CN116004569A - 一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂及其应用方法，该酶诱导磷酸盐沉淀固化剂包括植酸酶和植酸钠，所述植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：(5～50)，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol，该应用方法包括将植酸酶溶液、植酸钠溶液加入含重金属可溶性盐的溶液中，得到修复体系，将所述修复体系静置12h～72h，完成重金属污染修复。本发明的酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，相对于传统的MICP和EICP具有酶活性更适宜的特点，既可以避免碳酸根离子含量较低也可以避免铜氨络合物生成而增加重金属迁移扩散风险，重金属固化率最高可达96.5％，具有重金属固化效果显著提高的特点。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂及其应用方法。
背景技术
目前，随着社会发展快速发展，土壤和水体重金属污染严重，这些重金属污染物会通过食物链的富集作用威胁人类的健康。重金属污染地下水修复技术主要可分为异位修复技术和原位修复技术两类，重金属污染土壤修复方法，主要可以分为：物理方法、化学方法和生物方法。生物方法中，MICP(微生物诱导碳酸盐沉积)和EICP(酶诱导碳酸盐沉淀)技术已有大量研究，例如：专利号为CN202010707932.5发明专利提出了“一种有机物联合植物脲酶加固土体的方法”，用来固化土体；专利号为CN202210790309.X的发明专利提出了“一种基于MICP技术的河道污泥资源再利用处理方法”，用于河道污泥治理，专利号为CN202210009189.5提出了“一种利用凹凸棒黏土促进微生物诱导碳酸盐沉淀的方法”，用于水体和土壤中修复重金属。但是对于MICP和EICP技术在修复重金属铜污染时，所用的酶在重金属铜污染中会变性甚至失去活性，无法分解尿素产生碳酸根离子，而酶活性较高时，强碱环境促进铜氨络合物的生成，这一络合物以离子的形式存在，使得固化铜离子效果减弱，此外酶也容易在强酸环境下失去活性，在极端pH环境下修复效率接近于零；另外，修复过程中生成的有害副产物氨氮会进一步污染地下水，对周边环境造成二次污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂及其应用方法。本发明的酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，相对于传统的MICP和EICP，具有酶活性更适宜的特点，既可以避免因为酶活性不足所造成的碳酸根离子含量较低的缺陷，也可以避免因酶活性过高，造成过多无法固化的铜氨络合物生成进而降低重金属固化效果的缺陷，重金属固化率最高可达96.5％，具有重金属固化效果显著提高的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂，其特征在于，包括植酸酶和植酸钠，所述植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：(5～50)，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol。
此外，本发明还提供一种应用上述的酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的方法，其特征在于，包括将植酸酶溶液和植酸钠溶液加入含重金属可溶性盐的溶液中，得到修复体系，将所述修复体系静置12h～72h，完成重金属污染修复。
上述的方法，其特征在于，所述修复体系中，重金属离子的物质的量浓度为5mmol/L～50mmol/L，植酸钠的物质的量与重金属离子的物质的量之比为1:1，植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：(5～50)，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol。
上述的方法，其特征在于，所述植酸酶溶液的制备方法包括：
步骤101、将含植酸酶的固体饲料添加剂溶于蒸馏水中，得到含植酸酶体系A；
步骤102、磁力搅拌步骤101所述含植酸酶体系A，得到含植酸酶体系B；
步骤103、将步骤102所述含植酸酶体系B离心除杂，提取上清液，得到植酸酶溶液。
上述的方法，其特征在于，步骤101中所述含植酸酶体系A中植酸酶浓度为40g/L～100g/L。
上述的方法，其特征在于，步骤102中磁力搅拌含植酸酶体系A的时间为10min～30min。
上述的方法，其特征在于，步骤103中所述离心速度为4000转/min，离心时间为5min。
上述的方法，其特征在于，在静置之前还包括调节所述修复体系的pH为4.5～7.5。
上述的方法，其特征在于，调节所述修复体系的pH为用氢氧化钠溶液进行调节。
上述的方法，其特征在于，所述重金属为铜。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，相对于传统的MICP和EICP修复技术，具有酶活性更适宜的特点，既可以避免因为酶活性不足所造成的碳酸根离子含量较低的缺陷，也可以避免因酶活性过高，导致铜氨络合物生成进而降低重金属固化效果的缺陷，重金属固化率最高可达96.5％，具有重金属固化效果显著提高的特点。
2、本发明酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，可有效避免副产物氨氮产生，防止地下水污染，具有显著降低环境二次污染的特点。
3、本发明酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，通过将重金属转化为磷酸盐，实现重金属的固化，相对于传统的MICP和EICP修复技术，具有固化沉积物化学稳定性更高的特点。
4、本发明酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，包括将植酸钠与提前配制好的植酸酶溶液混合，得到修复体系，可有效避免含植酸酶固体饲料中的杂质对修复效率的影响。
5、优选的，本发明酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，还包括调节修复体系的pH为4.5～7.5，可有效实现极端环境下重金属的脱除，得到更好的重金属的固化条件。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
说明书附图
图1为实施例2在不同pH下植酸酶的活性测定流程示意图。
图2为实施例2植酸酶活性测定结果示意图。
图3为实施例3配制得到调节后修复体系的流程示意图。
图4为实施例3～22的重金属修复效率。
图5为pH值在7.5时对比例1和本发明重金属修复效率对比图。
具体实施方式
以下结合实施例具体说明本发明的内容，下列说明并非对本发明的限制。
按本发明的方法制备得到一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂及其应用方法，具体如下。
实施例1
本实施例提供一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，包括：
步骤一、将硝酸铜溶于蒸馏水，得到硝酸铜溶液；所述硝酸铜溶液中硝酸铜的浓度为200mmol/L；
步骤二、将植酸钠溶于蒸馏水，得到浓度为100mmol/L的植酸钠溶液；所述植酸钠相对分子质量为923.82；
步骤三、将0.5mL浓度为40g/L的植酸酶溶液、1mL浓度为100mmol/L的植酸钠溶液与0.5mL步骤一的硝酸铜溶液混合，向混合后体系中加入蒸馏水至20mL，得到修复体系；所述修复体系的pH为2；
步骤四、将所述修复体系静置45h，完成重金属污染修复。
所述植酸酶溶液的制备方法包括：
步骤101、将含植酸酶的固体饲料添加剂溶于蒸馏水中，定容到100mL，得到植酸酶浓度为40g/L的含植酸酶体系A；所述含植酸酶的固体饲料添加剂中植酸酶的质量百分含量为20％；所述含植酸酶的固体饲料添加剂购买于宁夏夏盛实业集团有限公司，所述植酸酶采用生产植酸酶的黑曲霉(Aspergillus niger)优良菌株，经液体深层发酵技术和后处理工艺精制，研制出耐热耐酸植酸酶PremierⅠ；
步骤102、磁力搅拌步骤101所述含植酸酶体系A20min，得到上清液，将所述上清液室温静置10min，得到含植酸酶体系B；
步骤103、将步骤102所述含植酸酶体系B离心除杂，提取上清液，得到植酸酶溶液；所述离心速度为4000转/min，离心时间为5min；步骤二和步骤三磁力搅拌和离心除杂主要作用在于去除体系中的不溶物。
本实施例中，铜修复效率为2.53％。
实施例2
本实施例提供一种在不同pH下植酸酶的活性测定，测试流程如图1所示，包括：
步骤一、将0.5mL实施例1所述植酸酶溶液和1mL植酸钠溶液加入试管1中，用蒸馏水定容至20mL；所述植酸酶的浓度为40g/L，所述植酸钠溶液的浓度为100mmol/L；
步骤二、将步骤一中定容后溶液分别用NaOH溶液调节pH为4.5～7.5，室温静置30min，提取上清液，测量磷酸根浓度；所述NaOH溶液浓度为0.5mol/L，所述测定磷酸根浓度方法为钼锑抗分光光度法，植酸酶活性(U/kg)＝C×n/(t×m)，其中，C＝分光光度计数值，n＝稀释倍数，m＝含植酸酶固体饲料添加剂质量(g)，t＝反应时间(min)。图2为植酸酶活性结果示意图，在pH为4.5时，植酸酶活性为2435U/g，在pH为5.5时，植酸酶活性为2353.5U/g；在pH为6.5时，植酸酶活性为1497.5U/g，在pH为7.5时，植酸酶活性为1258.5U/g，可见，随着pH提高，植酸酶活性呈现下降趋势，表明本发明所用植酸酶在酸性条件下具有较高活性。
实施例3
本实施例提供一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，包括：
步骤一、将硝酸铜溶于蒸馏水，得到硝酸铜溶液；所述硝酸铜溶液中硝酸铜的浓度为200mmol/L；
步骤二、将植酸钠溶于蒸馏水，得到浓度为100mmol/L的植酸钠溶液；所述植酸钠相对分子质量为923.82；
步骤三、按照预设的植酸钠的物质的量与铜离子物质的量之比为1:1，且植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：5，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol，配制铜离子浓度为5mmol/L的修复体系，用浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为4.5，得到调节后修复体系，配制得到调节后修复体系的流程示意图如图3所示；配制铜离子浓度为5mmol/L的修复体系具体包括：将0.5mL浓度为40g/L的植酸酶溶液、1mL浓度为100mmol/L的植酸钠溶液与0.5mL步骤一的硝酸铜溶液混合，向混合后体系中加入蒸馏水至20mL，得到修复体系；
步骤四、将所述调节后修复体系静置45h，完成重金属污染修复。
所述植酸酶溶液的制备方法包括：
步骤101、将含植酸酶的固体饲料添加剂溶于蒸馏水中，定容到100mL，得到植酸酶浓度为40g/L的含植酸酶体系A；所述含植酸酶的固体饲料添加剂中植酸酶的质量百分含量为20％；所述含植酸酶的固体饲料添加剂购买于宁夏夏盛实业集团有限公司，所述植酸酶采用生产植酸酶的黑曲霉(Aspergillus niger)优良菌株，经液体深层发酵技术和后处理工艺精制，研制出耐热耐酸植酸酶PremierⅠ；
步骤102、磁力搅拌步骤101所述含植酸酶体系A20min，得到上清液，将所述上清液室温静置10min，得到含植酸酶体系B；
步骤103、将步骤102所述含植酸酶体系B离心除杂，提取上清液，得到植酸酶溶液；所述离心速度为4000转/min，离心时间为5min。
实施例4
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于，步骤三中所述调节后修复体系的pH为5.5。
实施例5
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于，步骤三中所述调节后修复体系的pH为6.5。
实施例6
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于，步骤三中所述调节后修复体系的pH为7.5。
实施例7
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为10mmol/L。
实施例8
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为30mmol/L。
实施例9
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为40mmol/L。
实施例10
本实施例与实施例3相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为50mmol/L。
实施例11
本实施例与实施例4相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为10mmol/L。
实施例12
本实施例与实施例4相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为30mmol/L。
实施例13
本实施例与实施例4相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为40mmol/L。
实施例14
本实施例与实施例4相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为50mmol/L。
实施例15
本实施例与实施例5相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为10mmol/L。
实施例16
本实施例与实施例5相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为30mmol/L。
实施例17
本实施例与实施例5相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为40mmol/L。
实施例18
本实施例与实施例5相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为50mmol/L。
实施例19
本实施例与实施例6相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为10mmol/L。
实施例20
本实施例与实施例6相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为30mmol/L。
实施例21
本实施例与实施例6相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为40mmol/L。
实施例22
本实施例与实施例6相同，其中不同之处在于，步骤三中修复体系中的铜离子浓度为50mmol/L。
实施例23
本实施例提供一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，包括：
步骤一、将硝酸铜溶于蒸馏水，得到硝酸铜溶液；所述硝酸铜溶液中硝酸铜的浓度为100mmol/L；
步骤二、将植酸钠溶于蒸馏水，得到浓度为200mmol/L的植酸钠溶液；所述植酸钠相对分子质量为923.82；
步骤三、按照预设的植酸钠的物质的量与铜离子物质的量之比为1:1，且植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：50，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol，配制铜离子浓度为50mmol/L的修复体系，用浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为4.5，得到调节后修复体系；配制铜离子浓度为50mmol/L的修复体系具体包括：将0.2mL浓度为100g/L植酸酶溶液、5mL浓度为200mmol/L的植酸钠溶液与10mL步骤一的硝酸铜溶液混合，向混合后体系中加入蒸馏水至20mL，得到修复体系；
步骤四、将所述调节后修复体系静置72h，完成重金属污染修复。
所述植酸酶溶液的制备方法包括：
步骤101、将含植酸酶的固体饲料添加剂溶于蒸馏水中，定容到100mL，得到植酸酶浓度为100g/L的含植酸酶体系A；所述含植酸酶的固体饲料添加剂中植酸酶的质量百分含量为20％；所述含植酸酶的固体饲料添加剂购买于宁夏夏盛实业集团有限公司，所述植酸酶采用生产植酸酶的黑曲霉(Aspergillus niger)优良菌株，经液体深层发酵技术和后处理工艺精制，研制出耐热耐酸植酸酶PremierⅠ；
步骤102、磁力搅拌步骤101所述含植酸酶体系A10min，得到上清液，将所述上清液室温静置10min，得到含植酸酶体系B；
步骤103、将步骤102所述含植酸酶体系B离心除杂，提取上清液，得到植酸酶溶液；所述离心速度为4000转/min，离心时间为5min。
本实施例中，铜的修复效率为86.91％。
实施例24
本实施例提供一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的应用方法，包括：
步骤一、将硝酸铜溶于蒸馏水，得到硝酸铜溶液；所述硝酸铜溶液中硝酸铜的浓度为100mmol/L；
步骤二、将植酸钠溶于蒸馏水，得到浓度为200mmol/L的植酸钠溶液；所述植酸钠相对分子质量为923.82；
步骤三，按照预设的植酸钠的物质的量与铜离子物质的量之比为1:1，且植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：20，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol，配制铜离子浓度为25mmol/L的修复体系，用浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为7.5，得到调节后修复体系；配制铜离子浓度为25mmol/L的修复体系具体包括：将0.25mL浓度为100g/L植酸酶溶液、2.5mL浓度为200mmol/L的植酸钠溶液与5mL步骤一的硝酸铜溶液混合，向混合后体系中加入蒸馏水至20mL，得到修复体系；
步骤四、将所述调节后修复体系静置12h，完成重金属污染修复。
所述植酸酶溶液的制备方法包括：
步骤101、将含植酸酶的固体饲料添加剂溶于蒸馏水中，定容到100mL，得到植酸酶浓度为100g/L的含植酸酶体系A；所述含植酸酶的固体饲料添加剂中植酸酶的质量百分含量为20％；所述含植酸酶的固体饲料添加剂购买于宁夏夏盛实业集团有限公司，所述植酸酶采用生产植酸酶的黑曲霉(Aspergillus niger)优良菌株，经液体深层发酵技术和后处理工艺精制，研制出耐热耐酸植酸酶PremierⅠ；
步骤102、磁力搅拌步骤101所述含植酸酶体系A30min，得到上清液，将所述上清液室温静置10min，得到含植酸酶体系B；
步骤103、将步骤102所述含植酸酶体系B离心除杂，提取上清液，得到植酸酶溶液；所述离心速度为4000转/min，离心时间为5min。
本实施例中，铜的修复效率为93.2％。
对比例1
本对比例提供一种应用上述酶诱导碳酸盐沉淀固化剂进行重金属污染修复的方法即EICP，包括：将脲酶溶液和尿素溶液混合后加入硝酸铜溶液中，用蒸馏水定容至20mL，用浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节pH为7.5，静置反应48h，完成重金属污染修复；定容后所述体系中，铜离子的浓度为5～50mmol/L，定容后所述体系中，尿素的物质的量与铜离子物质的量之比为1:1，所述脲酶的质量与尿素的物质的量之比为1:5，所述脲酶的质量单位为g，尿素的物质的量的单位为mmol；
所述脲酶溶液的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将刀豆置于破壁机中粉碎3min，过筛，得到刀豆粉体；所述刀豆为成熟且烘干后的刀豆；所述粉碎的转速为10000r/min；所述刀豆粉体的粒径为0.15mm～1mm；
步骤二、将20g步骤一所述刀豆粉体加入200mL乙醇溶液中，搅拌10min，得到混合体系A；所述乙醇溶液的质量百分浓度为40％；
步骤三、将步骤二所述混合体系A离心，得到上清液，将所述上清液静置，得到混合体系B；所述离心具体包括：将所述混合体系A均分后置于离心管中，以8000r/min速率离心10min；所述静置为在-5℃条件下静置12h；
步骤四、将步骤三所述混合体系B离心除杂，去除上清液，冷冻，得到粗制脲酶；所述离心除杂为在离心机中，以4000r/min速率处理10min；所述冷冻为在-5℃温度条件下冷冻；
步骤五、将步骤四所述粗制脲酶溶于水中，得到浓度为60g/L的脲酶溶液。
性能评价
图4为实施例3～22的重金属修复效率。根据图4可见，相同铜离子浓度条件下，随着pH值升高其修复效率逐渐升高，最高修复效率达到96.5％，这表明本发明在酸性条件下修复重金属效果显著，表明本发明在磷酸盐沉淀修复重金属铜离子污染水的优越性。其中修复效率的测试和计算方法包括：将完成重金属污染修复后体系离心取上清液，使用0.22μm的针式过滤器过滤，加入蒸馏水进行稀释，用原子吸收分光光度计测量Cu2+浓度，其中离心速率可以为4000～8000r/min，时间可以为5～15min。
根据下述公式计算修复效率：
铜修复效率＝[(CI-CR)/CI]×100％
其中，CI为Cu2+初始浓度，CR为修复过后Cu2+剩余浓度。
图5为pH值在7.5时EICP(对比例1)技术和本发明实施例6、19～22(EIPP技术)重金属修复效率对比图，采用本发明的方法进行铜离子修复，在pH为7.5时，且不经强化修复的条件下，相对EICP技术，EIPP(本发明)技术修复效率依然较高。这一结果体现出本发明提出的酶诱导磷酸盐沉淀生成的磷酸盐沉淀更为稳定，修复效果更为显著。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种酶诱导磷酸盐沉淀固化剂，其特征在于，包括植酸酶和植酸钠，所述植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：(5～50)，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol。
2.一种应用如权利要求1所述的酶诱导磷酸盐沉淀固化剂的方法，其特征在于，包括将植酸酶溶液和植酸钠溶液加入含重金属可溶性盐的溶液中，得到修复体系，将所述修复体系静置12h～72h，完成重金属污染修复。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述修复体系中，重金属离子的物质的量浓度为5mmol/L～50mmol/L，植酸钠的物质的量与重金属离子的物质的量之比为1:1，植酸酶的质量与植酸钠的物质的量之比为1：(5～50)，所述植酸酶的质量单位为g，植酸钠的物质的量的单位为mmol。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述植酸酶溶液的制备方法包括：
步骤101、将含植酸酶的固体饲料添加剂溶于蒸馏水中，得到含植酸酶体系A；
步骤102、磁力搅拌步骤101所述含植酸酶体系A，得到含植酸酶体系B；
步骤103、将步骤102所述含植酸酶体系B离心除杂，提取上清液，得到植酸酶溶液。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤101中所述含植酸酶体系A中植酸酶浓度为40g/L～100g/L。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤102中磁力搅拌含植酸酶体系A的时间为10min～30min。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤103中所述离心速度为4000转/min，离心时间为5min。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在静置之前还包括调节所述修复体系的pH为4.5～7.5。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，调节所述修复体系的pH为用氢氧化钠溶液进行调节。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重金属为铜。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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