶復(fù)合膜與CO2的反應(yīng)能力達(dá)到飽和[16],此時(shí)為內(nèi)擴(kuò)散控制,受到固定化酶復(fù)合膜內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的影響。特別地,當(dāng)CO2氣體體積流量為50 mL/min時(shí),地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜對照組二氧化碳水合反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間超過30 min,礦化反應(yīng)得到的碳酸鈣質(zhì)量小于125 mg,而固定化酶復(fù)合膜實(shí)驗(yàn)組催化反應(yīng)達(dá)到平衡所需時(shí)間縮短至14 min以下,碳酸鈣質(zhì)量增加25 mg以上,說明盡管溶液持續(xù)變酸性對于CO2的水合反應(yīng)速率有明顯的抑制作用,然而固定化酶仍然能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到CO2在溶液中的水合反應(yīng)極限。反觀對照組,CO2在溶液中的水合反應(yīng)極限在有限的時(shí)間內(nèi)很難達(dá)到。同時(shí)可以看到,固定化酶復(fù)合膜在較低的酶負(fù)載量下就可以得到較好的催化效果,且CO2水合反應(yīng)速率以及給定時(shí)間內(nèi)的碳捕獲量可以通過增加酶的負(fù)載量進(jìn)一步提高。

(a) 無酶負(fù)載

(b) 1 mg酶負(fù)載

(c) 2 mg酶負(fù)載圖4 CO2氣體流速和酶用量對CO2捕獲測試的影響Fig.4 Effects of CO2 gas flow rate and enzyme dosage on CO2 capture testing

2.5.2 溫度和pH值的影響

溫度和pH值對CO2捕獲性能的影響如圖5所示。從圖5(a)可見,溫度對于CO2捕獲測試具有顯著的影響,隨著溫度從20 ℃升高到35 ℃,反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢,表明溫度的升高有助于CO2在膜孔隙內(nèi)擴(kuò)散,從而更好地與固定在膜上的酶分子充分接觸和反應(yīng)。隨著溫度的繼續(xù)升高,反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間開始增加,表明固定化酶復(fù)合膜在35 ℃達(dá)到最佳反應(yīng)活性,過高的溫度使得部分酶分子結(jié)構(gòu)遭到破壞而失活。值得注意的是,在溫度從35 ℃升高到40 ℃的過程中,得到的碳酸鈣沉淀量繼續(xù)增大,表明較高溫度對于CO2在膜內(nèi)的擴(kuò)散具有明顯的促進(jìn)作用。

(a) 溫度

(b) pH值圖5 溫度和pH值對CO2捕獲性能的影響Fig.5 Effects of temperature and pH on CO2 capture performance

從圖5(b)可見,pH值為7.0～8.0時(shí),反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間沒有明顯的變化,隨著pH值繼續(xù)增大,反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間開始增加,表明固定化酶復(fù)合膜在pH=8.0時(shí)達(dá)到了最佳反應(yīng)活性,在pH值大于8.0的溶液中,固定化酶復(fù)合膜發(fā)生部分失活,從而使得反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間明顯增加。由于溶液的堿濃度對于CO2吸收也有一定的影響,因而在pH值為8.0～9.0的溶液中,反應(yīng)后得到的碳酸鈣沉淀量也有略微增加。

固定化酶在循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)中的催化性能如圖6所示。從圖6中可以看出,空白地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜組在通入CO220 min后,溶液pH值才逐漸趨于穩(wěn)定,而固定化酶復(fù)合膜組在5次循環(huán)中均在前5 min溶液的pH值就會降到最低點(diǎn),且相對于空白地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜組,在固定化酶復(fù)合膜催化下反應(yīng)溶液在30 min內(nèi)所能達(dá)到的pH值平衡點(diǎn)低于空白地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜組1 ～ 2個(gè)pH值單位,與圖4的結(jié)果一致,表明固定化酶復(fù)合膜催化CO2水合作用效果顯著。在5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中,反應(yīng)液所能達(dá)到的最低pH值逐漸升高,這是因?yàn)殚L時(shí)間的連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)使得固定化酶復(fù)合膜長時(shí)間處于酸性的溶液中,這對于碳酸酐酶分子活性的保持是非常不利的。盡管如此,從5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看,固定化酶復(fù)合膜在長時(shí)間的催化測試下均展現(xiàn)了良好的捕獲CO2的能力,從另一方面說明該固定化酶復(fù)合膜具有出色的pH值耐受性,可以在低pH值的環(huán)境下工作。

圖6 固定化酶在循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)中的催化性能Fig.6 Catalytic performance of immobilized enzyme in the continuous flow system

2.5.3 CO2捕獲循環(huán)性能測試與固定化酶催化反應(yīng)機(jī)制分析

生物催化復(fù)合地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜和氣液接觸過程中的CO2捕獲示意圖如圖7所示。由圖7可見,在被戊二醛分子修飾的多孔地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜中,由于CA分子尺寸受5 nm×4 nm×4 nm(長度×寬度×高度)的限制[28],CA分子在循環(huán)過濾(流經(jīng)大孔)的過程中,選擇性地被固定在地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的介孔結(jié)構(gòu)中。相應(yīng)地,CO2分子在推動(dòng)力作用下不斷地進(jìn)入液相,在膜的介孔內(nèi)擴(kuò)散并與CA分子接觸,迅速轉(zhuǎn)化為H+和HCO3-,并持續(xù)在CA分子周圍積累,一方面酸性的增加限制了CA分子結(jié)構(gòu)的保持,另一方面產(chǎn)物持續(xù)的積累使得反應(yīng)正向進(jìn)行產(chǎn)生阻礙。此時(shí)由于膜內(nèi)外濃度梯度的存在,以及額外的流體擾動(dòng)將產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到外部溶液中,使得反應(yīng)能夠繼續(xù)快速地進(jìn)行下去。從這一過程中可以得到啟發(fā):一方面,增加氣體流量或者額外的惰性氣體有助于CO2在膜間的傳質(zhì);另一方面,避免長時(shí)間處于酸性的環(huán)境中有利于固定化酶復(fù)合膜活性的保持,亦即通過外部輔助手段增加膜外部環(huán)境中液體的湍流,從而快速轉(zhuǎn)移出膜內(nèi)的產(chǎn)物或及時(shí)更換持續(xù)變得酸性的溶液。

圖7 生物催化復(fù)合地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜和氣液接觸過程中的CO2捕獲示意圖Fig.7 Schematic illustration of the biocatalytic composite GM and CO2 absorption in MC process

2.6 地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜和固定化酶復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和成分分析

2.6.1 SEM分析

負(fù)載CA前、后膜的結(jié)構(gòu)特征和孔隙特征如圖8所示。從圖8(a)可見,地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜具有大量的大孔,這種大孔結(jié)構(gòu)可以有效地增大膜內(nèi)液體和氣體的通量。地質(zhì)聚合物在微觀上具有明顯的介孔結(jié)構(gòu),大量的孔隙增大了膜的比表面積,有助于酶在膜內(nèi)的擴(kuò)散和附著。從圖8(b)可見,由于CA在地質(zhì)聚合膜的介孔結(jié)構(gòu)中與有機(jī)物交聯(lián),負(fù)載酶后地質(zhì)聚合膜的介孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化[35]。這些變化使得地質(zhì)聚合膜原本清晰的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加蓬松,從而大大增加了地質(zhì)聚合膜的比表面積,并極大地增強(qiáng)了CO2分子在孔隙中的擴(kuò)散和吸附能力。

(a) 負(fù)載前

(b) 負(fù)載后圖8 負(fù)載CA前、后膜的結(jié)構(gòu)特征和孔隙特征Fig.8 Structural and pore characteristics of the membrane before and after loading with carbonic anhydrase

2.6.2 FTIR分析

為了觀察地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜負(fù)載CA前、后表面化學(xué)鍵的變化,在傅里葉紅外光譜儀上使用KBr壓片技術(shù)對不同的固體粉末樣品進(jìn)行測試。加入緩沖液處理地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜是為了避免緩沖液對地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜紅外分析的干擾。CA、緩沖液處理地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜、地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜和固定化酶復(fù)合膜的FTIR譜圖如圖9所示。

2.6.3 XRD和XPS分析

不同樣品的XRD、XPS譜圖如圖10所示。在負(fù)載CA前、后,地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的XRD光譜基本保持不變,表明地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜在負(fù)載酶前、后都保持了原有的凝膠結(jié)構(gòu)[40]。膜的原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)也通過XPS進(jìn)行了分析[圖10(b)和表4]。在負(fù)載酶前、后膜的原子含量沒有發(fā)生明顯變化,表明在負(fù)載過程中地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜的材料成分沒有發(fā)生變化。上述表征結(jié)果共同說明了膜在操作過程中的穩(wěn)定性。

(a) XRD譜圖

(b) XPS譜圖 圖10 不同樣品的XRD、XPS譜圖Fig.10 XRD spectra and XPS spectra of different samples

表4 通過XPS測定地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜和固定化酶復(fù)合膜的原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.4 Atomic percentage on GM and GM-CA determined by XPS 單位:%

3 結(jié)論

本文中以偏高嶺土和粒狀高爐礦渣為原料制備了地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜用于負(fù)載CA,并對負(fù)載條件進(jìn)行了探索,發(fā)現(xiàn)在最佳條件下獲得的固定化酶復(fù)合膜具有高達(dá)63.7%的酶活性回收率。固定化酶復(fù)合膜在連續(xù)循環(huán)使用30次后,仍然可以保留67.8%的相對活性。固定化酶復(fù)合膜在4 ℃下貯藏60 d后仍然有52.0%的相對活性。與有機(jī)膜相比,該膜在酶活性回收率和操作穩(wěn)定性方面都有顯著提高。

在CO2捕獲測試中,相對于未負(fù)載CA的空白膜,固定化酶復(fù)合膜催化CO2水合反應(yīng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間縮短至14 min以下,礦化實(shí)驗(yàn)中,固定化酶復(fù)合膜催化下得到的CaCO3質(zhì)量相較對照組多25 mg以上,說明固定化酶復(fù)合膜對CO2水合反應(yīng)的催化效率顯著,在排除低pH值對酶反應(yīng)活性的不利影響后,固定化酶復(fù)合膜會有更加優(yōu)異的表現(xiàn)。

地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜制備成本低,機(jī)械強(qiáng)度高,因此地質(zhì)聚合物管狀無機(jī)膜作為載體的固定化酶復(fù)合膜具有良好的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值,對于燃燒后捕獲CO2有重要的應(yīng)用前景。