陳 喆,曹 凱,程園園
(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥230601;2.濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實驗室(安徽大學(xué)),安徽 合肥230601;3.安徽大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥230601)
近年來,染料作為使織物獲得色澤的有機(jī)化合物,在生產(chǎn)活動中使用愈加頻繁.然而,染料的廣泛使用對環(huán)境中的水體造成了污染[1-2].三苯甲烷類染料廢水是典型的化工業(yè)廢水,具有致癌、致畸、致突變等特點(diǎn).其中,孔雀石綠就是典型的三苯甲烷類染料,由于其高效的殺菌性,一度被廣泛利用在漁業(yè)生產(chǎn)中.對環(huán)境水體造成了巨大的污染.因此,去除廢水中的染料迫在眉睫.
眾多物理化學(xué)生物的方法已被應(yīng)用于凈化染料廢水.其中,吸附作為一種簡單、靈活、高效的方法一直備受青睞.近年來,具有良好吸附量、快吸附速率的吸附材料得到越來越多的關(guān)注,納米顆粒由于其高比表面積,常作為高效的吸附劑來使用,如Se-NPs、納米ZnO和AgNPs[3-5].然而,現(xiàn)有制備方法常存在環(huán)境污染大、成本高、合成過程復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻且易團(tuán)聚等缺點(diǎn),故尋求操作簡單、經(jīng)濟(jì)實用、綠色環(huán)保的合成方法尤為重要.部分微生物如某些細(xì)菌、真菌和酵母菌能夠在一定濃度的金屬離子溶液中存活、生長并氧化還原這些金屬離子,將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的納米顆粒[6].故利用微生物還原氧化污染物,合成所需要的納米顆粒無疑是獲得納米顆粒的一種綠色環(huán)保的方式.
本實驗室從浙江舟山雙峰鹽場的土壤中分離出菌株膠紅酵母R.mucilaginosaPA-1,該菌株在亞硒酸鹽的還原中展現(xiàn)了較高的能力.以孔雀石綠為模型,研究了合成的Se-NPs吸附廢水中染料的能力,為污染物的治理提供新思路.
1.1 材料
1.1.1 菌株 本實驗菌株R.mucilaginosaPA-1篩選自浙江舟山雙峰鹽場的土壤中[7].
1.1.2 試劑 菌株P(guān)A-1用R2A培養(yǎng)基(酪蛋白氨基酸0.5 g/L、可溶性淀粉0.5 g/L、蛋白胨0.5 g/L、酵母提取物0.5 g/L、七水硫酸鎂0.05 g/L、磷酸氫二鉀0.3 g/L)在30 ℃、180 r/min條件下進(jìn)行培養(yǎng).在厭氧培養(yǎng)基(磷酸氫二鉀0.225 g/L、磷酸二氫鉀0.225 g/L、氯化鈉0.46 g/L、硫酸銨0.255 g/L、七水硫酸鎂0.024 g/L、葡萄糖10 g/L、4-羥乙基哌嗪乙磺酸4.766 g/L、微量元素5 mL/L)中還原.本實驗中采用的試劑純度均為分析純,Na2SeO4采購自Sigma-Aldrich公司.
1.2 Se(Ⅳ)的測定方法亞硒酸鹽濃度的測定參照文獻(xiàn)[8].樣品經(jīng)離心(10 000 r/min,10 min)后,取400μL的上清液,加入200μL的4 mol/L HCl和200μL的1 mol/L抗壞血酸,顯色10 min,在紫外分光光度計500 nm下測定Se(Ⅳ)的濃度.
1.3 Se-NPs的生物合成細(xì)菌在30℃、180 r/min好氧培養(yǎng)12 h.離心收集(6 000 r/min,5 min),用厭氧培養(yǎng)基重懸.以初始濃度OD600=0.5 將菌株接種至含有不同濃度Na2SeO3的厭氧培養(yǎng)基中.以葡萄糖作為唯一碳源,Na2SeO3作為電子受體[9].
1.4 Se-NPs的原位表征取還原24 h后的4 mL樣品,1 000 r/min離心10 min去上清,以乙醇固定.
利用TEM觀察樣品的形貌特征. 再取還原24 h后的樣品,12 000 r/min離心收集后冷凍干燥,EDS、FTIR分析樣品.
1.5 Se-NPs還原條件的優(yōu)化厭氧條件下,考查底物濃度(0.5,1,2,5,10,15 mmol/L Na2SeO3)、pH值(2,4,6,8,10)、溫度(25,30,35℃)對硒還原的影響.
1.6 染料吸附實驗取定量吸附劑(0.3 g/L Se-NPs)于錐形瓶中,向其加入質(zhì)量濃度5~40 mg/L的模擬印染廢水(MG),調(diào)節(jié)pH值(5~10),在轉(zhuǎn)速200 r/min,室溫條件下進(jìn)行吸附.樣品經(jīng)1 h吸附后離心(12 000 r/min,5 min).在617 nm處測其吸光度.MG的吸附量計算如下:
其中,qt是t時的吸附量,ρ0是初始質(zhì)量濃度,ρt是吸附t時的質(zhì)量濃度,V是溶液體積,m是Se-NPs的質(zhì)量.
染料吸附后,10 000 r/min離心10 min,收集Se-NPs.用100 mmol NaCl重懸,循環(huán)利用Se-NPs.脫附效率由以下方程計算:
為了實驗Se-NPs的重復(fù)利用性,進(jìn)行了5個連續(xù)的吸附/脫附循環(huán).循環(huán)去除效率計算如下:
2.1 Se-NPs的還原如圖1所示,厭氧條件下,接入菌株P(guān)A-1培養(yǎng)24 h后,培養(yǎng)基由無色變?yōu)榧t色,對照組顏色不變.有研究指出,反應(yīng)溶液呈紅色即代表有Se-NPs的生成[10-11].因此,推測菌株P(guān)A-1具有合成Se-NPs的能力.
圖1 菌株P(guān)A-1還原Se(Ⅳ)Fig.1 The reduction of Se(Ⅳ) by PA-1
為了進(jìn)一步證明生成了硒納米顆粒,進(jìn)行了一系列的物理表征.如圖2所示,TEM表明,形成的納米顆粒呈現(xiàn)規(guī)則的圓形,直徑范圍為30~100 nm,平均粒徑為60 nm左右.如圖2(c)所示,EDS分析證實了納米顆粒的主要成分為元素硒.此外,觀測到C、N、O的峰,可能是源于生物分子,如酶、細(xì)菌生物材料或包裹在Se-NPs上的多糖和蛋白質(zhì).Cu信號來源于銅片. 如圖2(e)所示,Se-NPs在261 nm處有明顯的吸收峰,表明Se-NPs的合成.
文獻(xiàn)[12]中所述,胞外聚合物(EPS)等細(xì)胞分泌物會附著在Se-NPs的表面,EPS有助于Se-NPs的分散并阻止其聚集,因此,無需添加外部穩(wěn)定劑即可以提高納米材料的穩(wěn)定性.通過比較菌株P(guān)A-1與生物合成的硒納米顆粒(Bio-Se NPs)的FTIR,如圖2(f)所示,二者光譜形狀類似.3 413 cm-1為胺基和羧酸基團(tuán)的伸縮振動,證明了葡萄糖中O-H基團(tuán)和蛋白質(zhì)中N-H基團(tuán)的存在[12-14].1 652、1 556、1 244 cm-1的特征峰對應(yīng)于酰胺I、酰胺Ⅱ、酰胺Ⅲ,證明了蛋白質(zhì)的存在[15].1 070~1 085 cm-1處的多種峰,證明了碳水化合物的存在.FTIR譜圖表明,Bio-Se NPs的表面包裹了EPS.據(jù)報道,Se-NPs表面的EPS在硒還原反應(yīng)過程中起著重要的作用.EPS中的蛋白質(zhì)和其他生物大分子被用作元素Se的還原劑,其中膜表面上的蛋白質(zhì)主要屬于還原酶和氧化還原酶,負(fù)責(zé)將Se(Ⅳ)還原為Se-NPs[16].整個還原過程是通過電子傳遞鏈上的氧化還原酶由NADPH/NADH電子傳遞開始的.蛋白質(zhì)表面電子和Se(Ⅳ)之間的靜電相互作用,導(dǎo)致還原反應(yīng),從而形成Bio-Se NPs.
圖2 Se-NPs的物理表征Fig.2 Physical characterization of Se-NPs
2.2 硒還原條件的優(yōu)化Bio-Se NPs的生物合成也受到一些環(huán)境參數(shù)的影響,包括底物濃度、pH和溫度.如圖3所示,菌株P(guān)A-1只在0.5 mmol/L的Na2SeO3中還原完全.在pH=8的條件下,Se(Ⅳ)的還原效率優(yōu)于其他,28 h即能完全還原.在一定范圍內(nèi),溫度的提高對硒的生物還原具有顯著的促進(jìn)作用.菌株P(guān)A-1在35℃下還原最快,20 h即可還原97%,24 h完全還原.
圖3 不同條件下Se(Ⅳ)的還原效率Fig.3 Se(Ⅳ)reduction efficiency under different conditions
2.3 染料吸附與脫附實驗本研究探究了不同條件下Bio-Se NPs對MG的吸附能力.如圖4(a)所示,10 mg/L的MG由藍(lán)色變?yōu)闊o色,表明MG被Bio-Se NPs吸附.UV-Vis也證實了MG被吸附脫色.據(jù)報道[5-17],材料的吸附性能往往受體系內(nèi)pH值變化的影響. pH值的變化不僅會影響吸附劑的表面性質(zhì),還會對吸附質(zhì)的溶解度及其質(zhì)子化程度產(chǎn)生重要影響.例如體系在高pH值時,溶液中存在大量的OH-,使得Bio-Se NPs帶負(fù)電荷,從而使得材料對陽離子染料(MG)的吸附能力增強(qiáng).而當(dāng)pH值變低時,材料上帶正電荷的吸附位點(diǎn)增多,從而與陽離子染料之間產(chǎn)生庫倫斥力,不利于材料對染料的吸附.如圖4(b)所示,MG的去除效率隨pH的增加明顯提高,與之前的報道結(jié)果一致.說明材料Bio-Se NPs與陽離子染料MG之間主要吸附機(jī)理是靜電作用.吸附劑的再生及重復(fù)利用能力可以大大降低其使用成本并且使吸附過程變得更具競爭力.因此,我們探究了Bio-Se NPs的循環(huán)再利用性.實驗結(jié)果表明,經(jīng)5次吸附-脫附循環(huán)過后,Bio-Se NPs的吸附效率仍高達(dá)82.12%(圖5(c)).
圖4 MG的吸附及脫附實驗Fig.4 MG adsorption and desorption experiment
如圖5(a)、(b)所示,pH=10、30℃條件下,探究了MG的接觸時間對吸附容量的影響.實驗結(jié)果表明,MG的吸附速率極快,不同濃度的MG均能在10 min內(nèi)達(dá)到吸附平衡.此外,還建立了準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級和Elovich動力學(xué)模型,以闡明其吸附機(jī)理.
準(zhǔn)一級動力學(xué)模型:
其中qe和qt分別是平衡和時間t時的吸附量(mg·g-1).k1、k2分別是準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級速率常量(h-1),A、k是Elovich方程的常量.動力學(xué)參數(shù)如表1所示,MG的準(zhǔn)一級動力學(xué)方程的R2為0.999,高于準(zhǔn)二級和Elovich模型.即Bio-Se NPs對MG的吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)一級模型,是一種反應(yīng)速率與一種反應(yīng)物濃度呈線性關(guān)系的擴(kuò)散控制的吸附反應(yīng)過程.
了解平衡吸附等溫線對于充分了解Bio-Se NPs吸附性能具有重要意義.我們用如下模型來擬合.
Langmuir方程:
其中,qm(mg·g-1)是吸附劑最大容量,KL(L·mg-1)平衡吸附常量;KF(L·mg-1)和1/n是代表吸附容量和吸附強(qiáng)度的Freundlich常量,A和B是Temkin常量.吸附等溫線及其擬合參數(shù)如圖5(d)及表2所示.其中,Langmuir的相關(guān)系數(shù)最高,說明吸附劑表面均勻,吸附物不能在表面上遷移,吸附質(zhì)之間沒有相互作用,吸附是單層的.且當(dāng)吸附劑表面被單層吸附物覆蓋時,發(fā)生最大吸附[18].根據(jù)Langmuir模型,303、313、323 K下MG的qm分別為1 355.39、1 095.49、898.62 mg/g.Freundlich常量(n>2)說明吸附容易進(jìn)行[19].
熱力學(xué)參數(shù)能夠分析吸附過程的自發(fā)性、隨機(jī)性、吸熱性以及放熱性.根據(jù)
Van’t Hoff方程:
圖5 Bio-Se NPs對MG的吸附性能Fig.5 Adsorption performance of Bio-Se NPs for MG
表1 Bio-Se NPs吸附MG的動力學(xué)模型參數(shù)Tab.1 Parametersof kinetic model of Bio-Se NPs for the MG adsorption
表2 Langmuir,Freundlich and Temkin吸附等溫線的常量、相關(guān)系數(shù)和q mTab.2 Langmuir,Freundlich and Temkin adsorption isotherm constant,correlation coefficient and q m
其中,KD=Ke/ρe,R為通用氣體常量(8.314 J/(mol·K));T為熱力學(xué)溫度(K);?Hθ為焓(J/mol),?Sθ為熵(J/mol),?Gθ(kJ/mol)為自由能.熱力學(xué)參數(shù)的值見表3.不同溫度下,?Gθ值為負(fù).這表明MG在Bio-Se NPs上的吸附是一種自發(fā)的過程.隨著溫度的升高,ΔGθ的增高,表明在較高的溫度下,MG的吸附過程更不利.MG的吸附反應(yīng)是放熱反應(yīng)(ΔHθ<0),ΔSθ<0,說明MG 被吸附到Bio-Se NPs上,使得吸附質(zhì)分子失去部分自由度(包括但不限于平動和轉(zhuǎn)動),從而使熵減小,表明此過程是一個趨于有序的吸附過程[20].
表3 Bio-Se NPs吸附MG的熱力學(xué)參數(shù)Tab.3 Thermodynamic parameters for MG adsorption onto Bio-Se NPs.
為了更好地解釋反應(yīng)的吸附機(jī)理,將Bio-Se NPs吸附脫附循環(huán)5次,利用FTIR、XPS及XRD對吸附前后的Bio-Se NPs進(jìn)行分析.如圖6(c)所示,Bio-Se NPs吸附前后的XRD衍射光譜的數(shù)據(jù)符合硒的JCPDS(編號:06-0362)標(biāo)準(zhǔn)卡片,且吸附前后并無明顯變化. 如圖6(f)所示,吸附MG后的Bio-Se NPs樣品的FTIR譜圖出現(xiàn)了MG分子的特征峰,其原因是在材料表面吸附了大量MG分子,使得吸附后的樣品兼具Bio-Se NPs和MG的特征峰.圖6(a)、(b)、(d)、(e)為吸附前后的Bio-Se NPs的XPS譜.Se 3d5/2峰分別處于56.7、55.9 eV和55.5 eV,說明Bio-Se NPs中的Se元素為0價硒. 此外,吸附MG后的Bio-Se NPs譜圖(圖6(b))中,出現(xiàn)了 Na 1s、Cl 2p的新峰,說明有部分脫附劑吸附在了吸附劑表面,除此之外譜圖沒有明顯變化,表明吸附MG之后吸附劑的化學(xué)組成并沒有發(fā)生變化,說明吸附過程為物理吸附.
圖6 Bio-Se NPs吸附MG前后的表征譜圖Fig.6 Characterization of Bio-Se NPs before and after MG adsorption
(1) 通過R.mucilaginosaPA-1合成Bio-Se NPs.波譜表征結(jié)果表明,合成的為表面包裹著EPS、分散性良好的、球形Bio-Se NPs.其顆粒粒徑大小分布范圍為30~100 nm,平均粒徑為60 nm左右.進(jìn)一步探究了Bio-Se NPs合成的最適條件:OD600=0.5,0.5 mmol Na2SeO3,pH=8,35℃.最適條件下,Bio-Se NPs的合成僅需24 h.
(2)研究了Bio-Se NPs對MG的吸附能力以及影響因素,如pH、溫度.Bio-Se NPs在pH=10下對陽離子染料具有很大的去除潛力.吸附動力學(xué)研究表明,準(zhǔn)一級動力學(xué)模型可以很好地擬合Bio-Se NPs對MG的動力學(xué)吸附,吸附過程為物理吸附. 等溫吸附研究表明,MG在Bio-Se NPs上的吸附等溫線符合Langmuir模型,屬單分子層吸附.303~323 K范圍內(nèi),染料去除率隨溫度的升高而降低,吸附量分別為1 355.39、1 095.49 mg/g和898.62 mg/g,對MG的去除能力優(yōu)于傳統(tǒng)生物質(zhì)材料.吸附熱力學(xué)研究表明,MG在Bio-Se NPs上的吸附是一種自發(fā)的放熱反應(yīng).此外,Bio-Se經(jīng)5次循環(huán)后,吸附能力依然優(yōu)異,MG去除率高達(dá)80%以上.