1 引言
目前，偶氮染料廢水的危害的嚴(yán)重性被越來(lái)越多的人所重視，偶氮染料大量的排放到水環(huán)境中會(huì)造成嚴(yán)重的污染，因此對(duì)偶氮染料的處理研究越來(lái)越廣泛.
目前處理偶氮染料的處理方法有物化法和生物法，而生物法是有良好應(yīng)用前景的處理方法.但生物法也存在著一些問(wèn)題，比如：反應(yīng)速率慢，處理周期長(zhǎng)等問(wèn)題，因而提高偶氮染料的降解效率成為研究的熱點(diǎn).
近年來(lái)的研究顯示，含有醌基的氧化還原介體能夠有效地加速一些難降解污染物的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，醌基結(jié)構(gòu)是加速生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的活性官能團(tuán)，許多醌類(lèi)化合物能夠作為氧化還原介體加速電子供體與電子受體之間的電子傳遞速率，加速污染物的氧化還原速率，從而加速難降解污染物生物降解速率，縮短生物轉(zhuǎn)化時(shí)間.
氧化還原介體分為天然介體與人工介體，天然介體有分子量小、醌基少的劣勢(shì)，而人工介體中的水溶性介體有易流失造成二次污染和連續(xù)投加成本高的缺點(diǎn)，所以選擇非水溶性氧化還原介體進(jìn)行加速作用.介體固定化技術(shù)是指利用物理或化學(xué)的手段將氧化還原介體限制或定位于特定的空間區(qū)域，使其具有水不溶性、達(dá)到一定密集程度，并保持其生物催化功能可反復(fù)利用的技術(shù).有學(xué)者利用聚氨酯物理吸附蒽醌和AQS來(lái)進(jìn)行染料的厭氧脫色，固定的醌型介體可以使偶氮染料生物脫色率提高8.8倍.聚乙烯醇具有優(yōu)良的反應(yīng)性和無(wú)毒無(wú)味，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)各種類(lèi)型的PVA接枝共聚物進(jìn)行深入研究，然后對(duì)PVA及其聚酯等進(jìn)行物理或者化學(xué)改性，然后再提高其機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性.為了開(kāi)發(fā)出對(duì)難降解污染物具有催化活性的非水溶性氧化還原介體，以PVA海綿為載體，將醌基基團(tuán)用化學(xué)反應(yīng)的方法將其接枝到PVA海綿載體上，合成出含有醌基的氧化還原介體高分子材料，并通過(guò)元素分析與掃描電鏡進(jìn)行表征，以實(shí)驗(yàn)室模擬廢水為目標(biāo)污染物，探索研究醌基PVA海綿對(duì)偶氮染料廢水處理方面的應(yīng)用，考察其降解效果并對(duì)制備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.
2 材料與方法
2.1 主要試劑與儀器
二氯甲烷，天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng);蒽醌-2-磺酸鈉，重慶跨越(集團(tuán))股份有限公司;水合茚三酮，天津市永大化學(xué)試劑有限公司;二乙烯三胺，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;其他實(shí)驗(yàn)試劑均采用分析純.
2.2 醌基PVA海綿的制備
醌基PVA海綿制備主要分為3個(gè)步驟：蒽醌-2-磺酰氯(ASC)的制備、PVA海綿的胺化、胺化PVA海綿合成為醌基PVA海綿.
2.2.1 蒽醌-2-磺酰氯(ASC)的制備
取5 g 9，10-蒽醌-2-磺酸鈉(AQS)與50 mL二氯甲烷到四口瓶中，將四口瓶放入水浴鍋中，設(shè)定水浴溫度為40 ℃，磁力攪拌，保持回流狀態(tài).當(dāng)出現(xiàn)第一滴回流液時(shí)從四口瓶側(cè)頸加入8 mL氯磺酸，繼續(xù)攪拌，反應(yīng)回流6 h，停止加熱并靜置至室溫.將反應(yīng)液倒入蒸餾水中，體系呈分層狀態(tài)，用蒸餾水洗滌有機(jī)層5~6次，用分液漏斗分離有機(jī)層與水層，保留有機(jī)層，真空減壓抽濾，風(fēng)干除去其中的二氯甲烷，得到產(chǎn)物9，10-蒽醌-2-磺酰氯(ASC)黃色結(jié)晶體.
圖 1 蒽醌-2-磺酰氯(ASC)的制備
2.2.2 PVA海綿的胺化
量取50 mL的2 mmol·L-1的NaOH溶液和50 mL二乙烯三胺放入到四口瓶中，二乙烯三胺在溶解過(guò)程中放出大量熱量，需等待其體系降至所設(shè)定溫度后，稱(chēng)取PVA海綿0.88 g放入四口瓶中，并開(kāi)始計(jì)時(shí).反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)定時(shí)間后停止反應(yīng)，將瓶中的液體倒出，將產(chǎn)物胺化PVA海綿(R-NH2)用自來(lái)水與蒸餾水各洗滌3次，洗去其中的NaOH溶液與二乙烯三胺，并放置在烘箱中在40 ℃下烘干.
2.2.3 將胺化PVA海綿合成為醌基PVA海綿
胺化PVA海綿在堿性條件下與蒽醌-2-磺酰氯(ASC)溶液反應(yīng)生成醌基PVA海綿，反應(yīng)如圖 2所示.
圖 2 接醌PVA海綿的制備 (R-NH2代表胺化PVA海綿)
量取50 mL 2 mol·L-1氫氧化鈉放入四口瓶中，向其中加入0.88 g胺化聚乙烯醇海綿.取0.1 g蒽醌-2-磺酰氯溶解在20 mL二氯甲烷中，當(dāng)反應(yīng)體系達(dá)到設(shè)定溫度后，用恒壓漏斗將二氯甲烷溶液緩慢滴加到四口瓶中，滴加完畢后反應(yīng)一定時(shí)間，然后用二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺和蒸餾水先后分別洗滌3次，放入40 ℃烘箱中烘干，備用.
2.3 醌基PVA海綿的表征
2.3.1 元素分析
本實(shí)驗(yàn)通過(guò)元素分析方法定量測(cè)量S的摩爾質(zhì)量再轉(zhuǎn)換成醌基的摩爾質(zhì)量，通過(guò)與空白載體S的摩爾量相比，進(jìn)而確定醌基的含量.
2.3.2 掃描電鏡
掃描電鏡應(yīng)用主要體現(xiàn)在材料形貌觀(guān)察分析上.對(duì)材料形貌的觀(guān)察分析、直接觀(guān)察納米材料的形貌、觀(guān)察材料表面、切面進(jìn)行分析.本實(shí)驗(yàn)通過(guò)掃描電鏡可以分析放大后的載體結(jié)構(gòu)圖，定性分析接醌前后載體結(jié)構(gòu)的變化以及接醌情況.
2.4 醌基修飾PVA海綿加速偶氮染料生物降解
偶氮染料降解:偶氮染料的生物降解過(guò)程中，一般在LB培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)接菌種GYZ，實(shí)驗(yàn)所用降解偶氮染料的菌種為本實(shí)驗(yàn)室分離馴化好的耐鹽菌株Staphylococcus sp.GYZ(16S rDNA在GenBank登陸序列號(hào)：EF188282)，在35 ℃、120 r·min-1的恒溫?fù)u床中好氧培養(yǎng)4 h左右，待細(xì)菌生長(zhǎng)至660 nm波長(zhǎng)下吸光度為0.3左右，菌液混合.
在加入醌基修飾PVA海綿加速偶氮染料降解的過(guò)程中，配制好降解培養(yǎng)基和擴(kuò)大培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)pH為7，分裝到錐形瓶，放入高溫滅菌鍋中，冷卻后，擴(kuò)大培養(yǎng)基中接入細(xì)菌，恒溫?fù)u床搖8 h.然后再把擴(kuò)大培養(yǎng)基接入降解培養(yǎng)液中，恒溫?fù)u床搖8 h后，加入5塊PVA海綿.取培養(yǎng)液離心后(12000 r·min-1，5 min)的上清液，以去離子水為參比，利用可見(jiàn)分光光度計(jì)，調(diào)節(jié)分光光度計(jì)的波長(zhǎng)為514 nm，每隔1 h測(cè)1次樣，測(cè)量其吸光度，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)測(cè)定樣品吸光度，計(jì)算出偶氮染料濃度.
2.5 分析方法
采用茚三酮顯色法定量的檢測(cè)氨基的含量.偶氮染料濃度的測(cè)定是通過(guò)分光光度計(jì)在514 nm下測(cè)量吸光度，然后運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)公式計(jì)算染料的濃度.脫色率按以下公式進(jìn)行計(jì)算： η=(1-At/A0)×100% 式中，A0為降解前染料廢水最大吸附峰處的吸光度; At為降解t時(shí)刻染料廢水最大吸收峰處的吸光度.
3 結(jié)果與討論
3.1 醌基PVA海綿的表征
3.1.1 元素分析
對(duì)PVA海綿進(jìn)行元素分析來(lái)表征出其接醌含量，其元素分析如表 1所示.
表 1 元素分析
如表 1所示，通過(guò)觀(guān)察接醌前后S元素的摩爾比的不同，得出接醌PVA海綿的S元素是0.256%，通過(guò)計(jì)算可得PVA的接醌含量是0.08 mmol·g-1.
3.1.2 掃描電鏡
對(duì)PVA海綿進(jìn)行了掃描電鏡分析來(lái)表征其微觀(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)其接醌前后進(jìn)行對(duì)比(圖 3).
圖 3 掃描電鏡圖
圖 3中a圖表明PVA海綿具有表面疏松多孔的結(jié)構(gòu)和比表面積大的特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)更容易使得細(xì)菌在其表面附著.而圖b和圖c對(duì)接醌前后表面掃描電鏡圖進(jìn)行對(duì)比，在圖b中其接醌前表面呈現(xiàn)光滑的結(jié)構(gòu)，而圖c中其接醌后表面呈現(xiàn)出粗糙的結(jié)構(gòu)，并有顆粒在其表面富集，這表明醌基已經(jīng)接枝到了PVA海綿載體上了.
3.2 探究不同胺化時(shí)間合成的醌基PVA海綿對(duì)生物降解的影響
聚乙烯醇海綿胺化時(shí)間、胺化溫度、接醌時(shí)間、接醌溫度對(duì)接醌PVA海綿的制備影響較大.實(shí)驗(yàn)采用單一變量法考察其影響.微生物對(duì)偶氮染料進(jìn)行降解作用，而醌基修飾PVA海綿是含有醌基的高分子材料，其在降解過(guò)程中起到了氧化還原介體的作用，可以大大加速微生物厭氧過(guò)程中的電子傳遞，進(jìn)而促進(jìn)微生物降解有機(jī)污染物.
3.2.1 茚三酮顯色法測(cè)量不同胺化時(shí)間的PVA海綿氨基含量
設(shè)定胺化溫度為30 ℃，接醌時(shí)間為6 h，接醌溫度為30 ℃，胺化時(shí)間作為單一變量，用茚三酮顯色法檢測(cè)氨基含量，檢測(cè)結(jié)果如圖 4a所示.
圖 4 不同胺化時(shí)間對(duì)海綿氨基含量的影響與其對(duì)偶氮染料降解加速的影響
如圖 4a所示，隨著胺化時(shí)間的增加，其單位質(zhì)量的摩爾量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)胺化反應(yīng)6 h時(shí)，單位質(zhì)量胺基摩爾量達(dá)到最大值，原因可能是胺化時(shí)間達(dá)到6 h后胺解反應(yīng)迅速.從圖 4a中可以看出胺化時(shí)間為6 h時(shí)氨基含量達(dá)到最大值，所以我們選擇胺化6 h為最佳反應(yīng)溫度.
3.2.2 胺化時(shí)間對(duì)偶氮染料的加速生物降解的影響
將合成過(guò)程的胺化溫度定為30 ℃，接醌溫度為30 ℃，接醌時(shí)間為6 h，單一改變胺化時(shí)間來(lái)進(jìn)行合成接醌海綿，將其用于加速酸性紅B生物降解的試驗(yàn)中，其生物降解試驗(yàn)圖如圖 4b所示.
從圖 4b中可以看出，接醌PVA海綿的加入能夠影響偶氮染料的加速降解作用，合成過(guò)程中不同的胺化時(shí)間影響偶氮染料的降解速度，胺化時(shí)間6 h的PVA海綿比2 h的降解偶氮染料的速率快而比10h的慢，這是由于在其他條件不變的條件下接醌量隨胺化量的增加而增加，其對(duì)偶氮染料的降解速率也隨之增加，而6 h后胺化海綿不穩(wěn)定而氨基含量減少，接醌量也隨之減少，從而偶氮染料的降解速率減慢.這一結(jié)果與其在茚三酮顯色反應(yīng)的結(jié)果相同.胺化時(shí)間為6 h時(shí)的PVA海綿的對(duì)偶氮染料的降解速率最快.
綜上所述，通過(guò)不同的方法得到胺化時(shí)間為6 h的PVA海綿具有較高的氨基含量，從而具有較好的對(duì)偶氮染料的降解速率，所以其將胺化時(shí)間定為6 h.
3.3 探究不同胺化溫度合成的醌基PVA海綿對(duì)生物降解的影響
設(shè)定PVA海綿的胺化溫度作為變量，胺化時(shí)間為6 h，接醌時(shí)間4 h和接醌溫度30 ℃保持不變，來(lái)探索其對(duì)偶氮染料的加速降解過(guò)程.
3.3.1 茚三酮顯色反應(yīng)測(cè)定不同胺化溫度的PVA海綿氨基含量
PVA海綿在不同胺化溫度下的合成對(duì)茚三酮顯色反應(yīng)的影響如圖 5a所示.
圖 5 不同胺化溫度合成的醌基PVA海綿對(duì)氨基含量的影響與其對(duì)偶氮染料的加速降解的影響
如圖 5a所示，溫度在30 ℃以下時(shí)，聚乙烯醇海綿的氨基含量隨著胺化溫度的增加而增加.當(dāng)胺化溫度達(dá)到30 ℃以上時(shí)，其氨基含量并沒(méi)有隨其胺化溫度的增長(zhǎng)而持續(xù)增加，而是保持30 ℃時(shí)氨基含量的值不變，其氨基含量保持穩(wěn)定并達(dá)到最大.因此可以將30 ℃定為較優(yōu)的胺化溫度.
3.3.2 不同胺化溫度合成的醌基PVA海綿對(duì)偶氮染料的加速降解的影響
將合成PVA海綿的胺化時(shí)間設(shè)定為6 h，接醌反應(yīng)的溫度是30 ℃，接醌時(shí)間為6 h不變.單一地改變胺化溫度一個(gè)變量來(lái)合成的PVA海綿進(jìn)行加速酸性紅B的生物降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖 5b所示.
從圖 5b中能夠得出胺化海綿能夠有效地加速偶氮染料的降解，胺化溫度為20 ℃的海綿的加速降解能力較差，但隨著溫度的提升，20 ℃到30 ℃的PVA海綿的降解能力呈現(xiàn)逐漸加強(qiáng)的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著溫度的提高氨基含量增加.但胺化溫度到了30 ℃及其以上時(shí)，PVA海綿的氨基含量達(dá)到最大且接醌量也達(dá)到最大穩(wěn)定值，其對(duì)偶氮染料降解速率不會(huì)再隨胺化溫度的升高而加快.加速偶氮染料降解速率較好的胺化溫度30 ℃與茚三酮顯色反應(yīng)中的結(jié)果保持一致，所以選擇30 ℃為聚乙烯醇海綿的較優(yōu)胺化溫度.
3.4 探究不同接醌時(shí)間合成的醌基PVA海綿對(duì)生物降解的影響
本實(shí)驗(yàn)設(shè)定PVA海綿的接醌時(shí)間為單一變量，其胺化時(shí)間6 h，胺化溫度30℃和接醌溫度為30 ℃不變，探索其對(duì)偶氮染料的加速降解的影響，結(jié)果如圖 6所示.
圖 6 接醌時(shí)間合成的醌基PVA海綿對(duì)偶氮染料加速降解的影響
如圖 6所示，接醌PVA海綿都具有加速偶氮染料的生物降解的作用，而在其他條件不變的條件下，接醌時(shí)間為2 h時(shí)對(duì)偶氮染料的加速效果最好，接醌時(shí)間在4~8 h時(shí)，其加速降解的效果比較接近，當(dāng)接醌時(shí)間為10h時(shí)，其加速降解的效果較差.接醌時(shí)間為10h效果較慢的原因可能是蒽醌磺酰氯較易水解，隨著時(shí)間的增加水解較嚴(yán)重，導(dǎo)致接醌量減少，從而使得加速偶氮染料的降解作用降低.
3.5 探究不同接醌溫度合成的醌基PVA海綿對(duì)生物降解的影響
本次設(shè)定PVA海綿的接醌溫度為單一變量，其胺化時(shí)間6 h，胺化溫度30 ℃，接醌時(shí)間4 h保持不變，探索
接醌溫度對(duì)偶氮染料的加速降解的影響，結(jié)果如圖 7所示.
圖 7 接醌溫度合成的醌基PVA海綿對(duì)偶氮染料加速降解的影響
如圖 7所示，不同溫度的接醌PVA海綿都具有加速偶氮染料生物降解的作用.在接醌溫度在20~40 ℃時(shí)隨著接醌溫度的增加，其對(duì)偶氮染料的加速降解作用也越來(lái)越好，這表明隨著溫度的增加PVA海綿的接醌量也越來(lái)越大，從而使其的催化降解活性也越來(lái)越強(qiáng).但當(dāng)溫度達(dá)到50~60 ℃時(shí)，其催化降解活性并沒(méi)有進(jìn)一步增強(qiáng)，而是有所減弱，這說(shuō)明PVA海綿的接醌量有所減少.導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是：二氯甲烷的沸點(diǎn)為40 ℃，當(dāng)接醌溫度高于40 ℃時(shí)，二氯甲烷的揮發(fā)程度逐漸加大，使得溶解在其中的蒽醌磺酰氯快速析出，遇到水環(huán)境時(shí)大部分發(fā)生水解，這導(dǎo)致在接醌過(guò)程中接醌量大大減少，從而其對(duì)偶氮染料的催化加速活性降低.
3.6 偶氮染料生物降解過(guò)程中ORP的變化
在初始酸性紅B濃度為200 mg·L-1的條件下，來(lái)探索聚乙烯醇海綿對(duì)酸性紅B的生物脫色過(guò)程的脫色率和ORP變化的關(guān)系，如圖 8所示.
圖 8 醌基PVA海綿與空白體系對(duì)酸性紅B的脫色率與ORP值
如圖 8所示，降解2.5 h時(shí)含有醌基的PVA海綿脫色率達(dá)到了90.2%，與同時(shí)刻的空白相比是其脫色率的1.3倍.因此含有醌基的PVA海綿能夠顯著地提高酸性紅B的脫色速率;在空白和含有醌基PVA海綿的兩個(gè)體系中，隨著酸性紅B的脫色率不斷增加，其ORP的值也均隨之降低.在生物脫色過(guò)程中，含有醌基的PVA海綿的ORP值與空白體系的相比其值較低.因此我們可以推測(cè)出醌基PVA海綿對(duì)酸性紅B的脫色速率比空白體系明顯增加，其原因可能是通過(guò)加速ORP的降低來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的.
3.7 醌基PVA海綿的循環(huán)使用
將制備的醌基PVA海綿進(jìn)行酸性紅B的生物脫色試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行4 h后將其從培養(yǎng)基中取出，隨即將其加入到另一個(gè)相同的反應(yīng)體系中，逐次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，探索醌基PVA海綿的脫色率與循環(huán)使用次數(shù)之間的關(guān)系.醌基PVA海綿對(duì)偶氮染料的生物脫色實(shí)驗(yàn)的循環(huán)使用圖如圖 9所示.降解反應(yīng)4 h時(shí)，醌基PVA海綿在連續(xù)使用11次后其脫色率仍能保持在90%以上，能一直保持較高的脫色率.這表明醌基PVA海綿在循環(huán)使用多次的情況下仍能保持良好的生物脫色性能，并且固定的醌基基團(tuán)并沒(méi)有損失，這說(shuō)明醌基PVA海綿具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
1)聚乙烯醇的最佳胺化反應(yīng)時(shí)間為6 h，最佳胺化溫度是30 ℃，最佳接醌反應(yīng)時(shí)間是2 h，最佳接醌溫度為40 ℃.元素分析可得PVA的接醌含量是0.08 mmol·g-1，掃描電鏡表明醌基基團(tuán)已經(jīng)成功接枝到了PVA海綿表面上.
2)醌基的PVA海綿對(duì)酸性紅B的脫色率明顯高于空白體系的脫色率，降解2.5h時(shí)含有醌基的PVA海綿脫色率達(dá)到了90.2%，是空白體系脫色率的1.3倍.隨著酸性紅B的脫色率不斷增加，其ORP的值也均隨之降低，醌基PVA海綿的ORP值比空白體系的較低，這可以推測(cè)出醌基PVA海綿對(duì)酸性紅B具有良好的生物催化作用，這可能是由于ORP值降低來(lái)實(shí)現(xiàn)的.
3)醌基PVA海綿在循環(huán)使用11次后脫色率仍能保持90%以上，這表明醌基PVA海綿在循環(huán)使用多次后仍能在微生物的作用下保持良好的介體加速脫色性能.
