CN103752283B

CN103752283B - 固定化生物吸附降解材料、制备方法及其应用

Info

Publication number: CN103752283B
Application number: CN201410007963.4A
Authority: CN
Inventors: 张辰; 曾光明; 黄丹莲; 刘亮; 赖萃; 赵美花; 黄超; 李宁杰; 危臻; 许飘; 程敏
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: CN103752283A

Abstract

本发明涉及固定化生物吸附降解材料、制备方法及其应用，以多孔金纳米材料为载体，以聚乙烯亚胺为修饰剂，固定有角质酶，制备方法为，将多孔金纳米材料置于硫辛酸溶液中；反应完成后将上述反应得到的表面羧基化材料加入吡啶和二甲基甲酰胺中，加热，加入环氧氯丙烷，反应完成后将上述反应得到的表面含氯基团材料加入含聚乙烯亚胺的有机溶液中，反应，洗涤后得到聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料，将上述聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料化学交联角质酶，得到固定化生物吸附降解材料，其吸附效率高、吸附量大，可重复使用，制备工艺简单，可有效去除水体中邻苯二甲酸酯类物质，无二次污染。

Description

固定化生物吸附降解材料、制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种水体净化处理领域，具体是涉及一种固定化生物吸附降解材料、制备方法及其应用。

背景技术

邻苯二甲酸酯(Phthalates esters，PAEs)，又称酞酸酯，是一类环境内分泌干扰物，它主要用作增塑剂，即用作增大塑料的可塑性和强度的一种改性添加剂，此外还可用于农药、涂料、印染、化妆品和香料等的生产。自上世纪50年代聚氯乙烯(PVC)面世以来，PAEs就得到大规模的生产。目前，它占了全球增塑剂市场的80％以上。作为增塑剂，PAEs在塑料制品中的含量占20～30％左右，有时可高达50％。PAEs并非由共价键聚合到塑料产品的基质中，而是由氢键或范德华力与聚烯烃类塑料分子之间连接，彼此保留各自相对独立的化学性质。因此，随着时间的推移，PAEs可由塑料中迁移到外环境，造成对环境的污染。

饮用水是人类摄入有毒有害物质的一个主要途径，进入饮用水的PAEs主要有两种途径，分别是通过水源污染和自来水输配管材中的渗析。PAEs的溶解度影响其在水中的分布，分子量较低的PAEs溶解度较大，而分子量较高的PAEs几乎不溶于水。在未被吸附或者结合时，分子量较高的PAEs一般呈现透明的油脂状，浮在水面上。我国水域占地面积广大，近年来，由于工业飞速发展的同时，环境保护观念却比较淡薄，各种环保措施相对落后，导致各江河湖泊均受到了不同程度的污染，PAEs类化合物已经成为主要的有机污染物之一，受到广泛的重视。其中邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯(DEHP)是全球用量最大的PAEs类增塑剂，由于DEHP使用广泛，其毒性可作用于生物体的多个器官，且产生隔代影响，故处理饮用水体中的DEHP是急需解决的一大问题。

目前，PAEs的处理方法有：（1）物理-化学法，如直接光解法、絮凝、沉淀、离子交换等工艺；（2）高级氧化技术（AOTs），如光化学氧化法、臭氧氧化法、超声辐射降解法、超临界水氧化法等都被报道过用于处理环境激素；（3）生物降解法，如活性污泥法、酶处理法。材料吸附法与生物降解法相结合的处理方法具有设备简单、操作方便、速度快、吸附降解量大以及降解产物无二次污染等优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸附效率高、吸附量大可重复使用的固定化生物吸附降解材料，本发明还提供一种工艺简单的固定化生物吸附降解材料的制备方法，另外还提供一种固定化生物吸附降解材料有效去除水体中邻苯二甲酸酯类物质的应用，所述应用无二次污染。

为解决上述技术问题，本发明提供一种固定化生物吸附降解材料，以多孔金纳米材料为载体，以聚乙烯亚胺为修饰剂，制备步骤为，将多孔金纳米材料通过硫辛酸活化后，和环氧氯丙烷反应，然后通过置换反应完成在多孔金纳米材料表面修饰聚乙烯亚胺，最后通过化学共价偶联法固定角质酶。

所述多孔金纳米吸附材料的孔径为40～50nm，所述多孔金纳米吸附材料中聚乙烯亚胺的最大修饰量为300 mg/g。

所述聚乙烯亚胺的重均分子量为10000～20000。

本发明还提供一种固定化生物吸附降解材料的制备方法，步骤为，将多孔金纳米材料置于硫辛酸溶液中；反应完成后得到表面羧基化材料；将所述表面羧基化材料加入吡啶和二甲基甲酰胺（DMF）中，加热，加热温度优选为80～100℃，加入环氧氯丙烷，反应完成后得到表面含氯基团材料；将所述表面含氯基团材料加入含聚乙烯亚胺（PEI）的有机溶液中，反应，洗涤后得到聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料，将上述聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料化学交联角质酶，得到固定化生物吸附降解材料。

所述聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料化学交联角质酶的化学交联剂为N-乙基-N′-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）的混合溶液。

多孔金纳米材料的制备方法是，取金银合金，洗涤，将洗涤后的金银合金加热至700～800℃下退火，将退火后的金银合金制成合金片；将合金片置于硝酸溶液中腐蚀，然后200～250℃下退火，制得多孔金纳米材料。所述金银合金优选为工业上常用的Au₄₂Ag₅₈合金。

所述多孔金纳米材料、硫辛酸、环氧氯丙烷、聚乙烯亚胺的质量比优选为1: 0.05～0.1: 200～250:30～50。所述硫辛酸的浓度优选为1.0mM。

所述聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料和角质酶的质量比优选为1:0.01～0.1。

所述聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料和N-乙基-N′-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺的质量比优选为1:6～7:0.5～1。

所述含聚乙烯亚胺的有机溶液中，有机溶液为二甲基甲酰胺。

所述将表面含氯基团材料洗净后加入含聚乙烯亚胺的有机溶液中反应的温度优选为80～100℃。

本发明还提供一种固定化生物吸附降解材料去除水体中的邻苯二甲酸酯类物质的应用。

本发明的邻苯二甲酸酯类，主要是指邻苯二甲酸与4-15个碳的醇形成的酯类物质，比如邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯（CAS号为117-81-7）、邻苯二甲酸二正丁酯（CAS号为84-74-2）、邻苯二甲酸丁基苄酯(CAS号为85-68-7)。

上述应用中，步骤是，将固定化生物吸附降解材料加入到水体中，震荡吸附，所述震荡吸附的转速优选为100～150rpm，时间为3～6h，温度为30～40℃。所述固定化生物吸附降解材料在水体中的添加量为50～100mg/L，所述水体的pH值优选为7～8。

所述应用还包括聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料的再生，步骤为，将吸附了邻苯二甲酸酯类物质的固定化生物吸附降解材料加入到甲醇中超声震荡解吸，时间优选为1～2min，再加入到质量浓度为2～5%的硝酸溶液中超声震荡解吸，时间优选为1～2min，取出解吸后的聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料，清洗至中性，得到聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料。

本发明的有益效果是，多孔金纳米材料（nanoporous gold，NPG）是一种新型的多孔金属材料，与传统的多孔材料相比，具有制备简单、易回收、表面可修饰、比表面积大、生物相容性好、吸附性能好、质量轻和结构易灵活控制等优点，因而在分子催化、吸附与分离、纳米材料组装、生物化学、分子识别等众多领域皆具有广泛的应用前景。赋予吸附剂多孔性可以提高吸附剂的吸附性能，减小溶质的扩散阻力，利于快速达到吸附平衡。同时，通过表面修饰使得吸附剂带上羧基、羟基、氨基等官能团来提高其吸附能力。

聚乙烯亚胺（polyethylenimine，PEI）是一种大分子聚合物，含有大量的氨基和亚胺基，是一种优异的吸附污染物的高分子物质。

角质酶 (cutinase,EC 3.1.1.74)是一种可以降解角质并产生大量脂肪酸单体的水解酶，角质酶既可以催化水解不溶性多聚体植物角质的酯键，也可以作用于其它长链、短链脂肪酸酯、乳化的甘油三酯和可溶性的合成酯等，能够有效降解DEHP。但由于水中游离的角质酶不可回收也难以长期保存，且在高温或者其他极端环境下角质酶的稳定性不易保持，因而限制角质酶的实际应用。固定化技术在保持游离酶的专一性、高效性等催化特性的同时，更是提高角质酶的重复利用性、稳定性以及操控性的有效手段。

本发明的固定化生物吸附降解材料是宏观片状金属材料，易于从液相中快速分离，性能稳定，无二次污染。在多孔金纳米材料表面修饰PEI可以大幅度提高官能团密度，PEI分子链上大量的氨基易质子化，通过静电作用吸附水体中的邻苯二甲酸酯类物质。

本发明的固定化生物吸附降解材料制备方法工艺简单，操作方便。对水体中的邻苯二甲酸酯类物质去除率可达92%。

具体实施方式

实施例1

本发明的固定化生物吸附降解材料，以多孔金纳米材料为载体，以聚乙烯亚胺为修饰剂，固定有角质酶。所述多孔金纳米材料的孔径为40～50nm，所述聚乙烯亚胺的重均分子量为10000。

多孔金纳米吸附材料的制备方法，步骤为，

1、制备多孔金纳米材料

（1）将Au₄₂Ag₅₈合金置于丙酮、异丙酮以及超纯水中超声洗涤，并于800 ℃退火10 h，去除由于机械加工产生的合金内部应力，得到预处理后的Au₄₂Ag₅₈合金。

（2）将预处理后的Au₄₂Ag₅₈合金制成5.0 mm×5.0 mm×20 μm的Au₄₂Ag₅₈合金片。

（3）将Au₄₂Ag₅₈合金片置于30 ℃下浓硝酸中自由腐蚀800 min，然后200 ℃下退火1 h，制得多孔金纳米材料（NPG）。

2、聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料的制备方法

（1）取5 mg上述方法所制备的NPG置于2 mL，浓度为1 mM的硫辛酸溶液中静置1 h，使其表面羧基化。

（2）将上述表面羧基化的NPG置于2mL二甲基甲酰胺（DMF）和0.5 mL吡啶的混合溶液中，100℃下反应4 h，加入1 mL环氧氯丙烷（ECH）继续在100℃下反应4 h。

（3）将经上述处理后得到的纳米多孔金材料用DMF洗净后，浸没于2mL含PEI的DMF溶液中（PEI的浓度为100 g/L），于100℃下反应1天。

（4）将上述表面修饰聚乙烯亚胺的多孔金纳米吸附材料用超纯水洗涤3次，得到聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料。

3、固定角质酶的方法

（1）将5 mg聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料放入80 mmol·L^-1的N-乙基-N′-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和20 mmol·L^-1N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）的混合溶液（2 mL）中，静置1 h。

（2）静置1 h后取出并用超纯水清洗后置于500 μL的角质酶酶液（0.4 mg·mL^-1）中，4℃下100 rpm振荡条件下固定化12 h，取出后用超纯水清洗干净，得到固定化生物吸附降解材料。

实施例2

本发明的固定化生物吸附降解材料，以多孔金纳米材料为载体，以聚乙烯亚胺为修饰剂，固定有角质酶。所述多孔金纳米材料的孔径为40～50nm，所述聚乙烯亚胺的重均分子量为20000。

1、多孔金纳米吸附材料的制备方法，同实施例1。

2、聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料的制备方法

（1）取5 mg上述方法所制备的NPG置于1.5 mL，浓度为1 mM的硫辛酸溶液中静置1 h，使其表面羧基化。

（2）将上述表面羧基化的NPG置于2mL二甲基甲酰胺（DMF）和0.5 mL吡啶的混合溶液中，100℃下反应4 h，加入0.9mL环氧氯丙烷（ECH）继续在100℃下反应4 h。

（3）将经上述处理后得到的纳米多孔金材料用DMF洗净后，浸没于2.5mL含PEI的DMF溶液中（PEI的浓度为100 g/L），于100℃下反应1d。

3、固定角质酶的方法

（1）将5 mg聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料放入90 mmol·L^-1的N-乙基-N′-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和15 mmol·L^-1N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）的混合溶液（2 mL）中，静置1 h。

（2）静置1 h后取出并用超纯水清洗后置于1mL的角质酶酶液（0.4 mg·mL^-1）中，4℃下100 rpm振荡条件下固定化12 h，取出后用超纯水清洗干净，得到固定化生物吸附降解材料。

实施例3

将实施例1制备的10 mg固定化生物吸附降解材料加入100 mL，DEHP浓度为10 μg/L的模拟生活饮用水中，120rpm条件下进行振荡吸附降解，3h后，取出，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的DEHP，结果表明，固定化生物吸附降解材料对DEHP的去除率为85.8%。

实施例4

将实施例1制备的10 mg固定化生物吸附降解材料加入100 mL，邻苯二甲酸二正丁酯浓度为1 μg/L的模拟生活饮用水中，120 rpm条件下进行振荡吸附降解，3 h后，取出，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的邻苯二甲酸二正丁酯，结果表明，固定化生物吸附降解材料对邻苯二甲酸二正丁酯的去除率为73.2%。

实施例5

将实施例1制备的10 mg固定化生物吸附降解材料加入100 mL，邻苯二甲酸丁基苄酯浓度为100μg/L的模拟生活饮用水中，120 rpm条件下进行振荡吸附降解，3 h后，取出，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的邻苯二甲酸丁基苄酯，结果表明，固定化生物吸附降解材料对邻苯二甲酸丁基苄酯的去除率为91.7%。

固定化生物吸附降解材料的再生：当上述吸附降解材料重复使用20次后，由于角质酶活性的降低需重新固定化角质酶，将上述吸附了邻苯二甲酸丁基苄酯的固定化生物吸附降解材料加入到甲醇中超声震荡解吸1～2min，再加入到质量浓度为2～5%的硝酸溶液中超声震荡解吸1～2min，取出，清洗至中性，按照实施例1的固定化角质酶的方法固定角质酶，完成吸附降解材料的再生。

本发明的固定化生物吸附降解材料具有效率高，吸附降解量大等特点。以对DEHP吸附为例，相对于采用游离角质酶处理饮用水中DEHP，本发明吸附降解完成时间从4～8h缩短到2～3h，DEHP的去除效率从60～90%提高到70～95%；相对于采用从活性污泥中分离出的微生物降解去除饮用水中DEHP，其吸附降解完成时间从6～10d缩短到2～3h，DEHP的去除效率从40～80%提高到70～95%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种固定化生物吸附降解材料，其特征是，以多孔金纳米材料为载体，以聚乙烯亚胺为修饰剂，制备步骤为，将多孔金纳米材料通过硫辛酸活化后，和环氧氯丙烷反应，然后通过置换反应完成在多孔金纳米材料表面修饰聚乙烯亚胺，最后通过化学共价偶联法固定角质酶。

2.如权利要求1所述的固定化生物吸附降解材料，其特征是，所述聚乙烯亚胺的重均分子量为10000～20000。

3.一种如权利要求1或2 所述的固定化生物吸附降解材料的制备方法，其特征是，步骤为，将多孔金纳米材料置于硫辛酸溶液中，反应完成后得到表面羧基化材料；将所述表面羧基化材料加入吡啶和二甲基甲酰胺中，加热，加入环氧氯丙烷，反应完成后得到表面含氯基团材料；将所述表面含氯基团材料加入含聚乙烯亚胺的有机溶液中，反应，洗涤后得到聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料，将上述聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料化学交联角质酶，得到固定化生物吸附降解材料。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述多孔金纳米材料的制备方法是，取金银合金，洗涤，将洗涤后的金银合金于700～800℃下退火，将退火后的金银合金制成合金片；将合金片置于硝酸溶液中腐蚀，然后200～250℃下退火，制得多孔金纳米材料。

5.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述多孔金纳米材料、硫辛酸、环氧氯丙烷、聚乙烯亚胺的质量比为1: 0.05～0.1: 200～250: 30～50。

6.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料和角质酶的质量比为1:0.01～0.1。

7.如权利要求3所述的方法，其特征是，将表面含氯基团材料加入含聚乙烯亚胺的有机溶液中反应的温度为80～100℃。

8.一种如权利要求1或2或权利要求3-7任一项方法制备得到的固定化生物吸附降解材料去除水体中的邻苯二甲酸酯类物质的应用。

9.如权利要求8的应用，其特征是，步骤是，将固定化生物吸附降解材料加入到水体中，震荡吸附，温度为30～40℃，所述固定化生物吸附降解材料在水体中的添加量为50～100mg/L，所述水体的pH值为7～8。

10.如权利要求8或9的应用，其特征是，还包括聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料的再生，步骤为，将吸附了邻苯二甲酸酯类物质的固定化生物吸附降解材料加入到甲醇中超声震荡清洗，然后加入到质量浓度为2～5%的硝酸溶液中超声震荡解吸，取出解吸后的聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料，清洗，得到聚乙烯亚胺修饰的多孔金纳米材料。