利用活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶降解水体中偶氮染料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于污水处理领域，特别涉及一种利用活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶 降解水体中偶氮染料的方法。
【背景技术】
[0002] 偶氮染料种类繁多且结构复杂，在水环境中有氧化剂存在的条件下仍能保持较高 活性，此外有很大一部分的偶氮染料及其中间代谢产物为极难降解的有毒化合物，化学结 构稳定，具有致畸、致癌、致突变的"三致"作用，严重影响接触者的健康安全。近几年，国内 外学者对其降解转化方法做了大量的研究。目前，主要有物理法、化学法和生物法来处理偶 氮废水，与物理法和化学法相比，生物法具有运行稳定、操作方便简单、运行费用低和不易 产生二次污染等特点，备受研究者青睐。
[0003] 生物法又包括微生物降解和酶降解，有研究表明，细菌对偶氮染料的脱色能力主 要是其所产生的偶氮还原酶的作用，酶降解方法与生物降解法相比，具有操作简便，反应过 程容易控制、处理效率高的优点。但是游离酶因稳定性差、难以回收、易混入样品和不易循 环利用等缺点使其应用受到限制，通过一定方法将游离酶固定于载体后，能够克服游离酶 的缺点，便于生产工艺的连续化和自动化，具有广阔的应用前景。对酶的固定化技术一般分 为吸附法、交联法、共价键结合法、包埋法、定向固定等，其中物理吸附法相比其余几种技术 具有操作简便、条件温和、不会引起酶的变异失活等特点。早期固定化酶应用的无机载体主 要分为有膨润土、氧化铝、玻璃和海藻石等，这些材料由于受到孔径、比表面积、颗粒粒度等 因素的限制，结合酶的能力颇低。
[0004] 碳纳米管由于具有较强的吸附性能，目前作为水处理实践中的新型材料。但是碳 纳米管由于自身的特点，其比表面积相对较小，且在水环境中容易自我团聚影响其分散性 能，进而进一步影响其吸附效果。通过氢氧化钾活化后的碳纳米管可有效地增加碳纳米管 的比表面积和孔体积，并且大大增强其在水体中的分散作用，为酶的固定化载体研究提供 巨大潜力。
[0005] 而利用固定化的偶氮还原酶来处理含偶氮染料废水的研究目前还尚未见文献报 道。
【发明内容】
[0006] 发明目的：本发明提供了一种利用活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶降解水体中 偶氮染料的方法，以解决现有技术中的问题。
[0007] 技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种利用活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶降解水体中偶氮染料的方法，包括以 下步骤：首先将待处理的含偶氮染料的水体pH值调至5. 0~8. 0,并调节含偶氮染料水体 的偶氮染料初始浓度为20~100mg/L ;然后将活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶投入上 述水体中，每毫升含偶氮染料的水体中加入的活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶不低于 0. 5mg ;随后在10~50°C的温度下对上述混合液振荡反应10~30min ;再通过抽滤回收活 化碳纳米管固定化的偶氮还原酶，最后将水体调至中性后排放。
[0009] 进一步的，所述的调节偶氮染料初始浓度时，将Iml含浓度为0. 2~lg/L的偶氮 染料废水中加入IOml磷酸缓冲溶液。
[0010] 进一步的，所述的偶氮染料为简单化学结构和低分子量的甲基红、甲基橙、橙黄I 中的任意一种。
[0011] 进一步的，所述活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶是将偶氮还原酶通过物理吸附 固定于活化碳纳米管。
[0012] 优选的，所述活化碳纳米管与偶氮还原酶的质量配比为1 :1~3。
[0013] 进一步的，所述活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶通过以下方法制得：首先将 0. 1~0.3g活化碳纳米管粉末溶于50mL磷酸缓冲液中，在超声波清洗器中超声10~ 35min ;然后加入游离酶，在10~50°C的恒温水浴中固定30~240min得到混合液，搅拌转 速为50~400rpm ;随后将混合液抽滤并用磷酸缓冲液洗涤，洗去未吸附的游离酶，室温条 件下干燥过滤，得到固定化的偶氮还原酶。
[0014] 进一步的，所述活化碳纳米管通过以下方法制得：将碳纳米管与氢氧化钾按照质 量比为1 :5~6混合，之后按10°C /min的速度升温至800°C灼烧1. 5~3h，整个过程持 续通氮气；冷却至室温后，将得到的材料用去离子水反复清洗，过滤后将所得材料在100~ 120°C条件下烘干4~6h即可。
[0015] 优选的，所述氮气通入速度为35~45mL/min。
[0016] 优选的，所述活化碳纳米管的比表面积为600~1200m2/g，孔容为0. 40~ 1. 80cm3/g〇
[0017] 优选的，所述活化碳纳米管具有有序的石墨微晶结构。
[0018] 优选的，所述偶氮还原酶的初始浓度为0. 1~0. 9mg/mL，所述磷酸缓冲液的pH值 为 6. 5 ~7. 5。
[0019] 有益效果：本发明利用活化碳纳米管来固定降解偶氮染料的偶氮还原酶，活化碳 纳米管材料较大的比表面积和丰富的孔道结构有利于固定酶的传质作用，与酶的催化作用 协同大大提高了偶氮染料废水的降解效率。此外，通过抽滤回收固定化酶，提高了酶的重复 利用率；本发明利用固定化的偶氮还原酶降解水体中偶氮染料，去除效率较高，在最优pH 值6. 0~7. 0之间，初始偶氮染料浓度50mg/L的条件下，30min之内对甲基红的去除率超过 85% ;本发明操作简单，投资和运行费用较低。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0021] 实施例1
[0022] -种利用活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶降解水体中偶氮染料的方法，包括以 下步骤：
[0023] A.制备活化碳纳米管：将碳纳米管与氢氧化钾按照质量比为1 :5混合，之后按 10°C /min的速度升温加热至800°C灼烧2h，整个过程持续通氮气（40mL/min)。冷却至室温 后，将得到的材料用去离子水反复清洗，过滤后将所得材料在100°c条件下烘干4h即可。
[0024] B.制备活化碳纳米管固定化的偶氮还原酶：首先将0. 15g活化碳纳米管粉末溶于 50ml磷酸缓冲液中（pH值为7. 0)，在超声波清洗器中超声IOmin ;然后加入0. 5mg/mL的游 离酶，在37°C的恒温水浴中固定40min得到混合液，搅拌转速为250rpm ;随后将混合液抽滤 并用磷酸缓冲液洗涤，洗去未吸附的游离酶，室温条件下干燥过滤，得到固定化的偶氮还原 酶。
[0025] C.降解含偶氮染料废水：将活化碳纳米管与偶氮还原酶以1:2的质量配比混合来 制得固定酶。将含〇. 5g/L甲基红的废水加入样品中，通过缓冲液配置得到IOmL的甲基红 溶液，初始浓度为50mg/L，pH值为6. 5,将上述制得的固定酶分别加入样品中，控制温度在 37°C，以150rpm的转速在恒温培养中振荡反应30min，然后通过抽滤分离回活化碳纳米管 固定化的偶氮还原酶，调节废水为中性后，排放。经测定，甲基红的降解率达到90%以上。
[0026] 对比例1
[0027] 以游离的偶氮还原酶作为对比，对上述制得的固定化偶氮还原酶和游离的偶氮还 原酶进行PH的适应范围进行对比试验
[0028] pH值的适应范围：分别在不同pH值条件下测定游离偶氮还原酶和固定化的偶氮 还原酶的酶活力，如表1所示，由表可知，游离酶在PH值为5~8之间，有较高的活性，偏酸 或偏碱性环境下，游离酶活性较低，几乎失去活性；而固定化酶在pH值为5~8之间，酶的 活性均高于游离酶的活性，且在PH值为3和9的情况下，相比游离酶，活性有较高的提升。 说明固定化酶受PH的影响不显著，相比游离酶具有更为宽泛的pH值适应范围。（表中相对 活性以％表示）
[0029] 表1不同pH值条件下游离偶氮还原酶和固定化的偶氮还原酶的相对活性
[0031] 对比例2
[0032] 以游离的偶氮还原酶作为对比，对上述制得的固定化偶氮还原酶和游离的偶氮还 原酶进行温度的适应范围进行对比试验。
[0033] 温度的适应范围：分别在不同温度条件下测定游离偶氮还原酶和固定化的偶氮还 原酶的酶活力，如表2所示，由表可知，游离酶在0~50°C，酶相对活性较高（70%以上），温 度超过50°C时，蛋白质迅