毛 玲 何星存 鄭 波 蘇小建# 韋鴻飛 何星基 蔡國(guó)華

(1.廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.賀州學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 賀州 542899；3.桂林奧尼斯特節(jié)能環(huán)保技術(shù)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(guò)0.003 μg/m3，水中不超過(guò)10 μg/L，土壤中不超過(guò)0.5 mg/kg[1-2])，但鎘是一種毒性很大的重金屬，可以通過(guò)食物鏈富集進(jìn)入人體，鎘在人體內(nèi)形成的鎘硫蛋白通過(guò)血液累積在肝、腎和骨骼中，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)認(rèn)定為第一類(lèi)污染物[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)處理含鎘廢水的研究很多，主要處理方法有化學(xué)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(jiǎn)單且應(yīng)用廣泛的方法，但是吸附劑價(jià)格高、吸附效率低是限制其被廣泛應(yīng)用的原因，因此尋找廉價(jià)、高效、選擇性強(qiáng)且易于再生的吸附劑是吸附法的研究熱點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)中的氨基和羧基對(duì)重金屬具有螯合作用[10-11]。長(zhǎng)期以來(lái)，制絲及紡織工業(yè)產(chǎn)生的絲膠蛋白沒(méi)有得到利用，而是將其隨廢水一起排放，既浪費(fèi)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(duì)環(huán)境的污染，又能實(shí)現(xiàn)廢物資源的再生利用，達(dá)到“以廢治廢”的目的。由于絲膠蛋白水溶性極好，與重金屬結(jié)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(lái)使用。本研究通過(guò)對(duì)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(jī)械強(qiáng)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(rùn)土[13]、沸石[14])相比，具有價(jià)格低廉、選擇吸附性好、處理效率高的特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

煮繭廢水(實(shí)驗(yàn)室自制，絲膠蛋白質(zhì)量濃度為8 mg/mL)；戊二醛，體積分?jǐn)?shù)為25%，若無(wú)特殊說(shuō)明，都稀釋為2%使用；乙酸溶液，體積分?jǐn)?shù)為2%；50 mmol/L檸檬酸緩沖液(pH=5.0)；生理鹽水，NaCl質(zhì)量分?jǐn)?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(guó)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(jì)。

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(chēng)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(guò)量1 mol/L氫氧化鈉溶液中，過(guò)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(guò)夜；(2)稱(chēng)取1 g步驟(1)中處理過(guò)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(yù)處理方法同吸附—交聯(lián)法的步驟(1)；(2)稱(chēng)取1 g步驟(1)中處理過(guò)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(chēng)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(guò)量1 mol/L氫氧化鈉溶液中，過(guò)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(guò)夜；(2)稱(chēng)取1 g步驟(1)中處理過(guò)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(guò)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(guò)量氯化鈣溶液中，濾出凝膠小球；(2)稱(chēng)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(shí)驗(yàn)

稱(chēng)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(wú)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(cè)定吸附前后Cd2+濃度，并按式(1)計(jì)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(jié)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(shí)驗(yàn)

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(jié)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?yàn)樵跉ぞ厶欠肿又?，有相?dāng)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(jī)械性能良好、化學(xué)穩(wěn)定性高的固定化載體[15]。因此，從酸堿穩(wěn)定性考慮，應(yīng)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，用包埋—交聯(lián)法制備的固定化絲膠蛋白對(duì)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(duì)有干擾離子的含Cd2+廢水處理效果不佳，但其對(duì)無(wú)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(fù)1.3節(jié)無(wú)干擾離子的含Cd2+廢水吸附實(shí)驗(yàn)。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(jié)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(duì)Cd2+的吸附量逐漸降低。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)Cd2+的吸附效果影響

稱(chēng)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(jìn)行固定化，得到殼聚糖固定化絲膠蛋白。殼聚糖濃度不同對(duì)制成的固定化絲膠蛋白成球效果差異很大(見(jiàn)表1)，其中殼聚糖質(zhì)量濃度為15 g/L或20 g/L時(shí)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(duì)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(duì)無(wú)干擾離子的含Cd2+廢水進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)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(duì)Cd2+的吸附量逐漸升高。殼聚糖質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí)，Cd2+的吸附量達(dá)到最大，之后逐漸降低。這是因?yàn)檫^(guò)量的殼聚糖會(huì)使固定化絲膠蛋白機(jī)械強(qiáng)度過(guò)高，表面致密，影響Cd2+的空間擴(kuò)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(duì)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(duì)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(shè)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(jìn)行固定化，得到殼聚糖固定化絲膠蛋白，對(duì)無(wú)干擾離子的含Cd2+廢水進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為2∶1時(shí)，無(wú)法制備出成形的固體顆粒，故不再考慮。從圖4來(lái)看，當(dāng)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(shí)，Cd2+的吸附量逐漸增加。當(dāng)煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為1∶1時(shí)，吸附量達(dá)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(duì)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?jǐn)?shù)對(duì)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(jìn)行固定化，得到固定化絲膠蛋白，考察戊二醛體積分?jǐn)?shù)為1%、2%、4%、6%、8%對(duì)無(wú)干擾離子的含Cd2+廢水的吸附效果影響，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，戊二醛體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)Cd2+吸附量最大，達(dá)到102.72 mg/g；戊二醛體積分?jǐn)?shù)過(guò)高或過(guò)低時(shí)Cd2+吸附量均較低。這是因?yàn)槲於┘仁枪潭ɑ磻?yīng)的交聯(lián)劑，又是蛋白質(zhì)的變性劑[19]。因此，戊二醛體積分?jǐn)?shù)以2%為宜。

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

3 結(jié) 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?jǐn)?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(jī)械強(qiáng)度適中，對(duì)Cd2+的吸附量最大達(dá)到102.72 mg/g。

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