劉 銘 張 黎 查柔艷 孫小博 周 慧 楊宇森 郭子弋 秦 桐 楊 莉

(長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054)

引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，抗生素及其衍生物在臨床醫(yī)療和現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，而水體中的鹽酸四環(huán)素殘留對(duì)動(dòng)植物和人體健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)不容小覷。光催化技術(shù)具有氧化性強(qiáng)、凈化徹底和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可廣譜高效地實(shí)現(xiàn)水體中有機(jī)物的降解和去除[2]。在眾多的光催化劑中，納米TiO2對(duì)鹽酸四環(huán)素的光催化降解表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)和潛力[3]。針對(duì)TiO2帶隙較寬(約3.2 eV)、太陽(yáng)能利用率不高的特點(diǎn)[4]，學(xué)者們大多采用表面修飾改性、貴金屬負(fù)載、材料復(fù)合和載體負(fù)載等多種手段提升納米TiO2的光催化降解效率[5-7]。

納米TiO2在碳材料上的負(fù)載是一個(gè)重要研究方向，該方法可有效改善產(chǎn)物在禁帶寬度調(diào)節(jié)、電子- 空穴對(duì)復(fù)合率減少、反應(yīng)活性位點(diǎn)增加和吸附- 光催化協(xié)同等方面的性能。針對(duì)納米TiO2在實(shí)際應(yīng)用中存在易團(tuán)聚和難回收等缺點(diǎn)，將催化劑負(fù)載到SiO2、活性炭、粉煤灰和生物炭等材料上可以解決光催化劑的分離回收問題。然而催化劑與基質(zhì)間的作用力以氫鍵、配位鍵和靜電作用為主，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)基質(zhì)與納米顆粒的復(fù)合強(qiáng)度不足和納米顆粒團(tuán)聚等問題，進(jìn)而影響光催化效率。

近年來(lái)，從綠色環(huán)保和可再生資源利用的角度出發(fā)，由酵母細(xì)胞制備生物碳球并應(yīng)用于光催化載體的研究逐漸活躍。選用富含有機(jī)質(zhì)的酵母細(xì)胞作為微納米材料的生物載體，通過生物化學(xué)手段簡(jiǎn)單便捷地實(shí)現(xiàn)光催化納米材料在酵母表面負(fù)載，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步將酵母細(xì)胞轉(zhuǎn)化為生物碳基載體，為生物碳負(fù)載態(tài)光催化材料的制備提供了新思路[8-9]。然而在現(xiàn)有酵母碳基復(fù)合光催化劑的制備中，靜電自組裝[10]、水熱法[11]和沉淀法[12]等方法主要是利用酵母的形貌和表面官能團(tuán)制備球形復(fù)合材料，制備過程需要調(diào)節(jié)pH或加入模板劑，并沒有完全發(fā)揮酵母的生物模板特性。

本文通過生物自組裝方法，借助刀豆蛋白A與酵母表面多糖間的生物特異性識(shí)別制備了一系列納米TiO2@酵母碳球負(fù)載態(tài)光催化材料，考察納米TiO2不同負(fù)載量對(duì)樣品光催化降解鹽酸四環(huán)素性能的影響，分析納米TiO2光催化劑與酵母生物碳載體通過吸附- 光催化協(xié)同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光催化性能的提升效果，繼而通過響應(yīng)面法優(yōu)化了光催化降解鹽酸四環(huán)素的工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

高活性酵母，安琪酵母股份有限公司；納米TiO2，P25，德國(guó)德固賽公司；鹽酸四環(huán)素(tetracycline- HCl)，都萊生物；磷酸緩沖鹽(PBS)溶液，Biosharp公司；刀豆蛋白A(Con A)，Sigma公司；無(wú)水乙醇(C2H6O)和戊二醛(C5H8O2)均為分析純，西安化學(xué)試劑廠。

1.2 納米TiO2@酵母碳球的制備

納米TiO2@酵母碳球制備過程如下[13]：將1 g納米TiO2用無(wú)水乙醇清洗干凈后，加入2.5%戊二醛溶液得到醛基化TiO2，離心分離后加入1 g/L的刀豆蛋白A PBS緩沖液中，在25 ℃下保持6 h后得到刀豆蛋白A修飾的納米TiO2(TiO2- Con A)；在15 mL的PBS溶液中加入1 g高活性干酵母，并在37 ℃水浴中活化2 h；將TiO2- Con A加入到15 mL活化酵母PBS緩沖溶液中，在37 ℃水浴鍋中保持12 h，將得到的TiO2@酵母樣品離心清洗后于50 ℃烘干，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下500 ℃煅燒2 h，即得到納米TiO2@酵母碳材料T1Y1。

將實(shí)驗(yàn)制備的一系列納米TiO2@酵母碳球樣品標(biāo)記為TaYb，其中a和b表示制備過程加入的納米TiO2(T)與酵母(Y)的相對(duì)質(zhì)量，如T1Y1表示質(zhì)量比為1∶1的TiO2與酵母所制備的納米TiO2@酵母碳球產(chǎn)物。

1.3 表征方法

采用S- 4800型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)表征樣品形貌特征。采用布魯克D8 Discover X-射線衍射儀(XRD，德國(guó)布魯克AXS公司)表征樣品晶體結(jié)構(gòu)。采用NEXUS 670傅里葉紅外光譜儀(Thermo Fisher Scientific)對(duì)酵母和酵母碳球進(jìn)行表征，測(cè)試范圍4 000～400 cm-1。

1.4 光催化性能測(cè)試

將一定量的光催化劑加入到50 mL鹽酸四環(huán)素溶液中，暗反應(yīng)攪拌30 min后打開250 W氙燈，每隔10 min取樣離心，在357 nm處測(cè)定上清液吸光度，利用鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其濃度后，由式(1)計(jì)算鹽酸四環(huán)素的光催化降解率。

(1)

式中，D為鹽酸四環(huán)素的光催化降解率；ρ為鹽酸四環(huán)素溶液的瞬時(shí)質(zhì)量濃度，g/L；ρ0為鹽酸四環(huán)素溶液的初始質(zhì)量濃度，g/L。

1.5 吸附- 光催化協(xié)同效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在25 ℃下測(cè)定50 mg的納米TiO2@酵母碳球在50 mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液中的吸附去除率A和光催化去除率R；計(jì)算并稱取與50 mg納米TiO2@酵母碳球中負(fù)載態(tài)TiO2相當(dāng)?shù)募{米TiO2，測(cè)定其對(duì)50 mL質(zhì)量濃度為50 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液的光催化去除率RTiO2。根據(jù)式(2)計(jì)算TiO2@酵母碳球?qū)}酸四環(huán)素的吸附- 光催化協(xié)同因子β[14]。

(2)

1.6 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

采用Design Expert軟件中的Box- Behnken Design (BBD)對(duì)光催化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行響應(yīng)面法設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中的因素編碼和水平值見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素的水平和編碼

2 結(jié)果與討論

2.1 酵母細(xì)胞、納米TiO2和納米TiO2@酵母碳球的微觀形貌

酵母細(xì)胞、納米TiO2和納米TiO2@酵母碳球的SEM圖片如圖1所示。實(shí)驗(yàn)選用的酵母細(xì)胞(圖1(a))呈橢圓形，表面較為光滑，尺寸約為4.3 μm×3.6 μm。圖1(b)中的納米TiO2呈球形，平均尺寸約為25 nm。圖1(c)～(f)為不同負(fù)載量下制備得到的納米TiO2@酵母碳球，可以發(fā)現(xiàn)納米TiO2負(fù)載在酵母細(xì)胞表面并經(jīng)過高溫煅燒后，樣品均較好地保持了酵母細(xì)胞的橢球形基本形貌，且分散性良好。

在不同負(fù)載量條件下得到的樣品(圖1(c)～(f))中，納米TiO2均較好地負(fù)載在酵母碳球表面。其中，在質(zhì)量比為1∶2(T1Y2，圖1(c))和1∶1(T1Y1，圖1(d))的樣品中，納米TiO2在酵母碳球表面均勻分散，有部分酵母碳球表面暴露；但在質(zhì)量比為1.5∶1(T1.5Y1，圖1(e))和2∶1(T2Y1，圖1(f))的樣品中，大量納米TiO2粒子覆蓋在酵母碳球表面，形成了較為疏松的納米TiO2負(fù)載層。隨著納米TiO2負(fù)載量的增大，酵母碳球載體暴露的面積逐步減少，納米TiO2@酵母碳球的尺寸有所增大，顆粒表面的粗糙程度也相應(yīng)增加。

2.2 不同負(fù)載量下樣品的晶體結(jié)構(gòu)

不同負(fù)載量下樣品的X-射線粉末衍射結(jié)果見圖2，可知各樣品中均出現(xiàn)了P25 TiO2中對(duì)應(yīng)的銳鈦礦型和金紅石型TiO2的特征峰。隨著TiO2負(fù)載量的增加(從T1Y2至T2Y1)，樣品在2θ=25.4°處的銳鈦礦TiO2特征峰強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)。這與SEM所觀察到的樣品形貌特征一致，表明生物自組裝方法可以實(shí)現(xiàn)納米TiO2粒子在酵母碳球表面的精準(zhǔn)負(fù)載和可控制備。

2.3 酵母細(xì)胞和酵母碳球的紅外譜圖

2.4 負(fù)載量對(duì)納米TiO2@酵母碳球光催化性能影響

不同負(fù)載量的納米TiO2@酵母碳球在可見光下降解鹽酸四環(huán)素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。可以看出，T1Y2樣品對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解率最低，僅為61.43%，隨著TiO2負(fù)載量的增加，體系的光催化性能逐步增強(qiáng)。與T1Y2相比，T1Y1.5對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解率略有上升，達(dá)到61.81%；當(dāng)質(zhì)量比為1∶1時(shí)，T1Y1樣品的光催化降解率達(dá)到了83.79%；而繼續(xù)增加TiO2負(fù)載量，T2Y1對(duì)鹽酸四環(huán)素分子的光催化降解率為82.29%，說明負(fù)載量過大時(shí)體系光催化效率反而有所下降。這可能是因?yàn)閺?fù)合材料中負(fù)載態(tài)的納米TiO2過多時(shí)，酵母碳球表面的催化劑負(fù)載層顯著增厚，不利于吸附- 光催化協(xié)同效應(yīng)的充分發(fā)揮。

通過對(duì)光催化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合(圖5)，可知各樣品光催化過程中的ln(ρ0/ρ)與反應(yīng)時(shí)間具有較好的線性關(guān)系，可以用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)描述，符合Langmuir- Hinshelwood反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。由表2可知，在相同的光催化條件下，4個(gè)不同負(fù)載量樣品中，T1Y1具有最大的表觀反應(yīng)速率常數(shù)(k1=0.294 9)，表明質(zhì)量比為1∶1時(shí)，TiO2@酵母碳球的光催化活性最高。

2.5 吸附- 光催化協(xié)同效應(yīng)分析

為了充分闡釋由生物自組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米TiO2在酵母碳球表面的可控負(fù)載所得到的納米TiO2@酵母碳球的構(gòu)效關(guān)系及主客體的吸附和光催化協(xié)同效應(yīng)，以質(zhì)量比為1∶1的納米TiO2@酵母碳球(T1Y1)為對(duì)象，考察了納米TiO2和納米TiO2@酵母碳球?qū)δM鹽酸四環(huán)素抗生素的吸附/可見光催化降解去除性能，結(jié)果如圖6所示。

表2 不同負(fù)載量樣品的光催化表觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)

Table 2 Dynamic parameters of photocatalytic degradation of nano-TiO2@yeast carbon samples with different loading

光催化劑表觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)回歸式相關(guān)系數(shù)k1T2Y1ln(ρ0/ρ)=0.0208+0.2816t0.99160.2816T1Y1ln(ρ0/ρ)=0.0233+0.2949t0.97520.2949T1Y1.5ln(ρ0/ρ)=0.0128+0.2453t0.56610.2453T1Y2ln(ρ0/ρ)=0.0129+0.1358t0.94150.1358

通過比較納米TiO2及復(fù)合材料對(duì)鹽酸四環(huán)素的去除率，可知納米TiO2@酵母碳球材料T1Y1在黑暗條件下對(duì)鹽酸四環(huán)素的吸附去除率僅為12.6%，其中，作為載體的酵母碳球發(fā)揮了重要的吸附作用[15]；在可見光照射下， T1Y1對(duì)鹽酸四環(huán)素的光催化去除率高達(dá)80.5%，樣品在光催化前40 min內(nèi)具有較高的反應(yīng)速率；而選用與T1Y1中所含TiO2等量的納米TiO2單獨(dú)對(duì)鹽酸四環(huán)素開展可見光催化時(shí)，測(cè)得的去除率僅為26%?；谝陨蠈?shí)驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為目標(biāo)污染物與復(fù)合光催化劑的作用機(jī)制為：首先，納米TiO2@酵母碳球中的納米TiO2和酵母碳球均可對(duì)污染物分子實(shí)現(xiàn)吸附富集，通過生物自組裝實(shí)現(xiàn)的納米TiO2在酵母表面的均勻負(fù)載提升了TiO2吸附性能，酵母碳球因其表面—COOH官能團(tuán)的存在而兼具物理吸附與化學(xué)吸附性能；在光催化階段，納米TiO2通過光激發(fā)的表面氧化還原反應(yīng)對(duì)表面富集的污染物發(fā)揮積極的降解作用；光催化過程中的吸附富集作用與光催化降解過程的有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了表面光催化反應(yīng)速率的加大，顯著提升了納米TiO2@酵母碳球?qū)}酸四環(huán)素的去除性能。

為了評(píng)估納米TiO2@酵母碳球的吸附- 光催化協(xié)同效應(yīng)，引入?yún)f(xié)同因子β。根據(jù)式(2)計(jì)算，若β=1，說明納米TiO2與酵母碳球?qū)}酸四環(huán)素的去除效果只是光催化與吸附作用的簡(jiǎn)單疊加；若β>1，說明兩者具有協(xié)同作用；若β?1，說明協(xié)同作用顯著?；诠獯呋瘜?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)協(xié)同因子β進(jìn)行計(jì)算(圖6)，可知在反應(yīng)剛開始的20 min內(nèi)，體系協(xié)同因子高達(dá)3.7以上，此時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部的酵母碳球和外層的納米TiO2均表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附和光催化性能，可見光照射下體系的光催化效率最高；光催化進(jìn)行至20～40 min時(shí)，納米TiO2@酵母碳球的吸附逐步趨于穩(wěn)定，同時(shí)納米TiO2的光催化速率也較為平穩(wěn)，但復(fù)合材料TiO2@酵母碳球依然保持較快的降解速率，此時(shí)協(xié)同系數(shù)逐步穩(wěn)定至3.0左右，說明這期間的主客體之間吸附- 光催化協(xié)同效應(yīng)非常顯著，納米TiO2@酵母碳球內(nèi)部酵母碳球的吸附富集性能為材料表面優(yōu)異的光催化反應(yīng)提供了重要的污染物濃縮效應(yīng)和傳質(zhì)條件；在光催化反應(yīng)末期(40～70 min)，隨著體系中污染物濃度的急劇下降，納米TiO2@酵母碳球的光催化效率逐步降低，此時(shí)體系的協(xié)同系數(shù)表現(xiàn)為2.1。由此可知，納米TiO2@酵母碳球?qū)}酸四環(huán)素分子的高效光催化降解效果不僅僅是納米TiO2與酵母碳球各自對(duì)鹽酸四環(huán)素的去除率簡(jiǎn)單相加的結(jié)果，在整個(gè)光催化過程中復(fù)合材料中存在顯著的吸附- 光催化協(xié)同效應(yīng)。

2.6 響應(yīng)面優(yōu)化

通過單因素實(shí)驗(yàn)，確定了光催化影響因素pH、催化劑/污染物濃度比值和溫度及其變化范圍后，根據(jù)響應(yīng)面法中的BBD設(shè)計(jì)方法，按照表3開展實(shí)驗(yàn)具體運(yùn)行，并測(cè)定相應(yīng)的光催化降解率，所得的二次多項(xiàng)式模型(式(3))可說明降解率和各個(gè)因素之間的關(guān)系。

Y=-235.92+27.83A+127.95B+9.58C-5.25AB+0.02AC-5.11BC-1.97A2-64.42B2-0.12C2

(3)

式中，Y為光催化降解率，A為pH，B為催化劑/污染物濃度比值，C為溫度。

使用方差分析(ANOVA)對(duì)響應(yīng)面模擬的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表4。相關(guān)系數(shù)的顯著性由F值和P值來(lái)決定，模型的F=106.49，P<0.001，說明該模型顯著，具有良好的擬合程度，可用以分析和預(yù)測(cè)各條件對(duì)納米TiO2@酵母碳球光催化降解鹽酸四環(huán)素的影響，從而優(yōu)化光催化反應(yīng)條件。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和光催化降解率

表4 響應(yīng)面模型的方差分析

基于響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果，繪制因素交互作用對(duì)納米TiO2@酵母碳球光催化降解鹽酸四環(huán)素影響的三維曲面圖(圖7)，經(jīng)過優(yōu)化得到，當(dāng)溫度為40.2 ℃，pH為5.89，催化劑/污染物濃度比值為0.76時(shí)，體系對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解率達(dá)到最大，為90.86%。

3 結(jié)論

(1)納米TiO2@酵母碳球光催化降解鹽酸四環(huán)素的最佳光催化條件為40.2 ℃，pH 5.89，催化劑/污染物濃度比值0.76，在此條件下催化劑體系對(duì)鹽酸四環(huán)素的光催化降解率高達(dá)90.86%。

(2)通過分析評(píng)價(jià)納米TiO2@酵母碳球?qū)}酸四環(huán)素的吸附和光催化活性等性能，驗(yàn)證了納米光催化劑的生物碳負(fù)載產(chǎn)物主客體之間功能協(xié)同的綜合效果，有助于揭示生物納米負(fù)載手段在新穎無(wú)機(jī)納米功能材料合成方面的綜合優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。