絲膠蛋白的固定化及其對Cd2+的吸附效果研究*

毛 玲 何星存 鄭 波 蘇小建# 韋鴻飛 何星基 蔡國華

(1.廣西師范大學環境與資源學院,珍稀瀕危動植物生態與環境保護省部共建教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.賀州學院化學與生物工程學院，廣西 賀州 542899；3.桂林奧尼斯特節能環保技術有限公司,廣西 桂林 541004)

盡管環境中的鎘濃度極低(大氣中一般不超過0.003 μg/m3，水中不超過10 μg/L，土壤中不超過0.5 mg/kg[1-2])，但鎘是一種毒性很大的重金屬，可以通過食物鏈富集進入人體，鎘在人體內形成的鎘硫蛋白通過血液累積在肝、腎和骨骼中，導致這些臟器、骨骼等發生病變甚至癌變，因此鎘被《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)認定為第一類污染物[3-4]。目前，國內外對處理含鎘廢水的研究很多，主要處理方法有化學沉淀法、離子交換法、吸附法、膜分離法、生物法等[5-9]，其中吸附法是一種操作簡單且應用廣泛的方法，但是吸附劑價格高、吸附效率低是限制其被廣泛應用的原因，因此尋找廉價、高效、選擇性強且易于再生的吸附劑是吸附法的研究熱點。

絲膠蛋白是一種天然水溶性球蛋白，由18種氨基酸組成，其分子結構中的氨基和羧基對重金屬具有螯合作用[10-11]。長期以來，制絲及紡織工業產生的絲膠蛋白沒有得到利用，而是將其隨廢水一起排放，既浪費資源，又增加水體污染。因此，將絲膠蛋白用于吸附廢水中的重金屬，既能減少制絲及紡織工業對環境的污染，又能實現廢物資源的再生利用，達到“以廢治廢”的目的。由于絲膠蛋白水溶性極好，與重金屬結合后形成的螯合物又難以固液分離，也不易回收再生使用，因此不適合直接用作重金屬吸附劑來使用。本研究通過對固定化載體、制備方法和條件的優化，將自制煮繭廢水中的絲膠蛋白固定，成功制備了一種機械強度適中且能固液分離的新型重金屬吸附劑，與傳統吸附劑(活性炭[12]、膨潤土[13]、沸石[14])相比，具有價格低廉、選擇吸附性好、處理效率高的特點。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

煮繭廢水(實驗室自制，絲膠蛋白質量濃度為8 mg/mL)；戊二醛，體積分數為25%，若無特殊說明，都稀釋為2%使用；乙酸溶液，體積分數為2%；50 mmol/L檸檬酸緩沖液(pH=5.0)；生理鹽水，NaCl質量分數為0.9%；硝酸溶液，1 mol/L；海藻酸鈉溶液，20 g/L；氯化鈣溶液，20 g/L；殼聚糖，分析純。

美國PerkinElmer公司的Analyst 800型原子吸收光譜儀；SHZ-82A型水浴恒溫振蕩器；202型電熱恒溫干燥箱；FB224自定內校型電子分析天平；PHS-4C+型酸度計。

1.2 固定化絲膠蛋白的制備

1.2.1 殼聚糖固定化絲膠蛋白

吸附—交聯法：(1)稱取1 g殼聚糖，溶于50 mL乙酸溶液中配成殼聚糖溶液，用5 mL注射器將殼聚糖溶液逐滴滴入過量1 mol/L氫氧化鈉溶液中，過濾，用蒸餾水洗滌生成的白色顆粒至中性，用檸檬酸緩沖液浸泡，于4 ℃冰箱中保存過夜；(2)稱取1 g步驟(1)中處理過的白色顆粒，加入10 mL煮繭廢水，于4 ℃冰箱中吸附5 h后用檸檬酸緩沖液沖洗；(3)將10 mL戊二醛加入到吸附絲膠蛋白后的白色顆粒中，振蕩30 min，室溫下靜置1.5 h，用檸檬酸緩沖液沖洗交聯載體，制得的殼聚糖固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅰ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

交聯—吸附法：(1)預處理方法同吸附—交聯法的步驟(1)；(2)稱取1 g步驟(1)中處理過的白色顆粒，加入10 mL戊二醛，振蕩30 min，室溫下靜置1.5 h，用檸檬酸緩沖液沖洗形成的交聯載體；(3)加入10 mL煮繭廢水，于4 ℃冰箱中吸附5 h，再用檸檬酸緩沖液沖洗，制得的殼聚糖固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅱ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

包埋—交聯法：(1)稱取1 g殼聚糖，溶于50 mL乙酸溶液中，按1∶1(體積比)的配比加入煮繭廢水，混合均勻，用5 mL注射器將混合液逐滴滴入過量1 mol/L氫氧化鈉溶液中，過濾，用蒸餾水洗滌生成的白色顆粒至中性，用檸檬酸緩沖液浸泡，于4 ℃冰箱中保存過夜；(2)稱取1 g步驟(1)中處理過的白色顆粒，加入10 mL戊二醛，振蕩30 min，室溫下靜置1.5 h，用檸檬酸緩沖液沖洗交聯載體，制得的殼聚糖固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅲ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

1.2.2 海藻酸鈉固定化絲膠蛋白

交聯—包埋法：(1)海藻酸鈉溶液與煮繭廢水按體積比1∶1混合均勻，加入與煮繭廢水等體積的戊二醛溶液，振蕩30 min后靜置交聯2 h，用5 mL注射器將混合液逐滴滴入過量氯化鈣溶液中，濾出凝膠小球；(2)將凝膠小球全部浸泡于氯化鈣溶液中，于4 ℃冰箱中靜置硬化2 h，最后用生理鹽水洗滌，制得的海藻酸鈉固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅳ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

包埋—交聯法：(1)海藻酸鈉溶液與煮繭廢水按體積比1∶1混合均勻，37 ℃水浴30 min，用5 mL注射器將混合液逐滴滴入過量氯化鈣溶液中，濾出凝膠小球；(2)稱取1 g凝膠小球與10 mL戊二醛交聯2 h，用生理鹽水洗滌，制得的海藻酸鈉固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅴ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

直接包埋法：(1)凝膠小球的制備同包埋—交聯法的步驟(1)；(2)后續步驟同交聯—包埋法的步驟(2)，制得的海藻酸鈉固定化絲膠蛋白(絲膠蛋白Ⅵ)貯存于4 ℃冰箱中備用。

1.3 吸附實驗

稱取1 g固定化絲膠蛋白，分別加入兩種模擬含Cd2+廢水中，一種為無干擾離子的含Cd2+廢水，體積為100 mL，Cd2+質量濃度為100 mg/L，一種為有干擾離子Ga2+(400 mg/L)和Na+(200 mg/L)的含Cd2+廢水，體積為100 mL，Cd2+質量濃度為100 mg/L。在溫度為30 ℃、轉速為150 r/min的條件下振蕩吸附4 h，用原子吸收光譜儀測定吸附前后Cd2+濃度，并按式(1)計算吸附量。

(1)

式中：Q為吸附量，mg/g；c0為吸附前Cd2+質量濃度，mg/L；c為吸附后Cd2+質量濃度，mg/L；V為模擬廢水體積，L；m為固定化絲膠蛋白質量，g。

2 結果與討論

2.1 固定化載體及制備方法的選擇

2.1.1 耐酸堿性實驗

配制pH分別為3、7、10的磷酸緩沖液，將不同固定化絲膠蛋白置于磷酸緩沖液中浸泡24 h，觀察其形態變化。結果發現，以海藻酸鈉為載體制備的固定化絲膠蛋白都只能存在于pH=3的磷酸緩沖液中，而以殼聚糖為載體制備的固定化絲膠蛋白在3種pH條件下均能保持形狀不變，這是因為在殼聚糖分子中，有相當數量的游離氨基，這些氨基可以和雙功能試劑(如戊二醛等)發生交聯，形成機械性能良好、化學穩定性高的固定化載體[15]。因此，從酸堿穩定性考慮，應選擇殼聚糖作為固定化絲膠蛋白的載體。

圖1 不同固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量Fig.1 Adsorption quantity on Cd2+ of different immobilized sericin proteins

2.1.2 吸附量比較

由圖1可知，殼聚糖為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量幾乎不受Ga2+、Na+干擾離子的影響，而海藻酸鈉為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量受Ga2+、Na+干擾離子的影響很明顯。以殼聚糖為載體時，用包埋—交聯法制備的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附效果最好。以海藻酸鈉為載體的固定化絲膠蛋白雖然對有干擾離子的含Cd2+廢水處理效果不佳，但其對無干擾離子的含Cd2+廢水處理效果普遍優于以殼聚糖為載體的固定化絲膠蛋白，其中包埋—交聯法制備的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附效果最好。因此，包埋—交聯法是一種理想的絲膠蛋白固定化方法。

2.1.3 再生利用性能

將1.3節吸附實驗后的固定化絲膠蛋白用蒸餾水洗滌2～3次，用硝酸溶液振蕩解析4 h，再用蒸餾水洗滌至中性，重復1.3節無干擾離子的含Cd2+廢水吸附實驗。如此再生利用5次，考察不同固定化絲膠蛋白的再生利用性能，結果如圖2所示。隨著再生利用次數的增加，固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量逐漸降低。對于同一種載體，用不同固定化方法制備的固定化絲膠蛋白再生利用性能差別不大。再生利用5次后，海藻酸鈉為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量平均值從102.26 mg/g降至11.09 mg/g，而殼聚糖為載體的固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量降低極小，原因在于殼聚糖分子中的氨基和羥基具有與重金屬離子形成配位鍵的能力，能形成穩定的螯合物[16-18]。

圖2 不同固定化絲膠蛋白的再生利用性能Fig.2 The property for reuse of different immobilized sericin proteins

綜上所述，制備固定化絲膠蛋白的最佳載體為殼聚糖，最佳制備方法為包埋—交聯法。

2.2 殼聚糖固定化絲膠蛋白的吸附條件優化

2.2.1 殼聚糖溶液濃度對Cd2+的吸附效果影響

稱取一定質量的殼聚糖，溶于100 mL乙酸溶液中，配制成殼聚糖質量濃度分別為5、10、15、20、25、30 g/L的殼聚糖溶液，其他條件按照殼聚糖為載體的包埋—交聯法進行固定化，得到殼聚糖固定化絲膠蛋白。殼聚糖濃度不同對制成的固定化絲膠蛋白成球效果差異很大(見表1)，其中殼聚糖質量濃度為15 g/L或20 g/L時固定化絲膠蛋白的成球效果較好。

表1 殼聚糖質量濃度對固定化絲膠蛋白成球效果的影響

用不同殼聚糖質量濃度下按包埋—交聯法制備的固定化絲膠蛋白對無干擾離子的含Cd2+廢水進行吸附實驗，結果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著殼聚糖濃度的提高，固定化絲膠蛋白對Cd2+的吸附量逐漸升高。殼聚糖質量濃度為20 g/L時，Cd2+的吸附量達到最大，之后逐漸降低。這是因為過量的殼聚糖會使固定化絲膠蛋白機械強度過高，表面致密，影響Cd2+的空間擴散。因此，選用20 g/L的殼聚糖比較合適。

圖3 殼聚糖質量濃度對Cd2+的吸附效果影響Fig.3 Effect of chitosan concentration on Cd2+ adsorption

2.2.2 煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比對Cd2+的吸附效果影響

固定殼聚糖質量濃度為20 g/L，煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比分別設為2∶1、1∶1、1∶2、1∶4、0∶1，其他條件按照殼聚糖為載體的包埋—交聯法進行固定化，得到殼聚糖固定化絲膠蛋白，對無干擾離子的含Cd2+廢水進行吸附實驗，結果如圖4所示。當煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為2∶1時，無法制備出成形的固體顆粒，故不再考慮。從圖4來看，當煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比變大，即絲膠蛋白含量增大時，Cd2+的吸附量逐漸增加。當煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為1∶1時，吸附量達到最大值，為101.23 mg/g，因此選擇煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為1∶1作為最佳配比。

圖4 煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比對Cd2+的吸附效果影響Fig.4 Effect of cocoon boiling wastewater to chitosan solution volume ratio on Cd2+ adsorption

2.2.3 戊二醛體積分數對Cd2+的吸附效果影響

固定殼聚糖質量濃度為20 g/L，煮繭廢水與殼聚糖溶液體積比為1∶1，按照殼聚糖為載體的包埋—交聯法進行固定化，得到固定化絲膠蛋白，考察戊二醛體積分數為1%、2%、4%、6%、8%對無干擾離子的含Cd2+廢水的吸附效果影響，結果如圖5所示。由圖5可見，戊二醛體積分數為2%時Cd2+吸附量最大，達到102.72 mg/g；戊二醛體積分數過高或過低時Cd2+吸附量均較低。這是因為戊二醛既是固定化反應的交聯劑，又是蛋白質的變性劑[19]。因此，戊二醛體積分數以2%為宜。

圖5 戊二醛體積分數對Cd2+的吸附效果影響Fig.5 Effect of glutaraldehyde volume fraction on Cd2+ adsorption

3 結 論

以殼聚糖為載體，采用包埋—交聯法，在殼聚糖質量濃度為20 g/L、煮繭廢水與殼聚糖溶液的體積比為1∶1、戊二醛體積分數為2%的條件下，制備的殼聚糖固定化絲膠蛋白成球效果好、易操作、機械強度適中，對Cd2+的吸附量最大達到102.72 mg/g。

[1] 許嘉琳,楊居榮.陸地生態系統中的重金屬[M].北京:中國環境科學出版社,1995.

[2] 趙曉軍,陸泗進,許人驥,等.土壤重金屬鎘標準值差異比較研究與建議[J].環境科學,2014,35(4):1491-1496.

[3] 鄭海芳,李仕欽,陳光亮,等.土壤鎘污染治理探討[J].現代農業科技,2015(6):206-207.

[4] 常艷麗.含鎘廢水處理技術研究進展[J].凈水技術,2013,32(3):1-4.

[5] 付忠田,黃戊生,鄭琳子.化學沉淀法處理葫蘆島鋅廠含鎘廢水的研究[J].環境保護與循環經濟,2010,30(10):44-46.

[6] XIONG C H,YAO C P.Study on the adsorption of cadmium (Ⅱ) from aqueous solution by D152 resin[J].Journal of Hazardous Materials,2009,166(2/3):815-820.

[7] 夏志新,張音波,郭艷平.吸附法處理含鎘廢水研究進展[J].廣東化工,2012,39(15):44-46.

[8] 張連凱,張尊舉,張一婷,等.膜分離技術處理印制電路板重金屬廢水應用研究[J].水處理技術,2011,37(7):127-129.

[9] 許華夏,張春桂,姜晴楠,等.用微生物法固定重金屬離子鎘和鉛的研究[J].環境科技,2009,13(2):51-55.

[10] ZHU Liangjun,ARAI M,HIRABAYASHI K.Relationship between adhesive properties and structure of sericin in cocoon filaments[J].Journal of Insect Biotechnology and Sericology,1995,64(5):420-426.

[11] 張瑤琴,陳忠敏,張艷冬,等.絲膠蛋白分子結構及其制取條件[J].中國組織工程研究與臨床康復,2011,15(3):468-472.

[12] 洪惠,陳浩傳,姬海燕,等.活性炭對重金屬離子的吸附研究[J].天津化工,2013,27(2):1-3.

[13] 張再勇,程勛,姚哲.改性膨潤土對污水中鎘離子的吸附去除效率[J].凈水技術,2013,32(3):33-36.

[14] 李明玉,林達紅,任剛,等.改性沸石粉去除微污染源水中鎘(Ⅱ)的試驗研究[J].中國給水排水,2008,24(17):79-83.

[15] CASAL E,CORZO N,MORENO F J,et al.Selective recovery of glycosylated caseinmacropeptide with chitosan[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2005,53(4):1201-1204.

[16] 杜鳳齡,徐敏,王剛,等.殼聚糖及其衍生物處理重金屬廢水的研究[J].環境科學與管理,2014,39(7):76-80.

[17] 殷杰.新型多功能螯合纖維的制備、表征及其對重金屬離子吸附性能的研究[D].長沙:湖南師范大學,2014.

[18] 何星存,蘇小建,鄭波,等.一種以改性蠶絲吸附重金屬的材料及其制備法：201210117397.3[P].2010-07-25.

[19] 左瑩,馬惠玲,張萍.殼聚糖對栓菌屬漆酶固定化條件的研究[J].安徽農學通報,2010,16(24):28-31.