整体型SiO2基大孔/介孔复合材料固定化漆酶及其在染料降解中的应用

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漆酶已被证明具有高效降解染料的特殊催化能力,且对环境友好。然而,游离态漆酶不易从反应体系中分离回收、不可重复使用,限制了漆酶在工业领域的应用。固定化酶技术被认为是最有效的改进方法,其兼顾了酶的特性并能够实现酶的重复使用,也提高了酶的稳定性,使得酶得到现代工业的应用。本文制备了具有三维连续贯通大孔孔道结构的整体型大孔/介孔SiO2,通过对整体型大孔/介孔SiO2材料进行表面改性,并用于漆酶的固定化。以偶氮荧光桃红为水体模拟污染物,比较了两类固定化漆酶对染料的催化降解性能。同时,设计和制作了一种填充床式漆酶反应器,用于对染料进行连续式脱色。具体如下:(1)用硬模板法制得具有三维连续贯通孔道结构的整体型大孔/介孔SiO2。通过多巴胺(DA)在其孔道表面的原位氧化聚合,得到由聚多巴胺(PDA)改性的整体型材料。应用SEM、BET、FTIR和TG等表征技术对材料进行分析。以聚多巴胺改性材料(PDA/SiO2)为载体固定诺维信工业级漆酶,系统研究了pH值、固定化时间及温度等对漆酶固定化的影响;以偶氮荧光桃红作为水体模拟污染物,研究了固定化漆酶(Lac-PDA/SiO2)对偶氮荧光桃红的催化降解性能。结果显示,在优化条件下,Lac-PDA/SiO2的酶活达到348.9U/g。在偶氮荧光桃红浓度为10 mg/L、pH 7.0、温度为30℃、降解时间为8 h时,固定化漆酶对偶氮荧光桃红脱色率≥99.9%且循环脱色使用性能良好。(2)以整体型大孔/介孔SiO2为基底,Cu(CH3COO)2/H2O2作为氧化剂,引发多巴胺自由基聚合,聚多巴胺薄膜能够螯合Cu2+并在整体型大孔/介孔SiO2孔道表面上快速沉积,制得Cu2+-PDA/SiO2复合材料。采用SEM、BET、FTIR、EDX和XPS等表征技术对材料进行分析。以Cu2+-PDA/SiO2为载体固定化漆酶,系统研究了Cu2+浓度、固定化时间、pH值及漆酶初始浓度对漆酶固定化的影响。将固定化漆酶(Lac-Cu2+-PDA/SiO2)应用于偶氮荧光桃红的脱色中,并将脱色性能与Lac-PDA/SiO2进行了对比。结果显示,在优化条件下,Lac-Cu2+-PDA/SiO2的酶活达到463.3 U/g,且Lac-Cu2+-PDA/SiO2的热稳定性、pH稳定性及操作稳定性都远超Lac-PDA/SiO2,酶活及酶学性能得到进一步的提升。在偶氮荧光桃红浓度为10 mg/L、pH 7.0、温度为30℃、降解时间为2 h时,Lac-Cu2+-PDA/SiO2对偶氮荧光桃红脱色率≥99.9%,且具有良好的循环使用性。(3)设计和制作了一种填充床式漆酶反应器,在其中装填入固定化漆酶,用于对偶氮荧光桃红进行连续式脱色。优化填充床式漆酶反应器脱色降解偶氮荧光桃红的条件,并测试重复使用性。结果显示,在pH 7.0,温度为30℃,流量为(1/3)L/h,染料浓度为10 mg/L时,填充床式漆酶反应器对偶氮荧光桃红具有较高的脱色率以及较好的重复使用性。
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