專利名稱：載酶硅基介孔分子篩sba-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用載酶硅基介孔分子篩SBA-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)的方法， 屬固定化酶生物催化劑應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
含酚廢水主要來自焦化廠、煤氣廠、石化廠、絕緣材料廠等工業(yè)部門以及石油裂解制乙 烯、合成苯酚、聚酰胺纖維、合成染料、有機農(nóng)藥和酚醛樹脂等生產(chǎn)過程。酚類化合物是水 環(huán)境中常見的有機污染物，屬極性、可離子化、弱酸性有機物，是一種原生質(zhì)毒物。長期飲 用被酚污染的水可引起慢性積累性中毒，飲用水中即使含酚濃度只有0.002mg/L，也會影響 人體健康。酚對水生生物、農(nóng)作物都有一定的毒害，如水中含酚0.1 0.2mg/L時，魚肉即有 臭味不能食用。用含酚濃度高于100mg/L的水直接灌溉農(nóng)田，會引起農(nóng)作物的減產(chǎn)甚至枯 死。因此，，對含酚廢水的治理是十分必要的。
含酚廢水的酶催化氧化處理法，即用一種特定的酶催化氧化從水中析出酚，再經(jīng)固液分 離從水中去除酚，應(yīng)用最廣泛的酶為辣根過氧化物酶(HRP)。 HRP是從生物體內(nèi)的酶中提取 精制而成的，在HRP的作用下，氧化劑(H202)將酚氧化，產(chǎn)生了活性高的苯氧自由基等中 間物，它們從酶的活性中心擴散到溶液各處，與酶分子或苯氧自由基本身發(fā)生反應(yīng)，生成了 一系列的聚合物。這些聚合物具有高分子量和低水溶性的特性，因而易從溶液中沉淀析出。 但是游離的HRP和其他游離酶一樣，易受環(huán)境條件影響而失活，且難以實現(xiàn)重復(fù)利用，而固 定化HRP是提高其重復(fù)使用性和改善其穩(wěn)定性的有效手段，利用固定化酶生物催化劑良好的 酶分散性、較高的載酶量和較高的酶活，從而對水中酚具有較高的去除效率。
傳統(tǒng)的固定化HRP方法使用硅膠、纖維素和微孔玻璃等作為載體固定化HRP，但或是酶 與載體之間結(jié)合力弱，對pH、鹽濃度、溫度等條件要求苛刻；或是固定化酶制備過程較困難， 且酶重復(fù)使用性差；或是制得的固定化酶易漏失，存在著擴散限制、催化反應(yīng)受傳質(zhì)阻力影 響、不宜催化大分子底物反應(yīng)等問題。 因此，采用新的酶固定化載體是有意義和迫切需要 的。使用介孔分子篩作為載體，具有潛在的優(yōu)勢。首先，介孔分子篩表面富有羥基，能對孔 道中的溶液pH起到緩沖作用，使得孔道內(nèi)溶液pH變化范圍與外部的主體溶液相比要窄一些， 從而使得固定化HRP的穩(wěn)定性受溶液中pH變化的影響減小。其次，由于介孔分子篩具有均 一的孔徑和大的孔容積，選用合適的介孔分子篩固定HRP，可以使大部分被固定的HRP分子 處于介孔分子篩的孔道中，根據(jù)熱傳遞理論，孔道中的溫度低于溶液的主體溫度，因此固定 化后的HRP的最適溫度也有相應(yīng)的提高。最后，HRP固定在介孔孔道內(nèi)會與孔壁上的羥基發(fā)生氫鍵作用，以及在介孔孔道內(nèi)產(chǎn)生的納米效應(yīng)的影響，會使其構(gòu)象的穩(wěn)定性有一定程度的 增強，從而使得HRP在固定化后穩(wěn)定性增強。
目前用介孔分子篩固定化HRP的報道并不多，用SBA-15固定化HRP并用于水中酚處 理仍未見報道。本發(fā)明使用SBA-15固定化HRP制得載酶SBA-15，并將其應(yīng)用于催化氧化 析出水中酚，另外通過采用海藻酸鈉對載酶SBA-15進(jìn)行二次固定化，減少了酶在使用過程 中的泄漏量，提高了酶的重復(fù)使用次數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種使用載酶SBA-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)的方法。本發(fā)明 以硅基介孔分子篩SBA-15為載體，在SBA-15的介孔孔道和外表面同時固定辣根過氧化物酶 (HRP)，以H202為氧化劑，利用HRP對酚類化合物催化氧化生成沉淀物的機理，達(dá)到從水 中析出酚類污染物的目的。
本發(fā)明系一種載酶硅基介孔分子篩SBA-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)的方法，其特征 在于具有以下的過程和步驟
a. 硅基介孔分子篩SBA-15的制備將4重量份聚環(huán)氧乙烯醚一聚環(huán)氧丙烯醚一聚環(huán)氧 乙烯醚三嵌段共聚物(P123)溶解于120重量份的2M的鹽酸溶液和30重量份的去離 子水中，然后加入8.5重量份的正硅酸乙酯(TEOS),并在35'C下持續(xù)攪拌20h;隨 后將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在8(TC靜置條件下反應(yīng)24h;最后將 固體產(chǎn)物收集，水洗，室溫干燥；在8h內(nèi)將溫度緩慢升至50(TC，并恒溫煅燒6h，得 到硅基介孔分子篩SBA-15;
b. 載酶SBA-15的制備將步驟a制得的0.1~0.5g的SBA-15加入到10 50ml的磷酸氫 二鈉-磷酸二氫鈉緩沖溶液中，控制反應(yīng)pH值為4 12，并置于磁力攪拌器上攪拌l 2h，使反應(yīng)物在溶液中分散均勻；攪拌完畢，將l 15mg的辣根過氧化物酶(HRP) 加入到溶液中繼續(xù)攪拌，時間為1 10h;隨后過濾，并用二次水和磷酸鹽緩沖溶液輪 流反復(fù)沖洗SBA-15，之后將產(chǎn)物進(jìn)行室溫干燥，得到載酶SBA-15。
c. 載酶SBA-15的二次固定化將上述干燥后的0.1~0.5g載酶SBA-15加入到5ml 3 M 10M(w/w)海藻酸鈉溶液中，攪拌均勻后，用注射器將上述溶液滴入2% 5%(w/w) 氯化鈣溶液中，使其反應(yīng)l一4h;制得粒徑為2 6mm的凝膠珠，即為二次固定化載 酶SBA-15。
d. 使用原級載酶SBA-15或二次固定化載酶SBA-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)
(1).使用原級載酶SBA-15催化氧化析出水中酚將0.1 0.5g載酶SBA-15加入到15ml酚濃度為1 500mg/L、pH值為2-10的含酚水溶液中，同時加入2 5mmol/L的H202，
持續(xù)攪拌0.5 6h，最終析出酚類物質(zhì)； (2).使用二次固定化載酶SBA-15催化氧化析出水中酚:將上述二次固定化載酶SBA-15
凝膠珠加入到15ml酚濃度為l 500mg/L、 pH值為4~10的含酚水溶液中，同時加入
2 5mmol/LH202,持續(xù)攪拌0.5 6h，最終析出酚類物質(zhì)。 本發(fā)明中制備的載酶SBA-15對酚濃度為l 500mg/L的含酚水溶液的催化氧化析出效果 較好，經(jīng)過二次固定化后的載酶SBA-15凝膠珠，其重復(fù)使用性能更佳，重復(fù)使用6次后， 酚去除效率仍能達(dá)到60%以上。本發(fā)明在固液分離手段的輔助下可達(dá)到從水中去除酚類物質(zhì) 的良好效果。


圖1為本發(fā)明載酶SBA-15催化氧化析出酚的工藝流程圖。
圖2為載酶SBA-15在不同初始酚濃度下催化氧化析出酚的效果。
圖3為載酶SBA-15在不同催化氧化反應(yīng)時間下析出酚的效果。
圖4為載酶SBA-15在不同含酚水溶液初始pH時催化氧化析出酚的效果。
圖5為載酶SBA-15的重復(fù)使用效果。
圖6為二次固定化載酶SBA-15的重復(fù)使用效果。
具體實施例方式
結(jié)合以下具體實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實施例l:參見附圖1的工藝流程圖。首先在常溫條件下制備SBA-15。以嵌段共聚物P123 為模板劑，以正硅酸乙酯為硅源。先稱量2g P123于燒杯中，隨后加入15g水和60g 2M的鹽 酸溶液，在35'C下攪拌至P123完全溶解，然后加入4.25gTEOS，并在35'C下持續(xù)攪拌20h。 隨后將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在80。C靜置條件下反應(yīng)24h。最后將固體 產(chǎn)物收集，水洗，室溫干燥。在8h內(nèi)將溫度緩慢升至50(TC，并恒溫煅燒6h。煅燒后的粉末 即是帶有孔道的SBA-15。將0.4g制得的SBA-15加入到pH值為8的30ml的磷酸鹽緩沖溶 液中，置于恒溫磁力攪拌器上攪拌lh，使其在溶液中分散均勻。攪拌完畢，將8mg的HRP 加入溶液中，并持續(xù)攪拌6h。隨后過濾，并用二次水和磷酸鹽緩沖溶液輪流反復(fù)沖洗SBA-15， 之后對產(chǎn)物進(jìn)行室溫干燥，得到載酶SBA-15。將干燥后的0.2g載酶SBA-15加入到5ml3X (w/w)的海藻酸鈉溶液中，攪拌均勻后，用注射器將上述溶液滴入2% (w/w)的氯化鈣溶液中， 使其反應(yīng)lh。制得粒徑約為4mm的凝膠珠，即為二次固定化后的載酶SBA-15。 本發(fā)明載酶SBA-15催化氧化析出水中酚的各項試驗試驗l
載酶SBA-15在不同初始酚濃度下催化氧化析出酚的效果將0.2g載酶SBA-15加入酚 濃度為5 200mg/L、 pH為8的含酚水溶液中，11202加入濃度為2mmol/L，持續(xù)攪拌3h。由 附圖2可以看出，酚濃度較低時，酚的去除率較高。當(dāng)酚濃度低于10mg/L時，酚類污染物的 去除率可到90%以上，隨著酚濃度的增加，酚去除率逐漸下降。在處理200mg/L的含酚水溶 液時，酚去除率仍可達(dá)到60%左右。 試驗2
載酶SBA-15在不同催化氧化反應(yīng)時間下析出酚的效果將0.2g載酶SBA-15加入到酚 濃度為50mg/L、 pH為8的含酚水溶液中，H202加入濃度為2mmol/L，持續(xù)攪拌0.5~6h。由 附圖3可見，在最初的2h內(nèi)，酚的去除率隨反應(yīng)時間增加迅速增加，基本呈線性增加，由 0.5h的40。/。去除率，增加到2h的75%去除率，2h后，酚去除率增加開始平緩，隨著反應(yīng)時 間的增加，酚去除率基本不增加，因此可認(rèn)為催化氧化反應(yīng)在2h后達(dá)到平衡。 試驗3
載酶SBA-15在不同含酚水溶液初始pH時催化氧化析出酚的效果將0.2g載酶SBA-15 加入到酚濃度為50mg/L含酚水溶液中，H202加入濃度為2mmol/L，持續(xù)攪拌3h，調(diào)節(jié)含酚 水溶液初始pH值為4-10。由附圖4可見，含酚水溶液初始pH值對酚去除率的影響較大。由 于酶對pH的敏感性，當(dāng)pH為4和10時，酶的活性較弱，酚去除率很低，pH值為4時，酚 類污染物的去除率只有40%左右。當(dāng)pH接近中性時，酚去除率較高，pH由6增加到8時， 酚去除率增加較快，在pH為8時達(dá)到最高，可達(dá)75%左右。 試驗4
載酶SBA-15的重復(fù)使用效果將0.2g載酶SBA-15加入到酚濃度為20mg/L、 pH為8 的含酚水溶液中，H202加入濃度為2mmol/L，持續(xù)攪拌3h。反應(yīng)完全后，將含酚水溶液過濾， 并將已經(jīng)去除過水中酚的載酶SBA-15經(jīng)二次水反復(fù)沖洗，再用于下次使用。由圖5可見， 隨著載酶SBA-15重復(fù)使用次數(shù)的增加，酚去除率逐漸減少，由最初的90%以上，減少到第5 次的40%左右，這可能是因為一方面HRP會產(chǎn)生鈍化，使得其活性降低，另 一方面載酶SBA-15 為粉末狀且分散在溶液中，回收時會有部分損失，致使下次實驗中有效HRP的含量下降。另 外由于酚經(jīng)處理后生成不溶于水的沉淀物，較容易沉淀在載酶SBA-15的外表面，雖然使用 的載酶SBA-15用二次水反復(fù)沖洗，但仍然會有少量的沉淀物留在其外表面，使得再次反應(yīng) 時HRP與反應(yīng)底物不能充分接觸，從而使得酚的去除率降低。 試驗5二次固定化載酶SBA-15的重復(fù)使用效果將制得的0.3g 二次固定化載酶SBA-15加入 到酚濃度為20mg/L、 pH值為8的含酚水溶液中，1￡202加入濃度為2mmol/L，反應(yīng)時間為3h。 反應(yīng)完全后，將含酚水溶液過濾，并將已經(jīng)去除過水中酚的二次固定化載酶SBA-15用二次 水反復(fù)沖洗后室溫干燥，再用于下次使用。由附圖6可見，制備的二次固定化載酶SBA-15 凝膠珠具有很好的重復(fù)使用性能，在重復(fù)使用6次以后，仍具有60%以上的苯酚去除率。與 未二次固定化的載酶SBA-15的重復(fù)使用性相比，經(jīng)過二次固定化后，其重復(fù)使用性有了一 定程度的增強，這可能是因為二次固定化后顆粒物尺寸較大，與粉末狀載酶SBA-15相比易 于回收，并且大顆粒凝膠珠相對粉末狀載酶SBA-15來說，其與反應(yīng)沉淀物的分離過程也較 容易。
權(quán)利要求
1.一種載酶硅基介孔分子篩SBA-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟a.SBA-15的制備將4重量份聚環(huán)氧乙烯醚-聚環(huán)氧丙烯醚-聚環(huán)氧乙烯醚三嵌段共聚物(P123)溶解于120重量份的2M的鹽酸溶液和30重量份的去離子水中，然后加入8.5重量份的正硅酸乙酯(TEOS)，并在35℃下持續(xù)攪拌20h；隨后將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯內(nèi)襯的反應(yīng)釜中，在80℃靜置條件下反應(yīng)24h；最后將固體產(chǎn)物收集，水洗，室溫干燥；在8h內(nèi)將溫度緩慢升至500℃，并恒溫煅燒6h，得到硅基介孔分子篩SBA-15；b.載酶SBA-15的制備將步驟a制得的0.1～0.5g SBA-15加入到10～50ml的磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉緩沖溶液中，控制反應(yīng)pH值為4～12，并置于磁力攪拌器上攪拌1～2h，使反應(yīng)物在溶液中分散均勻；攪拌完畢，將1～15mg的辣根過氧化物酶(HRP)加入到溶液中繼續(xù)攪拌，時間為1～10h；隨后過濾，并用二次蒸餾水和磷酸鹽緩沖溶液輪流反復(fù)沖洗SBA-15，之后將產(chǎn)物進(jìn)行室溫干燥，得到載酶SBA-15；c.載酶SBA-15的二次固定化將上述干燥后的0.1～0.5g載酶SBA-15加入到5ml 3％～10％(w/w)海藻酸鈉溶液中，攪拌均勻后，用注射器將上述溶液滴入2％～5％(w/w)氯化鈣溶液中，使其反應(yīng)1-4h；制得粒徑為2～6mm的凝膠珠，即二次固定化載酶SBA-15；d.使用原級載酶SBA-15或二次固定化載酶SBA-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)(1).使用原級載酶SBA-15催化氧化析出水中酚將0.1～0.5g載酶SBA-15加入到15ml酚濃度為1～500mg/L、pH值為2～10的含酚水溶液中，同時加入2～5mmol/L的H2O2，持續(xù)攪拌0.5～6h，最終析出酚類物質(zhì)。(2).使用二次固定化載酶SBA-15催化氧化析出水中酚將上述二次固定化載酶SBA-15凝膠珠加入到15ml酚濃度為1～500mg/L、pH值為4～10的含酚水溶液中，同時加入2～5mmol/L H2O2，持續(xù)攪拌0.5～6h，最終析出酚類物質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用載酶硅基介孔分子篩SBA-15催化氧化析出水中酚類物質(zhì)的方法，屬固定化酶生物催化劑應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以硅基介孔分子篩SBA-15為載體，在SBA-15的介孔孔道和外表面同時固定辣根過氧化物酶(HRP)，以H₂O₂為氧化劑，利用HRP對酚類化合物催化氧化生成沉淀物的機理，達(dá)到從水中析出酚類污染物的目的。本發(fā)明在固液分離手段的輔助下可達(dá)到從水中去除酚的良好效果。制得的載酶SBA-15具有較好的重復(fù)使用性，經(jīng)過二次固定化的載酶SBA-15其重復(fù)使用性更佳，重復(fù)使用6次后，酚類污染物的去除率仍能達(dá)到60％以上。
文檔編號C02F1/72GK101575135SQ200910052600
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者黨松濤, 徐佳佳, 楊霞萍, 胡龍興, 陸永生 申請人:上海大學(xué)