三乙烯四胺/丁二酸酐修饰啤酒废酵母菌吸附日落黄的研究

目前,我国染料废水污染十分严重,染料废水的排放量已占工业废水总量的10%,对环境构成极大的威胁。常用的染料废水去除方法有絮凝[1]、氧化或臭氧化[2,3]、膜分离[4]和活性炭吸附[5]等,均存在操作复杂、费用较高等缺点[6]。生物吸附法是利用生物体或其衍生物吸附废水中的染料，由于微生物对金属离子的吸附具有速度快、选择性高、吸附容量大等优点[7],近年来关于新型生物吸附剂的开发、吸附工艺和机理等方面的研究日趋深入，其中寻找廉价易得、可再生的生物吸附材料已成为研究热点。

利用发酵工业产生的废弃生物菌体作为吸附基质，不仅可降低生物吸附剂的生产成本，而且可减少废弃物处理带来的困扰[8]。啤酒废酵母菌是死体菌，表面含有氨基、羟基和少量羧基，与活体菌相同，适合于经交联、接枝制备生物吸附剂。

作者在此用戊二醛交联啤酒废酵母菌[9]，再接枝丁二酸酐，然后引入三乙烯四胺，制得了新的生物吸附剂，即修饰酵母菌，用红外光谱对其进行了表征。并以染料日落黄为吸附对象,研究了pH值、染料浓度、吸附时间等因素对修饰酵母菌和未修饰酵母菌吸附性能的影响。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

啤酒废酵母菌，湖北某啤酒厂。

丁二酸酐(化学纯)、50%戊二醛、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、三乙烯四胺，国药集团化学试剂有限公司;日落黄，天津市光复精细化工研究所；其它试剂均为分析纯；实验用水为去离子水。

CR22G型高速离心机，日本日立公司；721型分光光度计；SHZ-03型恒温水浴摇床，上海堪鑫仪器设备有限公司；TGL-16G型台式离心机，上海安亭科学仪器厂；NEXUS 470型智能型傅立叶红外光谱仪(FTIR)，美国珀金-埃尔默公司;UV23600 型紫外分光光度计，日本岛津公司;PHS-3C型精密酸度计，上海虹益仪表有限公司。

1.2 三乙烯四胺/丁二酸酐修饰菌的制备

1.2.1 啤酒废酵母菌的预处理

称取15.0 g过筛100～120目的废酵母菌于250 mL锥形瓶中，加150 mL水，35℃水浴振荡30 min；取出静置30 min，弃上层浑浊液,反复洗涤至上清液变清；然后加入100 mL无水乙醇洗涤,静置，弃上清，再水洗2～3次,收集沉淀物用丙酮抽滤，置于50℃烘箱干燥，备用。

1.2.2 交联菌的制备

将1.5 g已预处理的啤酒废酵母菌加入到50 mL体积分数为4%的戊二醛溶液中，于35℃摇床振荡12 h后收集产物;用水反复洗涤去除菌体表面未反应的戊二醛;置于50℃烘箱干燥，得黄色交联菌。

1.2.3 丁二酸酐修饰菌(修饰菌Ⅰ)的制备[10,11]

将1.0 g交联菌加入到溶有3.0 g丁二酸酐的50 mL DMF中,于80℃恒温水浴中搅拌24 h后取出，用乙醚洗涤，置于50℃烘箱干燥,得修饰菌Ⅰ。

1.2.4 三乙烯四胺/丁二酸酐修饰菌(修饰菌Ⅱ)的制备

将1.0 g修饰菌Ⅰ加入到50 mL含体积分数为10%的三乙烯四胺的DMF溶液中,于40℃恒温水浴中振荡12 h后取出，用乙醚洗涤，置于50℃烘箱干燥,得修饰菌Ⅱ。

1.3 接枝率计算

接枝率(mpg)按下式计算：

式中：mi、mf分别为反应前后物质的质量。

1.4 红外光谱表征

将干燥的未修饰和修饰啤酒废酵母菌分别用KBr粉末压片，在400～4000 cm-1范围内FTIR扫描，研究修饰前后酵母菌表面官能团的变化。

1.5 静态吸附实验

吸附实验均在恒温水浴摇床(温度25℃，转速140 r·min-1)中进行。在50 mL锥形瓶中加入0.02 g 吸附剂和20.00 mL日落黄溶液,置于摇床中振荡,定时取样,3000 r·min-1离心后,用可见分光光度法测定上清液中剩余染料的浓度,求得吸附量(q)。

1.6 解吸与再生实验

将饱和吸附日落黄的修饰酵母菌置于20.00 mL 0.2 mol·L-1的NaOH溶液中,于140 r·min-1摇床振荡2 h 后离心,所得固体用去离子水洗3次，用于下一轮的吸附。

1.7 南湖模拟染料废水吸附实验

取南湖水抽滤，澄清后取上清液调节酸度，按1.5方法进行吸附实验。

2 结果与讨论

2.1 接枝率

实验结果表明，丁二酸酐修饰1.0 g啤酒废酵母菌得到1.21 g产物，其接枝率为21%,说明丁二酸酐被修饰到啤酒废酵母菌壁表面；三乙烯四胺修饰1.0 g丁二酸酐修饰菌得到1.15 g产物，其接枝率为15%,说明三乙烯四胺已接枝到丁二酸酐修饰菌上。

2.2 修饰菌的红外表征

图1是修饰菌和交联菌的红外图谱。

a.交联菌 b.修饰菌Ⅰ c.修饰菌Ⅱ

由图1可以看出，和交联菌相比，修饰菌Ⅰ在1743 cm-1和1164 cm-1处出现了新的吸收峰，分别为酸酐C=O和C-O-C的振动吸收峰;而修饰菌Ⅱ中这两处峰消失了，出现了新的3303 cm-1处的酰胺吸收峰。证明在修饰过程中三乙烯四胺的氨基与修饰菌Ⅰ上的羧基发生了反应，得到了修饰菌Ⅱ。

2.3 修饰条件的确定

在修饰菌Ⅰ的制备中,将1.0 g 交联菌分别与0.5 g、1.0 g、2.0 g、3.0 g丁二酸酐反应，结果发现,随着丁二酸酐用量的增加,修饰菌Ⅰ的接枝率和吸附量相应增加。故选用3.0 g丁二酸酐接枝交联菌。

在修饰菌Ⅱ的制备中，将1.0 g修饰菌Ⅰ分别与3.0 mL、4.0 mL、5.0 mL三乙烯四胺反应,结果发现，随着三乙烯四胺用量的增加，修饰菌Ⅱ的接枝率和吸附量相应增加。故选用5.0 mL三乙烯四胺接枝修饰菌Ⅰ。

隧洞所在地貌单元为黄河Ⅳ级基座式阶地，阶地表面黄土覆盖，黄土厚度约7～15 m，以粗粉粒为主，上部风积，下部水成。黄土下伏冲洪积砂卵石层，为黄河古道。形成时代相当于Q3期，砂卵石层与上覆黄土层组成二元结构。下伏二叠系砂岩、页岩、泥岩地层。

2.4 吸附反应的影响因素

2.4.1 溶液的pH值

pH值在1.0～7.0 范围内对修饰菌Ⅱ吸附日落黄能力的影响见图2。

吸附条件：25℃，8 h，日落黄的初始浓度为1.0 mg· mL-1

由图2可以看出，随着pH值的升高，修饰菌Ⅱ对日落黄的吸附量逐渐减小。这是因为，当pH值较低时,H+浓度较高,修饰菌Ⅱ表面因氨基质子化而带正电荷,对阴离子染料有较强的静电引力或氢键作用力,因此在酸性条件下,对日落黄的吸附量较高;当pH值升高时,修饰菌Ⅱ表面所带正电荷数量减少,对日落黄的吸附量随之降低。故选择pH值为2.0时吸附日落黄。由图2还可以看出，交联菌在pH值低时对日落黄的吸附量较修饰菌Ⅱ低很多，这可能是交联后菌体表面有残留的氨基所致。

2.4.2 吸附时间

吸附时间对修饰菌Ⅱ吸附日落黄能力的影响见图3。

吸附条件：25℃，pH值2.0，日落黄的初始浓度为1.0 mg·mL-1

由图3可以看出,修饰菌Ⅱ在前5 min的吸附速度较快,0.5 h内吸附达到平衡。这是因为，在吸附初期,修饰酵母菌表面有空余吸附位点,吸附速度较快;随吸附反应的进行,吸附位点逐渐减少,故吸附速度降低。

2.4.3 染料浓度(图4)

吸附条件：25℃，8 h， pH值2.0

由图4可以看出，随染料浓度的增加,修饰菌Ⅱ对日落黄的吸附量逐渐增加,最后趋于平衡。

2.5 吸附机理

用准二级方程式[12]对实验数据进行拟合,所得动力学参数列于表1。

表1 啤酒废酵母菌吸附日落黄的准二级动力学方程模拟动力学参数

由表1可知,三乙烯四胺接枝修饰菌Ⅰ后,吸附日落黄的速度和吸附量显著提高，证实修饰菌Ⅱ的氨基增多，对阴离子染料的吸附能力明显加强。拟合的线性相关系数说明,准二级方程适合描述此吸附反应。

分别用Langmuir[13]和Freundlich[14]吸附模型对实验数据进行拟合，所得模拟参数列于表2。

表2 啤酒废酵母菌吸附日落黄的Langmuir和Freundlich等温线模拟参数

由表2可知,修饰菌Ⅱ对日落黄的吸附过程更符合Langmuir 吸附等温式,故认为固体吸附剂表面的吸附是以单分子层化学吸附为主。

2.6 解吸与再生

将饱和吸附日落黄的修饰菌Ⅱ用20.00 mL 0.2 mol·L-1NaOH溶液进行解吸,然后再进行吸附,反复3次,其吸附再生率为98%～87%。表明修饰菌Ⅱ有较好的再生能力,可重复使用。

2.7 南湖模拟染料废水吸附效果

实验测得修饰菌Ⅱ在pH值为2.0时对1.0 mg·mL-1南湖模拟染料废水的吸附量为945 mg·g-1、染料的去除率为94.5%。由此可见,在模拟染料废水介质中吸附剂的吸附能力不受影响,而且性能稳定，可重复使用。

3 结论

啤酒废酵母菌经戊二醛交联、丁二酸酐接枝后,再经三乙烯四胺修饰，得到吸附剂三乙烯四胺/丁二酸酐修饰酵母菌。该吸附剂对日落黄的吸附可在0.5 h内快速趋于平衡，且不受温度的影响。吸附过程符合准二级动力学方程,吸附模式为Langmuir 单分子层吸附。该吸附剂在pH值为2.0时对日落黄的最大吸附量达935 mg·g-1、吸附反应初始速度为9.82×102mg·g-1·min-1，分别是交联菌的3.74倍和8.47倍。三乙烯四胺/丁二酸酐修饰酵母菌制备简单、原料易得、吸附条件温和，是一种性能良好的生物吸附剂，对水体中阴离子染料的去除率高、吸附量大，且能重复使用，应用前景广阔。

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