三維石墨烯泡沫脫除對蝦加工副產物中Hg(II)的研究

鄭敏莉,邱赟竹,楊 雪,陳曉梅

(集美大學食品與生物工程學院,福建廈門 361021)

我國是全球最大的對蝦生產國和出口國,出口產品主要以去頭對蝦和蝦仁為主,而占對蝦總重量30%的蝦頭、蝦殼等大部分只是粗糙地加工成飼料或作為工業原料。近年來,越來越多研究者開始重視對對蝦加工副產物的綜合利用,例如,利用蝦頭、蝦殼制作甲殼素、蝦青素和殼聚糖等[1-4]。然而,由于對蝦營底棲的特殊生活方式,當水體受到汞(mercury,Hg)污染時,對蝦頭部容易富集Hg(II),再加上生產工藝中往往涉及濃縮及富集過程,導致利用蝦頭生產的產品中往往存在Hg(II)超標的現象[5]。因此,開展對蝦加工副產物中脫除Hg(II)的研究,對于進一步拓展對蝦加工副產物的綜合利用,具有重要意義。

目前國內外針對對蝦加工副產物中重金屬脫除的研究較少,但對其他水產品重金屬脫除的研究中,化學吸附法[6]是一種常用的脫除方法。這種方法利用重金屬與吸附材料之間的螯合作用,將重金屬吸附在材料表面,實現重金屬與生物活性分子的分離[7]。目前大部分的研究集中使用殼聚糖及其衍生物[8-9]、螯合樹脂[10-11]或貝殼粉[12-15]等作為吸附劑。這些材料具有來源廣、成本低廉等優點,但是也存在選擇性較差、吸附容量較小、脫除時間較長等問題,因此,十分有必要尋找新的吸附材料,實現對對蝦加工副產物中Hg(II)的高選擇性、大容量、快速脫除。石墨烯是由碳六元環組成的二維片狀材料,比表面積很大,表面有豐富的官能團(如羧基、羥基、環氧基)。課題組在前期研究工作中,利用石墨烯富集食品中的雙酚A、岡田酸毒素等有害物質,積累了一定的研究經驗[16-17]。然而在實際應用中,片狀石墨烯容易重新堆疊,造成表面積減少。近年來,人們研制出三維石墨烯泡沫(3D graphene foam,GF)。這種新型的石墨烯材料具有獨特的三維網絡結構、低密度、高孔隙率和大比表面積的特點,極大地增強了材料的吸附能力[18]。本文以對蝦加工副產物為研究對象,通過水熱法得到GF,將GF應用于Hg(II)的脫除,詳細考察對蝦加工副產物中Hg(II)、蛋白質、氨基酸含量的變化,綜合評價GF在對蝦加工副產物Hg(II)脫除中的應用價值,為GF應用于水產品中重金屬的脫除打下理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

南美白對蝦 廈門集美嘉農農貿市場購買;天然石墨粉 蘇州碳豐科技有限公司;濃硫酸、磷酸、硝酸鈉、雙氧水(30%)等 均為國產分析純。

S-4800 SEM掃描電鏡 日本株式會社;Alpha傅里葉變換紅外光譜儀 德國Bruker公司;X‘Pert Pro X射線衍射儀 荷蘭PANalytical公司;AAS-986原子吸收儀 北京普析有限公司;XA-1粉碎機 常州市金壇友聯儀器研究所;Scientz-150高壓均質機 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 GF的制備 通過改進的Hummers法[19]制備氧化石墨烯(graphene oxide,GO),分散于水中制成2 mg/L的GO水溶液。取15 mL GO水溶液于反應釜中,90 ℃水熱反應3 h,得到石墨烯凝膠,再將凝膠冷凍干燥48 h,得到GF。

1.2.2 對蝦副產物勻漿濾液的制備 將對蝦用水清洗后,取蝦頭、蝦殼,于30 ℃下干燥5 h,用粉碎機進行間歇粉碎5 min,得到對蝦副產物固體粉末。取固體粉末100 g,加入200 mL去離子水,用高壓均質機1200 Pa處理10 min,制備成勻漿,將勻漿過濾,取濾液,得到后續實驗的Hg(Ⅱ)吸附液,用石墨爐原子吸收法測定吸附液初始的重金屬含量。

1.2.3 吸附容量和脫除率的測定 GF對Hg(Ⅱ)的吸附容量[20]通過公式(1),脫除率[21]通過公式(2)計算:

式(1)

式(2)

式中,Q為吸附容量(mg/g),R為脫除率(%),C0為Hg(Ⅱ)初始濃度(mg/L),Ct為吸附平衡時Hg(Ⅱ)濃度(mg/L),V為溶液體積(mL),m為吸附劑質量(mg)。

1.2.4 溶液pH對吸附效果的影響 為獲得更加準確有效的實驗結果,此步驟采用含5 mg/L的Hg(Ⅱ)標準溶液的對蝦副產物勻漿濾液,首先分別用醋酸-醋酸鈉緩沖液調節pH至4、5、6、7、8,再在每份溶液中加入19 mg GF,25 ℃下磁力攪拌20 min,然后測定Hg(Ⅱ)含量,計算脫除率隨pH的變化。

1.2.5 離子選擇性 實驗條件控制為:pH6、溫度25 ℃、GF為19 mg、溶液體積100 mL、時間20 min、重金屬離子(Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、Zn(Ⅱ))初始濃度為10 mg/L,待吸附平衡后測定GF對溶液中重金屬離子的吸附量。

1.2.6 吸附動力學及吸附等溫線 取100 mL 10 mg/L Hg(Ⅱ)加標的對蝦副產物勻漿濾液,用醋酸-醋酸鈉緩沖液調節溶液pH為6,加入19 mg GF,25 ℃下水浴攪拌,分別在0、5、10、15、20、30、50、70、100、120 min時測定溶液中Hg(Ⅱ)濃度。吸附等溫線則是在改變溫度(25、30、35 ℃)下,測定GF對Hg(Ⅱ)吸附平衡時的吸附量。

1.2.7 GF的再生 將吸附Hg(Ⅱ)后的GF置于5%稀硝酸中浸泡12 h,再用去離子水浸泡、沖洗,至沖洗液pH為中性,待下次使用。

1.2.8 Hg(Ⅱ)含量、蛋白質含量和氨基酸態氮的測定 將100 mL的對蝦副產物勻漿濾液酸度調為最佳吸附pH,再分別加入19 mg的GF,25 ℃下磁力攪拌20 min,取上清液用石墨爐原子吸收法測定Hg(Ⅱ)的含量,結果與未加入GF的上清液Hg(Ⅱ)含量進行比較。蛋白質含量測定:采用280 nm紫外吸收法[22]測定。氨基酸態氮測定:采用甲醛滴定法[23]測定。

1.3 數據處理

所有實驗均重復三次,實驗數據采用Origin 8.5軟件進行數據處理、分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 材料的表征

圖1A為GF的掃描電鏡圖,可看到石墨烯表面的褶皺以及片狀石墨烯相互交錯所形成的孔洞,孔徑約為30 μm。從圖1B與圖1C可看出,GF質量為19.1 mg,體積約為12 cm3,圖1D進一步證明了GF質量之輕,將其放在菊花花瓣上,花瓣基本不變形。

圖1 材料的表征Fig.1 Characterization of materials注：A：GF的SEM圖；B：GF的質量； C：GF的尺寸；D：GF置于花瓣上的實物圖。

圖2A為石墨、制備氧化石墨烯及GF的紅外光譜圖。從圖中可看出,石墨在1620 cm-1處出現一個吸收峰,這歸屬于石墨晶體sp2的C=C伸縮振動。石墨被氧化后出現了一系列新的吸收峰,在3000～3417 cm-1處出現一個較寬、較強的吸收峰,為O-H的伸縮振動峰,1623、1124 cm-1處分別對應石墨烯平面上的C=O伸縮振動及C-O-C伸縮振動,2884 cm-1處對應C-H伸縮振動。GF的紅外光譜圖與所制備的氧化石墨烯基本一致,沒有發生變化,說明制備過程沒有破壞氧化石墨烯官能團。圖2B為GF的X射線衍射圖,GF在2θ=9.21°處出現一個寬且強的衍射峰,為C(002)的石墨碳晶面,根據布拉格方程計算的層間距為1.07 nm,這與文獻報道結果一致[24]。表征結果說明GF表面有豐富的孔洞以及多種官能團,可為后續吸附對蝦加工副產物中的Hg(II)提供豐富的結合位點。

圖2 石墨粉、制備石墨烯及GF的 FTIR光譜圖(A)及XRD圖(B)Fig.2 FTIR spectra of the samples:graphite,grapheme oxide, grapheme foam(A)and XRD patterns of GF(B)

2.2 溶液pH對Hg(II)脫除率的影響

由于吸附量極易受到材料表面所帶電荷及其離子化程度的影響,而這些與吸附體系pH相關,所以優化吸附體系的pH很重要。如圖3所示,過酸(pH<5)或堿性(pH>7)條件下,GF對Hg(II)的脫除效果較差,這可能由于GF在過酸條件下,表面的羧基難以脫去質子形成羧基陰離子,造成對Hg(II)吸附能力降低,而Hg(II)在過堿條件下易結合氫氧根離子,不易與GF結合。pH在5～7范圍內時,GF對Hg(II)的脫除率較高,表明GF可在較寬pH范圍內用于Hg(II)的脫除,其中pH6時,GF對Hg(II)的脫除率最高。因此,后續研究采用吸附溶液pH為6。

圖3 pH對Hg(II)脫除率的影響Fig.3 Effect of pH on Hg(II)adsorption on GF

2.3 離子選擇性

圖4為GF對不同重金屬離子(Hg(II)、Pb(II)、Cd(II)、Cu(II)、Cr(Ⅵ)、Zn(II))的脫除效率,可以觀察到GF對這些重金屬離子都有脫除效果。其中,對Hg(II)的脫除率約為81%,對Cd(II)和Pb(II)的脫除率分別為45%、33%,而對其他金屬離子Cr(Ⅵ)、Zn(II)、Cu(II)的脫除率低于20%。結果表明,GF對Hg(II)有較好的選擇性,可以從混合金屬離子水溶液中脫除Hg(II)。

圖4 GF對不同重金屬離子的脫除率Fig.4 The selectivity of GF to heavy metal ions

2.4 吸附動力學分析

吸附動力學是探究吸附時間對材料吸附量的影響[25],可以反映出GF對Hg(II)的吸附效率。圖5為不同時間內,GF對Hg(II)吸附量的變化,可觀察到吸附反應在20 min時快速達到吸附平衡。為了進一步研究Hg(II)在GF表面的吸附機制,實驗采用擬一級、擬二級動力學模型來擬合分析實驗數據。

圖5 吸附時間對GF吸附Hg(II)吸附量的影響Fig.5 Effect of adsorption time on Hg(II)adsorption quantity by GF

由表1可知,用擬二級動力學模型擬合GF對Hg(II)吸附的決定系數達到0.99,高于擬一級動力學模型的0.92。擬二級吸附動力學模型是以化學吸附為基礎,通過電子的得失或共用進行的化學反應,說明GF對Hg(II)吸附是化學吸附控速過程,這與文獻報道結果一致[24]。此外,實驗測得的平衡吸附量Qe,exp(54.09 mg/g)與擬二級動力學模型擬合所得的平衡吸附量Qe,cal(54.05 mg/g)很接近,表明GF對Hg(II)的吸附行為符合擬二級動力學模型。

表1 GF吸附Hg(II)的擬一級、 擬二級動力學模型的各項參數Table 1 Pseudo first-order rate and pseudo second-order rate constants of calculated and experimental Qe values for Hg(II)absorption by GF

2.5 等溫吸附曲線分析

實驗利用Langmuir和Freundlich 等溫吸附模型[26]分析了Hg(II)在GF表面的吸附狀態。由表2所示,GF在不同溫度下對Hg(II)吸附的Langmuir等溫吸附模型的相關系數均高于Freundlich模型的相關系數,且隨著溫度的升高,吸附量也逐漸增加。因此,GF對對蝦濾液中Hg(II)的吸附更符合Langmuir模型,表明吸附過程為單分子層吸附,與文獻所報道的結果一致[25],因此可以通過增大吸附劑的比表面積,實現對Hg(II)的大容量吸附。經計算可得,25 ℃下,GF最大吸附量的理論值為135.14 mg/g。

表2 GF對Hg(II)的Langmuir和Freundlich吸附等溫線模型擬合Table 2 Langmuir and Freundlich adsorption isotherm parameters for Hg(II)absorption by GF

由表征結果可知,GF含有豐富的羥基、羧基等官能團,具有三維多孔結構。圖6為GF吸附Hg(II)的原理圖。從吸附動力學分析結果可知,GF對Hg(II)的吸附是化學吸附控速,GF表面豐富的官能團為Hg(II)提供了足夠的結合位點;同時,從等溫吸附曲線分析結果可知,GF對Hg(II)的吸附是一種單分子層吸附,GF極大的比表面積為Hg(II)進入GF內部提供足夠空間。綜上所述,GF特殊的結構極大地提高了對Hg(II)的吸附效率。

圖6 GF對Hg(II)吸附的原理圖Fig.6 Schematic diagram for the GF adsorption of Hg(II)

2.6 GF的再生

吸附劑良好的再生能力可以節約吸附劑的成本,促進吸附劑在實際生產中的應用。為研究GF的再生能力,實驗利用GF(19 mg)循環吸附對蝦副產物勻漿濾液,每次對100 mL的含5 mg/L Hg(II)加標濾液吸附20 min,之后將GF置于5%稀硝酸中浸泡12 h。對從GF中脫除出來的Hg(II)進行測定,可得Hg(II)濃度為4.61 mg/L,驗證了GF對Hg(II)較好的吸附能力。由圖7可知,GF連續循環使用5次后,對Hg(II)的脫除率為76.9%,接近初始脫除率的84%,表明GF有良好的再生性能,可以循環使用。

圖7 GF連續循環使用5次,對Hg(II)的脫除率比較Fig.7 Comparison of Hg(II)removal rate by GF in 5 cycles

2.7 吸附前后Hg(Ⅱ)含量、蛋白質含量和氨基酸態氮的測定

由表3可知,GF對濾液中的Hg(II)有很好的吸附效果,脫除率為92.01%,而GF對蛋白質和氨基酸態氮的吸附能力較小,二者保存率分別為94.92%和93.89%,表明GF能高效脫除對蝦加工副產物濾液中的Hg(Ⅱ),而濾液中的營養物質得到有效保留。

表3 吸附前后Hg(Ⅱ)、蛋白質、氨基酸態氮含量的變化Table 3 Comparison of Hg(Ⅱ),protein and amino acid nitrogen before and after adsorption

3 結論

采用水熱法制備GF,應用于對蝦加工副產物勻漿濾液中Hg(II)的吸附。研究結果表明,當吸附條件控制為:pH6,20 min時,GF對濾液中Hg(II)有很好的吸附效果,脫除率可達92.01%。GF的吸附遵循擬二級動力學模型和Langmuir等溫吸附模型,Hg(II)在GF表面的吸附過程為單分子層吸附。GF有良好的再生能力,對蛋白質和氨基酸態氮的吸附能力較低。綜上所述,GF可應用于對蝦加工副產物中Hg(II)的脫除,其遵循的吸附模型可為其他水產品中重金屬脫除提供理論參考。