鸡蛋膜负载的银颗粒对盐酸四环素的降解研究

吴佳娜， 张紫茹， 孙 然， 马春蕾， 唐建可， 王 琦

（1.太原工业学院环境与安全工程系，太原 030008； 2.太原工业学院化学与化工系，太原 030008；3.山西农业大学农业经济管理学院，太原 030006）

四环素类（TCs）物质是世界范围内大量生产和消耗的一种抗生素［1］，因为它们具有稳定的苯环结构，很难被生物代谢降解，所以会对生态环境和人体健康产生严重危害［2-5］. 因此，研究开发出能够高效降解四环素的材料和技术具有重要意义.

目前报道的用于降解四环素的方法有很多，如物理吸附［6］、生化处理［7］、膜超滤［8］、离子交换［9］、电泳［10］、光催化［11］、高级氧化［12-13］等. 高级氧化法是利用活性氧的强氧化性来氧化降解四环素的一种方法. 根据高级氧化法的原理，很多活性材料被合成并在过氧化氢的辅助下用于降解四环素［14-15］. 然而，有些活性材料的制备流程比较复杂，有些活性材料在降解后期较难分离，这些问题在一定程度上限制了它们的应用. 为了解决上述这些问题，有的学者［16-17］利用植物纤维来制备二氧化锰活性材料并将其用于污水的处理，有的学者［18］将鸡蛋膜作为一种生物模板用于染料的降解.

本研究利用鸡蛋膜和银氨溶液制备出了鸡蛋膜负载的银颗粒（Ag/ESM），并对Ag/ESM的制备条件进行了优化，然后根据高级氧化法的原理，研究了不同条件下Ag/ESM+H2O2对盐酸四环素的降解效果. 本研究可为盐酸四环素的降解提供一定的参考.

1 实验方法

1.1 实验仪器和试剂

实验所用仪器和试剂分别列于表1和表2.

表1 实验仪器Tab.1 Experimental instruments

表2 实验试剂Tab.2 Experimental reagents

1.2 鸡蛋膜负载的银颗粒（Ag/ESM）的制备

首先取0.063 7 g硝酸银置于烧杯中，加入少量去离子水溶解，然后向烧杯中逐滴滴加体积分数为25%的氨水直至沉淀刚好消失，最后定容到25 mL容量瓶中即可得到浓度为15 mmol·L-1的银氨溶液母液. 其余浓度的银氨溶液由此银氨溶液母液稀释得到.

鸡蛋膜洗净后在空气中自然晾干并切成每片质量为5 mg的小片备用. 取一片鸡蛋膜浸泡于1 mL浓度为13.5 mmol·L-1的银氨溶液中并置于50 ℃的恒温水浴锅中，反应3 h后，取出鸡蛋膜并清洗干净，然后置于纱网上晾干备用.

1.3 Ag/ESM制备条件的优化

有研究［19］表明，银颗粒具有催化分解过氧化氢产生活性氧的能力，且产生的活性氧能够与3，3’，5，5’-四甲基联苯胺（TMB）发生显色反应，使TMB溶液从无色变为蓝色. 本研究通过观察不同条件下制备的Ag/ESM的显色程度来对Ag/ESM的制备条件进行优化. 首先将200 μL浓度为2.5 mmol·L-1的TMB溶液和100 μL浓度为0.1 mmol·L-1的过氧化氢溶液加入到1700 μL pH=4的醋酸-醋酸钠缓冲液中，配制成显色反应的底物溶液（简称显色溶液）. 然后，分别在不同银氨溶液浓度（1.5、4.5、7.5、10.5、13.5 mmol·L-1）、不同反应时间（1、2、3、4、5 h）、不同反应温度（20、30、40、50、60、70、80 ℃）条件下制备Ag/ESM. 最后，取一片在不同条件下制备的Ag/ESM 浸泡到显色溶液中，在500 r/min 条件下振荡5 min，取一定量的显色溶液在紫外可见分光光度计中测定其在653 nm 处的吸光度（OD653），同时观察显色溶液的颜色并记录拍照. OD653的值越大，表明Ag/ESM催化分解过氧化氢的性能越好. 显色溶液的颜色越深，表明Ag/ESM催化分解过氧化氢的性能越好.

1.4 盐酸四环素标准曲线的建立

首先将初始质量浓度为100 mg·L-1的盐酸四环素溶液分别稀释成质量浓度为0.1、0.5、1、2、4、6、8、10、20、30、40、50、60、70 mg·L-1的盐酸四环素溶液，然后通过紫外可见分光光度计分别测定不同质量浓度的盐酸四环素溶液在358 nm处的吸光度（OD358），最后根据盐酸四环素溶液的质量浓度与OD358的关系建立盐酸四环素（TCH）的标准曲线，如图1所示.

图1 TCH的标准曲线Fig.1 The standard curve of TCH

1.5 盐酸四环素的降解

1.5.1 不同材料对TCH降解效果的影响 首先，根据高级氧化法的原理，结合银颗粒可催化分解过氧化氢产生活性氧的能力，分别设置四个处理组以分析不同材料对盐酸四环素的降解效果. 四个处理组分别如下：①H2O2处理组（20 mL 浓度为0.1 mmol/L 的H2O2溶液）；②ESM 处理组（10 片鸡蛋膜）；③Ag/ESM 处理组（10 片Ag/ESM）；④Ag/ESM+H2O2处理组（10 片Ag/ESM+20 mL 浓度为0.1 mmol/L 的H2O2溶液）. 然后分别向四个处理组中加入20 mL质量浓度为50 mg·L-1的TCH溶液，室温（25 ℃）条件下持续搅拌，每隔10 min通过紫外可见分光光度计测定盐酸四环素溶液在358 nm处的吸光度（OD358），并根据建立的盐酸四环素标准曲线计算其相应的质量浓度. 最后，根据公式（1）计算盐酸四环素的降解率.

式中：R代表盐酸四环素的降解率，%；C0和C分别代表的是盐酸四环素的初始质量浓度和最终质量浓度，mg·L-1.

1.5.2 不同H2O2浓度条件下Ag/ESM+H2O2对TCH 降解效果的影响 首先，向10 mL 质量浓度为100 mg·L-1的盐酸四环素溶液中分别加入40、120、200 μL 浓度为10 mol/L 的H2O2溶液并混合均匀，之后再分别加入9.96、9.88、9.8 mL去离子水，即可得到含有不同H2O2浓度（0.02、0.06、0.1 mmol/L）的质量浓度为50 mg/L的盐酸四环素溶液. 然后，取10片Ag/ESM分别浸入到上述三种溶液中，室温（25 ℃）条件下持续搅拌，每隔10 min通过紫外可见分光光度计测定盐酸四环素溶液在358 nm处的吸光度（OD358），并根据建立的盐酸四环素标准曲线计算其相应的质量浓度. 最后，根据公式（1）计算盐酸四环素的降解率.

1.5.3 不同TCH 浓度条件下Ag/ESM+H2O2对TCH 降解效果的影响 首先，分别向2、6、10 mL 质量浓度为100 mg·L-1的盐酸四环素溶液中加入200 μL 浓度为0.01 mol/L 的H2O2溶液并混合均匀，之后再分别加入17.8、13.8、9.8 mL去离子水，即可得到含有0.1 mmol/L H2O2的质量浓度分别为10、30、50 mg/L的盐酸四环素溶液. 然后，取10片Ag/ESM分别浸入到上述三种溶液中，室温（25 ℃）条件下持续搅拌，每隔10 min通过紫外可见分光光度计测定盐酸四环素溶液在358 nm处的吸光度（OD358），并根据建立的盐酸四环素标准曲线计算其相应的质量浓度. 最后，根据公式（1）计算盐酸四环素的降解率.

1.5.4 不同Ag/ESM用量条件下Ag/ESM+H2O2对TCH降解效果的影响 首先，向10 mL质量浓度为100 mg/L的盐酸四环素溶液中加入200 μL浓度为0.01 mol/L的H2O2溶液并混合均匀，之后再加入9.8 mL去离子水，即可得到含有0.1 mmol/L H2O2的质量浓度为50 mg/L 的盐酸四环素溶液. 然后，分别取5、10、20 片Ag/ESM 浸入到20 mL 含有0.1 mmol/L H2O2的质量浓度为50 mg/L 的TCH 溶液中，室温（25 ℃）条件下持续搅拌，每隔10 min 通过紫外可见分光光度计测定盐酸四环素溶液在358 nm处的吸光度（OD358），并根据建立的盐酸四环素标准曲线计算其相应的质量浓度. 最后，根据公式（1）计算盐酸四环素的降解率.

2 实验结果与分析

2.1 Ag/ESM的合成机理和表征

鸡蛋膜中的糖醛酸和糖类化合物中含有醛基［20］，当鸡蛋膜浸入到银氨溶液中时，醛基能与银氨溶液发生类银镜反应，于是银单质在鸡蛋膜表面生成并生长为颗粒负载于鸡蛋膜上. 图2a为Ag/ESM的扫描电镜（SEM）图，可以看到银颗粒均匀地负载于鸡蛋膜蛋白纤维上. 图2b为放大后的SEM图，对比标尺可以看出，银颗粒的尺寸在80～160 nm之间. 图2c是Ag/ESM的实物图，可以看出白色的鸡蛋膜变为了棕色，说明银颗粒确已生成. 图3a为Ag/ESM材料的X射线光电子能谱图（XPS全谱图），由图3a可知，Ag/ESM由碳、氧、氮、银元素组成. 图3b为Ag/ESM 材料的Ag 3d分谱图，从图中可以观察到在368.2、374.2 eV处有两个分峰，它们分别对应于Ag 3d1/2和Ag 3d3/2，这表明该材料确为鸡蛋膜负载的银颗粒.

图2 Ag/ESM的扫描电镜图和实物图Fig.2 The SEM images and photo of Ag/ESM

图3 Ag/ESM的XPS全谱图和Ag 3d分谱图Fig.3 The XPS full scan spectra and Ag 3d spectra of Ag/ESM

2.2 Ag/ESM制备条件的优化

由图4可知，随着银氨溶液浓度的增加，制备出的Ag/ESM催化TMB显色后，显色溶液OD653的值逐渐升高，显色溶液的颜色也逐渐加深，说明银氨溶液浓度越高，制备出的Ag/ESM催化分解过氧化氢的性能越好.由图5可知，随着反应时间的增加，制备出的Ag/ESM催化TMB显色后，显色溶液OD653的值呈先升高后降低的趋势，显色溶液的颜色则先变深后变浅，当反应时间为3 h时，制备出的Ag/ESM催化TMB显色后，显色溶液OD653的值最大，显色溶液的颜色最深，说明反应时间为3 h时，制备出的Ag/ESM催化分解过氧化氢的性能最佳，若反应时间继续增加，制备出的Ag/ESM 的尺寸虽然有所增加，但其催化分解过氧化氢的性能反而减弱. 由图6可知，随着反应温度的增加，制备出的Ag/ESM催化TMB显色后，显色溶液OD653的值呈先升高后降低的趋势，显色溶液的颜色则先变深后变浅，且在50 ℃条件下制备出的Ag/ESM催化TMB显色后，显色溶液OD653的值最大，显色溶液的颜色最深，说明在50 ℃条件下制备出的Ag/ESM 催化分解过氧化氢的性能最佳，反应温度过高可能会使银单质被氧化为黑色的氧化银，导致最终得到的Ag/ESM催化分解过氧化氢的性能降低. 综上可知，Ag/ESM的最佳制备条件为：银氨溶液浓度13.5 mmol/L、反应温度50 ℃、反应时间3 h.

图4 不同银氨溶液浓度条件下制备的Ag/ESM催化TMB显色的结果Fig.4 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different concentrations of Tollens

图5 不同反应时间条件下制备的Ag/ESM催化TMB显色的结果Fig.5 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different reaction times

图6 不同反应温度条件下制备的Ag/ESM催化TMB显色的结果Fig.6 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different temperatures

2.3 不同材料对盐酸四环素降解效果的研究

由图7 可知，经过3 h 降解后，H2O2处理组、ESM 处理组、Ag/ESM 处理组和Ag/ESM+H2O2处理组中盐酸四环素（TCH）的降解率分别为10.90%、25.30%、40.12%、76.86%.由于H2O2具有强氧化性，因此H2O2处理组中有少量的TCH 被降解. 因为ESM 和Ag/ESM 具有吸附作用，所以ESM 处理组和Ag/ESM 处理组中也有一定量的TCH 被降解. 当Ag/ESM 与H2O2共存时，TCH 的降解率则大大提高，这是由于Ag/ESM 能够催化H2O2分解产生大量的羟基自由基（·OH），羟基自由基的强氧化性则能够实现对TCH 的高效降解. 以上结果表明，Ag/ESM+H2O2对TCH降解效果最佳，即以Ag/ESM为活性材料，在H2O2的辅助下可实现对TCH的高效降解.

图7 不同材料对盐酸四环素的降解效果Fig.7 The comparison of degradation efficiencies of H2O2，ESM，Ag/ESM and Ag/ESM+H2O2 treatment

2.4 不同条件下Ag/ESM+H2O2对盐酸四环素降解效果的研究

不同条件下Ag/ESM+H2O2对TCH 的降解效果如图8 所示. 由图8 a 可知，随着Ag/ESM 用量的增加，TCH 的降解率也随之增加. 由图8b 可知，随着过氧化氢浓度的增加，TCH 的降解率也随之增加. 从图8c可以看出，TCH 的初始质量浓度不同时，TCH 的降解率差别不大，也就是说不同初始质量浓度的TCH 对Ag/ESM+H2O2降解TCH的影响不大. 当Ag/ESM 用量为20片，过氧化氢浓度为0.1 mmol/L，TCH的初始质量浓度为50 mg/L时，TCH的降解率最高，为81.92%，这充分说明以Ag/ESM为活性材料，在过氧化氢的辅助下可以实现对盐酸四环素的高效降解. 整个降解过程完成后，鸡蛋膜作为固体模板很容易从溶液中被分离出来，因此在后续除去材料方面更加简便.

图8 不同条件下Ag/ESM+H2O2对盐酸四环素的降解效果Fig.8 The degradation efficiencies of TCH by Ag/ESM+H2O2 in different concentrations

3 结论

1）通过类银镜反应成功制备出了鸡蛋膜负载的银颗粒材料，该材料具有较好的催化分解过氧化氢产生活性氧的能力.

2）根据高级氧化法的原理，结合生物模板易于操作的优点和银颗粒可催化分解过氧化氢产生活性氧的能力，以Ag/ESM 为活性材料，在过氧化氢的辅助下实现了对盐酸四环素的高效降解. 当Ag/ESM 用量为20片，过氧化氢浓度为0.1 mmol/L，TCH的初始质量浓度为50 mg/L时，TCH的降解率最高，为81.92%.

3）简单的制备方法和便捷的分离操作使得鸡蛋膜负载的银颗粒成为一种较理想的降解盐酸四环素的活性材料.