辣木籽蛋白對水中濁度的去除研究

李 翀，黃 鑫，宋盼輝，劉鵬飛，帖靖璽

(1．華北水利水電大學 環境與市政工程學院，河南 鄭州 450045;2．華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450045)

混凝劑是現代水處理中應用最為廣泛的藥劑之一，既可用于自來水生產以去除原水中的濁度和色度等感官指標，也可用于含重金屬、染料、氟、油類［1－4］等廢水的處理．目前，使用廣泛的無機混凝劑主要有鐵鹽和鋁鹽混凝劑，有機高分子混凝劑主要有聚丙烯酰胺系列． 這些混凝劑在水處理中效果良好，但同時都存在不同程度的缺陷，如鋁鹽可能引起大腦損傷和鋁性貧血等疾病;鐵鹽則有較強腐蝕性，故對設備要求較高，且三價鐵離子可與水中腐殖質等有機物形成水溶性污染物，使自來水產生顏色，影響自來水品質;聚丙烯酰胺的單體則存在生物毒性［5］．其他的天然高分子混凝劑，如淀粉類、半乳甘露聚糖類、纖維素衍生物類、微生物多糖類及動物骨膠類則由于電荷密度小，分子量低，易于生物分解等缺點，無法被大規模應用．因此，尋找新型、安全、無毒、高效的混凝劑就顯得十分重要．

辣木是一種典型的熱帶多功能速生樹種，其葉、花、果、根和辣木油富含多種礦物質、維生素;嫩葉尖、嫩豆莢及根作為蔬菜和食品有增進營養的功能［6］;壯齡辣木的葉、花、成熟果及根具有醫療保健功能［7］;辣木籽還具有優良的凈水效果，其中所含的植物蛋白是一種天然的混凝劑，能夠有效去除水中的濁度，同時對水中的微生物以及重金屬等也有良好的去除效果［8－9］．

1 材料與方法

1．1 模擬濁度水

將60 g 高嶺土加入300 mL 自來水中，用高效快速濕式球磨機(KM －I 型，湘潭華豐儀器制造有限公司)球磨15 min 后，將研磨漿液用自來水定容至1 000 mL 備用． 正式試驗時，采用自來水將上述漿液稀釋至所需濁度． 采用0．1 mol/L 的NaOH 和HCl 溶液進行濁度水pH 值的調整．

1．2 辣木籽油渣中蛋白的提取

首先將辣木籽油渣(云南辣木生物科技有限公司提供)在40 ℃烘箱中烘干8 h．然后，采用家用粉碎機將辣木籽油渣粉碎后過80 目篩，然后與0．5 mol/L硫酸銨溶液按1∶100(W∶V)的比例混合，在40 ℃的磁力攪拌器(DF －I 型，常州博遠實驗分析儀器廠)中攪拌20 min 后，用0．45 μm 濾膜過濾．向濾液中緩慢加入粉末狀(NH4)2SO4(控制濾液中鹽的最終飽和度為80%)，同時進行磁力攪拌，加完后繼續攪拌10 min，混合液在4 000 rpm 離心機(800B 型，上海安亭科學儀器廠)中離心10 min，棄去上清液，沉淀用蒸餾水清洗3 次后加入截留分子量為3 500 D(Dalton 道爾頓)的透析袋，透析袋密封后放入盛有1 L 蒸餾水的大燒杯中，定期更換蒸餾水并從燒杯中取出水樣，向其中加入1%的BaCl2溶液，直至水樣中沒有白色沉淀時，停止透析． 將透析袋中的液體取出并定容至100 mL，采用考馬斯亮藍法測定最終的蛋白含量．具體流程如圖1 所示．

圖1 辣木籽油渣提取工藝流程圖

1．3 混凝試驗

將盛有500 mL 濁度水的燒杯置于混凝試驗攪拌器(ZR4 －6 型，深圳潤水工業技術發展有限公司)上，加入一定量的辣木籽蛋白提取液，開始混凝攪拌．設定混合攪拌3 min，速度200 r·min－1，混凝攪拌15 min，速度40 r·min－1． 攪拌結束后開始計時，在沉淀時間為30 ～180 min 時，從燒杯液面下2 cm處取樣，測定樣品濁度．改變初始濁度，辣木籽蛋白的投加量，pH 值和水溫，重復上述試驗，考察上述因素對濁度的去除效果． 以上所有試驗均做3 組平行，同時以不加任何絮凝劑的濁度水為對照．選擇其中一組，取試驗結束時水樣用0．45 μm 濾膜過濾后測定其CODMn和硝態氮濃度．

1．4 測試分析方法

辣木籽蛋白提取液中的蛋白濃度采用考馬斯亮藍法測定(UVmini－1240 型，島津企業管理(中國)有限公司);溶液濁度采用便攜式濁度儀(SGZ －B型，上海悅豐儀器儀表有限公司)測定;溶液的pH值采用臺式pH 計(PHS －3C 型，上海理達儀器廠)測定;水溫采用水銀溫度計測定;辣木油渣提取物的官能團采用傅里葉紅外光譜儀測定(Nicolet 5700，美國Thermo Nicolet 公司);水中的CODMn和硝態氮濃度按照國標法檢測［10］．

2 結果與分析

2．1 提取物的紅外光譜分析

提取物的紅外光譜譜圖如圖2 所示． 其中，2 923 cm－1和2 851 cm－1為脂肪酸中CH2的對稱和非對稱振動;1 655 cm－1為 CO 的伸縮振動(酰胺I 帶);1 543 cm－1為CN 的伸縮振動和NH 的彎曲振動(酰胺II 帶)［11］．說明提取物中蛋白質存在．采用考馬斯亮藍法測定的蛋白質濃度為222 mg/L．

圖2 辣木籽油渣提取物紅外圖譜

2．2 沉淀時間的影響

沉淀時間對濁度去除效果的影響如圖3 所示．初始濁度為150 NTU，溫度為30 ℃，pH 值為8．

圖3 沉淀時間的對濁度去除效果的影響

由圖3 看出，濁度隨沉淀時間的延長而下降，兩個體系濁度的下降規律不同． 空白體系的濁度隨沉淀時間的延長均勻下降;投加了0．5，1．0 mL 的辣木蛋白提取液后，濁度則在沉淀的前30 min內急劇下降，之后緩慢下降，1．0 mL 辣木籽蛋白投加量的去除效果最好．這是因為，辣木籽蛋白提取液中含有大量蛋白質，這些蛋白質的等電點(pH 值)為10 ～11［12］，在試驗設定的pH 值條件下，蛋白質帶正電荷，能夠通過吸附－電性中和作用沉淀水中的高嶺土顆粒．試驗體系的剩余濁度在90 min 以后基本趨于穩定，選取90 min 為最佳沉淀時間．

2．3 pH 值的影響

溶液初始pH 值對濁度去除的影響如圖4 所示．初始濁度為180 NTU，溫度為30 ℃，辣木籽蛋白提取液投加量為0．1 mL．由圖4 可知，在pH 值為7時辣木籽蛋白對濁度的去除效果最差，去除率為92．8%，pH 值為6 和8 時的去除率分別為96．0%和94．2%．鑒于試驗用水的pH 值接近于8，所以選取8 作為后續研究用水的pH 值．

圖4 pH 值對濁度去除的影響

2．4 溫度的影響

溶液溫度對濁度去除的影響如圖5 所示．采用初始濁度為180 NTU 的濁度水，在不同溫度下分別投加0．1 mL 辣木籽蛋白提取液．由圖5 可見，辣木籽蛋白對濁度的去除受溫度的影響不大． 溶液溫度在10，20，30 ℃時，去除率分別為94．6%，95．9%，93．8%．因此，在其他試驗條件情況不變的情況下，溫度對辣木籽蛋白提取液去除水中濁度的影響較小．

圖5 溫度對濁度去除的影響

2．5 投加量和初始濁度的影響

不同辣木籽蛋白投加量對不同濃度濁度水去除效果的影響如圖6 所示，溫度為30 ℃．

圖6 辣木籽蛋白用量和初始濁度對濁度去除的影響

對于低濁度(20，30 NTU)水，投加0．2 mL 辣木籽蛋白提取液，靜置90 min 后，濁度分別降至12．2 NTU和14．4 NTU，投加1．0 mL 時濁度分別降至11．6 NTU 和11．0 NTU． 隨辣木籽蛋白投加量的增加，濁度的去除率基本呈上升趨勢，30 NTU 的濁度水投加0．2 ～1．0 mL 蛋白，去除率從52．2%增加到63．4%，20 NTU的濁度水去除率從38．8%增加到47．2%．

對于中濁度(90，120，150 NTU)水，投加0．2 mL的辣木籽蛋白提取液，靜置90 min 后，對濁度的去除率分別為83．9%，87．1%，91．1%．隨著投加量的增加，去除率也相應增加，投加0．2 ～1．0 mL 的辣木籽蛋白去除率增加幅度分別為5． 8%，3． 3%，1．9%．辣木籽蛋白提取液對中濁度水去除效果影響明顯大于低濁度水，但隨著蛋白投加量的增加，中濁度水去除率的增加幅度小于低濁度水，去除效果基本穩定．

對于高濁度(180，240，280 NTU)水，分別投加0．2，0．4，0．6，0．8，1．0 mL 的辣木籽蛋白提取液，靜置90 min 后，180 NTU 試驗組濁度分別降為10．3，11．4，8．2，9．1，7．3 NTU，去除率分別為94．28%，93．67%，95．46%，94．93%，95．93%．隨著辣木籽蛋白投加量的增加，240，280 NTU 的試驗組濁度去除率分別從96．4%增加到96．9%和從95．6%增加到98．7%．辣木籽蛋白提取液對中高濁度水的去除效果高于低濁度水．

2．6 辣木籽蛋白提取液對處理水水質的影響

作為混凝劑，在高效凈水的同時，應盡可能減少對處理水質的影響． 辣木籽蛋白提取液主要成分為有機物，如果處理水中有較多的殘留，則容易造成處理水變質，并產生異味;同時辣木籽蛋白提取液中含有硝酸鹽［13］，高濃度的硝酸鹽會危害飲用者的健康．因此，選取高錳酸鹽指數和硝態氮作為衡量指標，考察辣木籽蛋白投加進水體后對水質的影響，其結果如圖7 所示，初始濁度為180 NTU，溫度為30 ℃．

圖7 辣木籽蛋白對水質的影響

由圖7 可知，辣木籽蛋白提取液用量為0 mL 的對照體系經過濾后CODMn的含量為5．21 mg/L;而投加0． 2 mL 的辣木籽蛋白提取液后，處理水中CODMn的濃度最低，為3． 60 mg/L，其余投加量下CODMn的濃度均為3．92 mg/L．可以看出，處理水中的CODMn均低于對照體系，說明辣木籽蛋白提取液在有效去除水中濁度的同時，并不會增加水中有機物的含量．

硝態氮的含量變化則隨辣木籽蛋白提取液投加量的增加變化趨勢并不大，基本處于穩定值．空白對照組經過濾后硝態氮的含量為3．06 mg/L;而投加0．2 ～1．0 mL 的辣木籽蛋白提取液后，硝態氮含量最低為2．99 mg/L，最高為3．32 mg/L，符合生活飲用水衛生標準GB 5749—2006 中自來水廠出水指標(硝酸鹽(以N 計，mg/L)小于10 mg/L)． 用辣木籽蛋白去除濁度對水質的影響較小．

3 結 語

采用鹽溶+鹽析法制備的辣木籽蛋白提取液中蛋白含量為222 mg/L．以高嶺土模擬的濁度為目標污染物，考察辣木籽蛋白對濁度的去除效果．結果表明:溫度和pH 值對上述提取液去除水中濁度的影響較小;辣木籽蛋白適合用來處理中、高濁度水，而對低濁度水去除效果不夠理想;辣木籽蛋白對處理的水質影響較小，可能是由于其去除水中濁度的機理是吸附－電性中和作用的原因．

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