羊毛角蛋白/氧化石墨烯复合材料的制备及其吸附性能

孙小娟，李宏伟，张 梅

(北京服装学院 材料设计与工程学院，北京 100029)

作为世界上第二大羊毛生产国，我国羊毛产量日益增长，每年都有大量的废弃羊毛制品。羊毛中有80%以上的物质是角蛋白，角蛋白是天然蛋白质，具有良好的生物相容性，可以被环境中微生物降解，是一种环境友好型材料[1]。为了使废弃羊毛得到充分利用，同时提高废弃羊毛的附加值，对废弃羊毛的各类再生利用的研究日益广泛。其中，角蛋白是由多种α氨基酸缩合而成的大分子链与二硫键横向交联形成的网状结构[2]，主链上有大量的肽键(—CONH—)，侧基含有自由的端氨基和端羧基等极性基团[3]，可作为吸附的活性位点，用于去除染料和重金属离子。刘畅等[4]用羽毛角蛋白提取后残渣制备海绵材料并用于吸附亚甲基蓝(MB)，海绵材料具有较多的孔隙结构、多肽结构和极性官能团，在一定的温度及合适的pH值下对MB的最大吸附量达151.5 mg/g。由于纯羊毛角蛋白缺少一定的孔隙结构及活性位点，在吸附方向具有一定的局限性。为了克服这个缺陷，可将氧化石墨烯和羊毛角蛋白复合以提高其吸附容量。

氧化石墨烯(GO)的主体结构与石墨烯基本相似，具有单原子层的厚度，在单原子排列的二维空间无限延伸的基面上下两侧连有环氧基和羟基，在片层边缘处连有羧基等官能团。由于含氧基团的存在，氧化石墨烯在水中具有优越的分散性，片层边缘的羧基在水中易水解成羧酸根离子，使GO在水溶液中表面带负电荷[5]。由于GO具有较大的比表面积和丰富的官能团以及离域π电子，可将GO与生物聚合物材料复合后用于吸附[6]。Liu等[7]将羟丙基纤维素(HPC)接枝到氧化石墨烯上，制得HPC-GO/HPC水凝胶。将复合水凝胶用于吸附MB染料并取得了良好的吸附效果。

图1 KE/GO复合材料制备流程及自组装机制

为了提高羊毛角蛋白(KE)的吸附性能，本文用还原C法[8]提取羊毛，加入一定量氧化石墨烯，通过自组装的方法制成KE/GO复合材料。对复合材料的结构进行表征，同时将其应用于亚甲基蓝、重金属离子Pb2+和Cu2+的吸附。

1 实验部分

1.1 试 剂

石墨粉(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，试剂包括高锰酸钾、浓硫酸、硝酸钠、30%过氧化氢、盐酸、尿素、亚硫酸氢钠、十二烷基硫酸钠、亚甲基蓝、无水硫酸铜、氯化铅(分析纯，北京化工厂有限责任公司)，实验用水为去离子水。

1.2 复合材料的制备

用还原C法溶解羊毛提取角蛋白溶液，取一定量的亚硫酸氢钠、尿素、十二烷基硫酸钠(SDS)，加入到100 mL去离子水中，90 ℃下搅拌溶解4 h。过滤掉未溶解物后用透析袋(截留分子量8 000～14 000 kDa)在去离子水中透析3天，浓缩至一定浓度的角蛋白溶液待用。

氧化石墨烯溶液由改进的Hummers方法制备[9]。具体步骤如下：冰浴条件下，将石墨粉(3 g)和硝酸钠(3 g)加入装有浓硫酸(90 mL)的三口烧瓶中。边搅拌边缓慢加入高锰酸钾(9 g)2～3 h，保持温度低于5 ℃。将温度升至35 ℃并保持6 h。然后缓慢加入120 mL水，保持温度小于100 ℃，升温至95～100 ℃并保持15 min。再加入500 mL去离子水，然后缓慢加入大量(30 mL)30% H2O2直至混合物的颜色变为亮黄色。用15%盐酸溶液酸洗3次以除去金属离子，然后反复水洗并离心至中性。超声分散2 h后得到GO分散液，将所得GO分散液在4 500 r/min下离心20 min。最后，在去离子水中透析7天以除去剩余的盐类杂质。

将羊毛角蛋白溶液与氧化石墨烯溶液按照质量比9∶1的比例混合，混合后溶液质量浓度为30 mg/mL。用磁力搅拌器在65 ℃条件下搅拌4 h。60 ℃自组装24 h，反复冷冻解冻，在冷冻干燥机中干燥24 h得到羊毛角蛋白/氧化石墨烯复合材料， KE/GO复合材料制备流程及自组装机制见图1。当氧化石墨烯分散液和羊毛角蛋白溶液直接混合时，氧化石墨烯片层和羊毛角蛋白分子链之间通过氢键、范德华力、π-π共轭进行三维自组装，溶液失去流动性而变成凝胶，冻干后氧化石墨烯在角蛋白基质中均匀分散。纯角蛋白按照同一流程冷冻干燥制得气凝胶，作为空白对照组。

1.3 复合材料的表征

采用JSE-7500F型扫描电镜(SEM，日本电子株式会社) 对制备的材料进行表面形貌特征分析。采用Dmax-b型X射线衍射仪(XRD，日本理学电机公司)对制备的材料进行晶粒度分析(Cu靶、管电压40 kV，管电流50 mA，扫描角度5°～90°，扫描速度6(°)/min)。采用NICOLETiS10型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR，美国Thermo Fisher Scientific公司) 对制备的材料进行官能团分析(波数范围为40 000～400 cm-1)。采用DTA/TG6300型差示热重联用分析仪(TG，日本精工公司)测定材料的热稳定性。

1.4 吸附实验

称取一定量纯KE和KE/GO复合材料，投入已知体积和浓度的亚甲基蓝(MB)、无水硫酸铜和氯化铅溶液中。使用0.1 mol/L的NaOH溶液和乙酸调节溶液pH值，放入一定温度下的恒温振荡器中进行静态吸附实验，振荡速率为120 r/min[10]。一定时间后取出样品，将样品静置至完全沉淀后，取上层清液，用分光光度法(λ=664 nm)测MB溶液吸光度，用220FS型火焰原子吸收光谱(AAS，美国Varian 公司)测定Cu2+、Pb2+浓度。根据式(1)和式(2)计算对MB和重金属离子Cu2+、Pb2+的去除率和吸附量：

(1)

(2)

式中：c0和ce分别为MB初始质量浓度和平衡质量浓度，mg/mL；m为吸附材料的质量，g；V为MB溶液体积，mL；D为去除率，%；qe为平衡吸附量，mg/g。

2 结构与讨论

2.1 复合材料的表征

2.1.1 形貌分析

KE及KE/GO复合材料的SEM照片见图2。由图2(a)(b)可见，改性前后角蛋白均为层状多孔结构。相较于纯角蛋白气凝胶，添加了氧化石墨烯的气凝胶拥有更多的孔隙结构，且孔隙直径变小(约为10 μm)，片层厚度变薄，层状结构更加有序。图2(c)为高倍数下KE/GO复合材料的表面形貌图，可以看出，片层呈现出氧化石墨烯特有的褶皱状起伏，说明氧化石墨烯成功复合到羊毛角蛋白中。该结构有效增大了复合材料的比表面积，能使水分子和其他分子迅速扩散到复合材料内部网络中，可提高对污染物分子的吸附能力。

图2 KE及KE/GO复合材料的SEM照片

2.1.2 化学结构分析

图3 KE、GO及KE/GO复合材料的红外光谱图

KE/GO复合材料的吸收峰既包括羊毛角蛋白蛋白基团的吸收峰，又包括氧化石墨烯的特征吸收峰。同纯KE相比，KE/GO复合材料在977 cm-1处吸收峰消失，1 450、1 226 cm-1处吸收峰强度有所降低，表明复合材料表面的C—O部分可能是GO与KE复合的部位[12]。从图3还可以看出，KE/GO复合材料中所含有的官能团的种类十分丰富，一些极性含氧官能团容易与污染物分子相结合，可以在一定程度上提高对污染物分子的吸附能力。

2.1.3 结晶度分析

KE、GO及KE/GO复合材料X射线衍射谱图见图4。可见，2θ在10.2°附近的强衍射峰为GO的特征峰[13]。KE/GO复合材料的衍射角与纯KE的衍射角相似，未观察到对应于GO的强衍射峰，表明氧化石墨烯片层均匀地分散在羊毛角蛋白基质中。此外，KE/GO复合材料的峰强度比纯KE明显降低，可能是由于氧化石墨烯的插入导致羊毛角蛋白的分子运动受阻，从而使其结晶度降低。

图4 KE、GO及KE/GO复合材料的X射线衍射谱图

2.1.4 热稳定性分析

KE及KE/GO复合材料的热稳定性分析曲线见图5。可以看出，纯KE在50 ℃左右开始出现明显质量损失，直到110 ℃左右达到初步稳定，这是由于水分蒸发造成的。第2个质量损失在 200～400 ℃之间，羊毛角蛋白逐步分解，在接近450 ℃时达到最大质量损失率，最终质量损失率为86.6%，温度高于450 ℃时，其质量趋于稳定，残余质量率为13.4%。

图5 KE及KE/GO复合材料的热重曲线

与纯KE相比，KE/GO复合材料第一阶段的质量损失较少。第2阶段的热质量损失，一部分是由于复合材料中角蛋白中的热质量损失，另一部分是由于氧化石墨烯表面的羟基、羧基和环氧基等含氧官能团，在高温下分解生成CO、CO2和H2O[14]，其最大热质量损失率为80.2%，残余质量率为19.8%。可以看出加入GO，对KE的热稳定性影响不大。

2.2 复合材料的吸附性能

KE及KE/GO复合材料的吸附性能对比见图6。

图6 KE及KE/GO复合材料的吸附性能对比

可以看出，与纯角蛋白相比，KE/GO复合材料对MB及重金属离子Cu2+和Pb2+的去除率均有较大幅度提高。对初始质量浓度100 mg/L的溶液，当温度为25 ℃，pH值6时，纯KE对MB的吸附约在500 min达到平衡，KE/GO复合材料对MB的吸附约在200 min达到平衡，最大去除率达96%，比纯KE增加了17%；同样条件下，KE/GO复合材料对Cu2+和Pb2+的去除率为75%和74%，相较于纯KE，分别提高了12%和11%。这是由于KE/GO复合材料比纯KE具有更加有序、孔径更小的层状多孔结构，这种层状多孔结构提供了更多的活性位点和大的比表面积，有利于复合材料对染料、重金属离子的吸附。此外，加入GO后复合材料表面含氧极性官能团有所增加，在静电吸引力作用下去除率有所提高。

吸附时间对KE及KE/GO复合材料吸附MB与重金属离子吸附性能的影响见图7。可以看出，KE及KE/GO复合材料对MB和重金属离子Cu2+、Pb2+的吸附基本呈现出2个阶段。吸附MB时，在吸附初始阶段，MB的去除率随着吸附时间的增加呈急剧上升趋势，属于快速吸附阶段，而且KE/GO复合材料的吸附速率明显大于纯羊毛角蛋白，这是由KE/GO复合材料的结构造成的。随着吸附时间的推移，MB在吸附材料上的吸附量渐渐达到饱和，吸附速率逐渐变慢，KE/GO复合材料150 min达到吸附平衡，纯KE于500 min时达到平衡状态。通常情况下，快速吸附主要发生在吸附剂表面，是一种分子间表面吸附作用，由于初始吸附浓度差较大，MB分子与吸附材料的接触几率较高，因此，吸附速率较快。随着吸附过程的不断进行，MB分子逐渐由吸附材料表面迁移扩散至其内部孔隙中，占据更多的吸附位，吸附量逐渐增大，同时溶液和吸附材料中MB的浓度差也逐渐变小，从而导致吸附速率变慢，逐渐达到吸附平衡[15]。对Cu2+、Pb2+的吸附同样呈现2个阶段，到200 min时已基本达到平衡状态，此时吸附率达75%左右。其吸附机制主要是依靠KE/GO复合材料的羧基、羟基、氨基等与重金属离子之间的静电吸引和络合作用等协同效应[16]。

图7 吸附时间对KE及KE/GO复合材料吸附MB与重金属离子吸附性能的影响

3 结 论

采用还原C法提取羊毛角蛋白，在羊毛角蛋白溶液中混入氧化石墨烯分散液，自组装形成复合凝胶，冷冻干燥后成功制得KE/GO复合材料。

①由扫描电镜照片可以看出KE/GO复合材料呈层状有序、片层褶皱的多孔结构，孔径约10 μm，这种结构活性位点多、比表面积大，具有良好的吸附性。红外光谱分析表明KE/GO复合材料具有大量的极性官能团，有利于对污染物分子的吸附；X射线衍射谱图分析表明氧化石墨烯片层均匀地分散在羊毛角蛋白基质中；TG分析表明氧化石墨烯片层的加入对羊毛角蛋白的热稳定性影响较小。

②吸附实验表明：与 纯KE相比，KE/GO复合材料的吸附速率和饱和吸附量均有较大提高。对100 mg/L的MB去除率达96%，比纯KE提高了17%、对100 mg/L的重金属离子Pb2+和Cu2+去除率分别为75%和74%，比纯KE提高了12%和11%。这种羊毛角蛋白/氧化石墨烯复合材料制备过程简单，进一步优化制备及吸附工艺条件，有望制备出一种优良的具有综合吸附性能的吸附材料。