CN111635025B - 绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系处理染料废水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用绿锈/葡萄糖‑葡萄糖氧化酶催化氧化体系处理染料废水的方法。首先调节待处理染料废水的pH，然后加入绿锈并搅拌均匀，待体系达到吸附‑脱附平衡后，在搅拌条件下加入葡萄糖、葡萄糖氧化酶溶液，最后通入O₂引发类Fenton反应。本发明以染料废水作为葡萄糖的溶剂，利用葡萄糖‑葡萄糖氧化酶反应产生H₂O₂；同时利用曝气装置曝入O₂，通过控制氧气的量使得H₂O₂缓慢释放，从一定程度上抑制了集中投加H₂O₂时发生的H₂O₂和·OH的副反应，提高了H₂O₂的利用率。此外本发明还以铁基材料绿锈作为活化H₂O₂的催化剂，产生多种具有强氧化性的活性物质，这些活性物质在增强体系氧化能力的同时高效的去除了水体中难降解的有机污染物。

Description

绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系处理染料废水的 方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种利用绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系处理染料废水的方法。

背景技术

印染行业在生产过程中会产生大量废水，这些废水的成分较为复杂，处理难度较大。Fenton反应作为化学氧化法中的一种，也被用于染料废水的处理并取得了一定的效果。该反应利用Fe²⁺和H₂O₂反应生成具有强氧化性的羟基自由基，废水中的污染物在羟基自由基的作用下分解成小分子物质，或者进一步矿化为CO₂和H₂O。根据药剂的投加方式不同，Fenton反应可以分为两类：一类是直接投加Fe²⁺和H₂O₂两种药剂，如传统Fenton、光Fenton；另一类是直接在反应的过程中原位生成H₂O₂和Fe²⁺，如电Fenton。虽然Fenton反应具有装置简单、反应速率快、降解彻底等优点，但同时也存在一些缺陷。第一，H₂O₂采用一次性投加的方式虽然使得前期去除率较高，但由于高浓度下H₂O₂的利用率不高，导致体系整体去除率低；第二，原位生成H₂O₂的技术存在副反应，导致H₂O₂的生成率低且能耗大，如电Fenton技术利用电极反应不断的将氧气还原为H₂O₂，但H₂O₂的产量受制于氧气在电解液中的传质过程和阴极的竞争反应。

绿锈(Green Rust，GR)是一种由Fe²⁺和Fe³⁺组成的氢氧化物，在结构上属于层状双金属氢氧化物。绿锈由正负电荷层组成，正电荷层由金属阳离子和氢氧根组成，负电荷层由阴离子和水分子组成，常见的阴离子有CO₃ ^2-、SO₄ ^2-、Cl^-。绿锈具有较高的化学活性，并且制备简单、成本低。Fenton试剂的反应原理是H₂O₂得到Fe(Ⅱ)释放的电子，产生羟基自由基。绿锈中大量Fe(Ⅱ)具有强大的供电子能力，最为关键的是绿锈中的Fe(Ⅱ)为结构态的二价铁，相比于溶解态的二价铁，绿锈表面具有高速流动的电子，增强了电子流动效率促进了电子转移。因此，绿锈的催化活性更高，在中性条件下同样具有良好的效果，有望成为Fenton试剂。

葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，简称GOD)是一种黄素蛋白，需氧脱氢酶。它是由两个相同的多肽链通过二硫键共价连接形成的二聚糖蛋白的氧化还原酶，能够专一的催化β-D-glucose生成H₂O₂和葡萄糖酸，已在生物医学领域得到广泛研究。葡萄糖-葡萄糖氧化酶体系具有以下特点：产H₂O₂反应为简单的酶促反应，无需外部能量引发；葡萄糖氧化酶具有高度专一性，从而避免了副反应的发生，提高了H₂O₂的浓度；原料中的葡萄糖氧化酶经固定化处理后，可以循环利用；最为重要的一点是可以通过控制O₂浓度达到缓慢释放H₂O₂的目的。因此，葡萄糖-葡萄糖氧化酶体系有望成为理想的Fenton试剂。

中国专利CN104909444A公开了一种有机绿锈的制备方法及其应用，通过将有机阴离子插层的绿锈材料与H₂O₂形成类Fenton体系，用于甲基橙有机污染物废水的处理。中国专利CN110680926A公开了一种纳米诊疗剂及其制备方法与应用，通过将葡萄糖氧化酶与无糖培养基以及水溶性Fenton试剂混合培养，制得葡萄糖氧化酶复合物溶液，在此基础上加入钙盐反应制得所述纳米诊断剂。该方案的基本原理为：葡萄糖氧化酶催化生物体内的葡萄糖分解成葡萄糖酸和H₂O₂，使肿瘤环境中的H₂O₂含量高于正常组织细胞，而所生成的H₂O₂与释放出来的Fenton试剂反应产生高细胞毒性的羟基自由基，激活氧化损伤引起的细胞死亡模式，促进脂质过氧化从而杀死肿瘤细胞，实现化学动力治疗癌症的效果。

本发明将绿锈与葡萄糖-葡萄糖氧化酶体系有机结合起来，利用二者各自优势构建了高效的绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系。相比于葡萄糖-葡萄糖氧化酶在医学中的应用体系，本申请充分发挥了绿锈层状结构和含有大量结构态二价铁等特点，绿锈的引入能够大量产生除羟基自由基以外的其他活性中间产物，如超氧根自由基、高价态的铁物种，多种活性物质协同作用增强了体系的氧化能力，提高了污染物的降解效率。目前有关绿锈与葡萄糖-葡萄糖氧化酶形成新型类Fenton体系，并用于废水处理还未见公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有废水处理中Fenton反应普遍存在的H₂O₂利用率不高、原位生成率低、能耗较高等不足，提供一种绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系处理染料废水的方法。该方法中的葡萄糖-葡萄糖氧化酶体系能够持续、高效地原位产出H₂O₂，绿锈提供的大量结构态二价铁比常规溶解态二价铁显示出更快的电子转移效率和更高的催化活性。利用两者组成的新型类Fenton体系处理染料废水时，能够大量生成多种活性氧物质(羟基自由基、超氧根自由基)和高价态的铁物种，多种氧化物质共同作用于废水中的染料分子，将其降解为小分子物质或者进一步降解为CO₂和H₂O。本发明方案利用原位产生的多种氧化物质协同增强了体系的氧化能力，提高了污染物的降解效率，进而成功开发出一种全新的染料废水处理方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系处理染料废水的方法，具体步骤如下：首先对待处理染料废水进行预处理，然后加入绿锈并搅拌均匀；待体系达到吸附-脱附平衡后，在搅拌条件下加入葡萄糖、葡萄糖氧化酶溶液，最后通入O₂引发类Fenton反应即可。

进一步的，所述预处理包括调节pH，具体为利用稀硫酸、氢氧化钠水溶液中的至少一种调节待处理染料废水的pH至3-9。

进一步的，上述步骤中使用的绿锈按照以下方法制备：在全程无氧条件下，边搅拌边将Fe₂(SO₄)₃水溶液、NaOH水溶液同时滴加到FeSO₄水溶液中，调整滴加速度使得混合液的pH维持在6.5-7.5，滴加完成后调节混合液的pH至中性并继续搅拌，最后固液分离、洗涤、干燥、研磨，得到绿锈粉体。

更进一步的，制备绿锈过程中所需的Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的摩尔比为2:1。

更进一步的，制备绿锈过程中所述固液分离、洗涤、干燥、研磨具体过程如下：首先将反应液离心得到浆液，然后抽滤得到滤饼，接着用无氧去离子水反复洗涤滤饼，最后将滤饼冷冻干燥并研磨过筛。

进一步的，所述葡萄糖氧化酶溶液的配制方法具体如下：将葡萄糖氧化酶与缓冲液混合均匀即可，所得溶液中葡萄糖氧化酶的含量为(15-25)U/mL，所述缓冲液为pH＝5.2的乙酸-乙酸钠溶液或者柠檬酸-柠檬酸钠溶液。

进一步的，待处理染料废水中绿锈的投加量为(0.5-2.5)g/L，葡萄糖的加入量为(0.1-0.5)mol/L，葡萄糖氧化酶溶液与待处理染料废水的体积比为(5-10):50。

进一步的，利用曝气装置向溶液中通入O₂，曝气量为(85-90)L/h。

进一步的，染料废水整个处理过程在25-35℃的恒温条件下进行，各个步骤的搅拌速度均控制在(125-150)r/min之间。

进一步的，所述待处理染料废水中的污染物包括罗丹明B、甲基橙、茜素红等。

进一步的，对比发现的最佳处理工艺为：待处理染料废水的pH调节至7，绿锈的投加量为2g/L，葡萄糖的加入量为0.3mol/L，葡萄糖氧化酶溶液与待处理染料废水的体积比为5:50。在此条件下染料废水中的罗丹明B去除效率最高。

相比于葡萄糖-葡萄糖氧化酶在医学中的应用体系(如CN110680926A)，本发明提供的其在绿锈存在条件下于染料废水中的应用体系具有以下特点：首先绿锈结构内的结合态铁离子与葡萄糖分子相互作用，改变了葡萄糖分子内部活性基团的电子密度分布和电子张力，降低了酶促反应的活化能，使得葡萄糖分子更容易发生脱氢反应，从而促进体系内H₂O₂产率的进一步提升；其次由于绿锈具备层状结构以及含有大量的结构态二价铁等特点，能够大量产生除羟基自由基以外的活性中间产物，如超氧根自由基、高价态的铁物种，这些不同类型的多种活性物质协同增强了体系的氧化能力，提高了污染物的降解效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果还体现在以下几个方面：①采用葡萄糖-葡萄糖氧化酶体系原位生产H₂O₂，无需外部能量引发；与其它原位产H₂O₂技术相比，葡萄糖氧化酶具有高度专一性，避免了副反应的发生，提高了Fenton反应中H₂O₂的浓度；②与传统的Fenton试剂相比，葡萄糖-葡萄糖氧化酶体系使得生成的H₂O₂可通过持续缓释的形式参与到氧化体系中，改进了H₂O₂的投加方式提高了H₂O₂的利用率；③绿锈中的Fe(Ⅱ)为结构态的二价铁，相比于溶解态的二价铁，绿锈表面具有高速流动的电子，增强了电子流动效率，促进了电子转移，因而具备较高的催化活性；④与现有的Fenton体系相比，本发明的氧化体系中能产生大量活性氧物质(羟基自由基、超氧根自由基)和高价态的铁物种，多种具有氧化性的物质协同作用于有机污染物，提高了有机污染物的降解效率；⑤此外由于绿锈中的Fe(Ⅱ)含量较高，其催化生成活性中间产物(羟基自由基、超氧根自由基、高价态的铁物种)的效率也得到了大幅度提高，进而使得该催化氧化体系具有较高的降解率；⑥本发明还具有简单易行、操作方便等优点，应用前景较好。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。

本发明以Fenton氧化反应机理为基础，即绿锈与葡萄糖-葡萄糖氧化酶体系产的H₂O₂作用，生成大量活性氧物质(羟基自由基、超氧根自由基)和高价态的铁物种，最终将染料废水中的大分子(如罗丹明B等)降解为小分子有机物或者矿化为CO₂和H₂O等物质。

实验前先备好葡萄糖氧化酶溶液、绿锈等原料。葡萄糖氧化酶溶液的制备方法如下：称取10mg含量为100U/mg的葡萄糖氧化酶，将其加入到50mL、pH＝5.2的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，搅拌均匀得到浓度为20U/mL的葡萄糖氧化酶溶液。绿锈的制备方法如下：用分析天平称取一定量Fe₂(SO₄)₃和FeSO₄(要求Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)摩尔比＝2:1)，分别溶于无氧去离子水中，得到Fe₂(SO₄)₃水溶液和FeSO₄水溶液；在无氧条件下(厌氧培养箱)将FeSO₄水溶液置于三口烧瓶内，将Fe₂(SO₄)₃水溶液和浓度为1mol/L的NaOH水溶液转移到三口烧瓶两侧的恒压漏斗中；同时向FeSO₄水溶液中滴加Fe₂(SO₄)₃水溶液和NaOH水溶液，并且不断的进行搅拌(搅拌速度控制在125-150r/min，下同)，调整NaOH水溶液的滴加速度使反应液的pH维持在6.5-7.5之间；滴加结束后调节溶液的pH稳定在7，继续搅拌1h；搅拌结束后离心分离得到浆液，采用布氏漏斗进行抽滤，得到的滤饼用无氧去离子水反复冲洗，最后将滤饼冷冻干燥并研磨过筛，得到绿锈粉末，保存在无氧环境中备用。为了简化起见，我们采用含罗丹明B的模拟废水代替印染废水进行实验，模拟废水的配制方法如下：将0.015g罗丹明B粉末和适量水置于烧杯中，搅拌使固体充分溶解，所得溶液转移至500mL棕色容量瓶中并定容摇匀，pH＝6.2。

实施例1

量取50mL模拟废水(罗丹明B浓度为30mg/L)置于锥形瓶中，将锥形瓶放入30℃的恒温振荡器中，再加入0.1g绿锈，用稀硫酸或氢氧化钠水溶液调节溶液的pH至7.0。所得溶液以150r/min的转速搅拌15min后加入0.015mol葡萄糖和5mL葡萄糖氧化酶溶液，利用曝气装置向溶液中通入O₂进行反应，曝气量90L/h，总反应时间120min。期间每隔15min取样，样品用针筒经0.45μm的滤膜除去未反应绿锈从而终止反应，接着通过紫外可见分光光度计在553nm处测定样品的吸光度，最后对水样中罗丹明B的浓度进行分析，结果如下表1所示。

表1不同反应时间下模拟废水中罗丹明B的降解率表

以上结果表明，绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系具有较强的氧化能力，对罗丹明B具有较高的降解效率，反应75min后模拟废水中罗丹明B的降解率达到95.65％。

实施例2

参照实施例1的方法，研究了不同pH值条件下模拟废水中罗丹明B的去除率。分别量取4组50mL模拟废水(罗丹明B浓度为30mg/L)置于锥形瓶中，接着将锥形瓶放入30℃的恒温振荡器中，每组溶液中再加入0.1g绿锈，用稀硫酸或氢氧化钠水溶液分别调节溶液的pH至3.0、5.0、7.0和9.0。所得各组溶液以150r/min的转速搅拌15min后加入0.015mol葡萄糖和5mL葡萄糖氧化酶溶液，利用曝气装置向溶液中通入O₂进行反应，曝气量90L/h，总反应时间120min。反应完成后按照同样的方法取样进行分析测试，结果如下表2所示。

表2不同pH值条件下模拟废水中罗丹明B的去除率表

表2的结果说明，绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系在不同的酸碱环境下均具有一定的降解效果，并且中性条件下降解率最好。

实施例3

参照实施例1的方法，研究了不同绿锈投加量条件下模拟废水中罗丹明B的去除率。分别量取4组50mL模拟废水(罗丹明B浓度为30mg/L)置于锥形瓶中，接着将锥形瓶放入30℃的恒温振荡器中，每组溶液中分别加入0.025g、0.075g、0.1g、0.125g绿锈，使得溶液中绿绣的浓度分别为0.5g/L、1.5g/L、2.0g/L和2.5g/L。用稀硫酸或氢氧化钠水溶液分别调节溶液的pH至7.0。所得各组溶液以150r/min的转速搅拌15min后加入0.015mol葡萄糖和5mL葡萄糖氧化酶溶液，利用曝气装置向溶液中通入O₂进行反应，曝气量90L/h，总反应时间120min。反应完成后按照同样的方法取样进行分析测试，结果如下表3所示。

表3不同绿锈投加量条件下模拟废水中罗丹明B的去除率表

由表3结果可以看出，绿锈的投加量为2.0g/L时模拟废水中罗丹明B的去除率已经达到最好，继续增加绿锈的浓度罗丹明B的去除效果无明显增强。

实施例4

参照实施例1的方法，考察了绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系对罗丹明B模拟废水矿化率的影响。量取50mL模拟废水(罗丹明B浓度为30mg/L)置于锥形瓶中，接着将锥形瓶放入30℃的恒温振荡器中，再加入0.1g绿锈，用稀硫酸或氢氧化钠水溶液调节溶液的pH至7.0。所得溶液以150r/min的转速搅拌15min后加入0.015mol葡萄糖和5mL葡萄糖氧化酶溶液，利用曝气装置向溶液中通入O₂进行反应，曝气量90L/h，总反应时间120min。期间每隔15min取样，样品用针筒经0.45μm的滤膜除去未反应绿锈从而终止反应，接着采用TOC分析仪定量检测水样的TOC，用TOC的去除率表征矿化率，结果如下表4所示。

表4绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系对罗丹明B的矿化率

表4的结果表明，绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系对模拟废水中有机污染物的矿化率较高。

实施例5

参照实施例1的方法，考察了绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系对实际印染废水的降解效果。实际印染废水取自广东省中山市某印染厂调节池，水质参数：COD为750mg/L，色度500倍，pH为5-7。

随机采集50mL上述印染废水样品置于锥形瓶中，快速将锥形瓶放入30℃的恒温振荡器中，再加入0.1g绿锈，用氢氧化钠水溶液调节溶液的pH至7.0。所得溶液以150r/min的转速搅拌15min后加入0.015mol葡萄糖和5mL葡萄糖氧化酶溶液，利用曝气装置向溶液中通入O₂进行反应，曝气量90L/h，反应120min。反应完成后取样检测出水水质，结果如下：COD为200mg/L，色度为80倍，pH为4-6。

以上结果表明，实际印染废水的COD去除率为73.3％，色度去除率为80％，进一步说明绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系对印染废水的处理能够取得良好的效果。

Claims (7)

1.绿锈/葡萄糖-葡萄糖氧化酶催化氧化体系处理染料废水的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

首先调节待处理染料废水的pH至3-9，然后加入绿锈并搅拌均匀；待体系达到吸附-脱附平衡后，在搅拌条件下加入葡萄糖、酶含量为(15-25)U/mL的葡萄糖氧化酶溶液，最后通入O₂反应；

绿锈的制备方法如下：在全程无氧条件下，边搅拌边将Fe₂(SO₄)₃水溶液、NaOH水溶液同时滴加到FeSO₄水溶液中，调整滴加速度使得混合液的pH维持在6.5-7.5之间，滴加完成后调节混合液的pH至中性并继续搅拌，最后分离提纯即可，其中Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的摩尔比为2:1；

待处理染料废水中绿锈的投加量为(0.5-2.5)g/L，葡萄糖的加入量为(0.1-0.5)mol/L，葡萄糖氧化酶溶液与待处理染料废水的体积比为(5-10):50。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分离提纯包括固液分离、洗涤、干燥、研磨，具体过程如下：首先将反应液离心得到浆液，然后抽滤得到滤饼，接着用无氧去离子水反复洗涤滤饼，最后将滤饼冷冻干燥并研磨过筛。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述葡萄糖氧化酶溶液的配制方法具体如下：将葡萄糖氧化酶与缓冲液混合均匀即可，所述缓冲液为pH=5.2的乙酸-乙酸钠溶液或者柠檬酸-柠檬酸钠溶液。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：待处理染料废水的pH调节至7，绿锈的投加量为2g/L，葡萄糖的加入量为0.3mol/L，葡萄糖氧化酶溶液与待处理染料废水的体积比为5:50。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：利用曝气装置向溶液中通入O₂ ，曝气量为(85-90)L/h。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：染料废水整个处理过程在25-35℃的恒温条件下进行，各个步骤的搅拌速度均在(125-150)r/min之间。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述待处理染料废水中的污染物包括罗丹明B、甲基橙、茜素红。