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环境工程磁性固定化技术研究

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摘要:

磁性固化技术凭借自身的特点与优势在环境工程利用中得到了广泛地应用,并且从其应有效果来看,其具有不错的应用前景。该文在介绍磁性固化技术种类的基础上,对其在环境工程领域中的应用进行了介绍,仅供参考。

关键词:

磁性固化;环境工程;废气处理

磁性固化技术通过物理或化学方法将酶或微生物定位于磁性固化载体,待固化反应完后,通过外部磁场完成对其的分离处理,同时使酶或微生物能够保持活性,并且可以进行多次固化,具有不错的应用前景。

1磁性载体的固化分类

磁性纳米球是磁性固化过程中的常用载体,对其进行分类大体可以分为以下几种。

(1)吸附法,利用物理吸附方法,将酶固定在琼脂糖或多孔玻璃等载体上。该固定方法具有固定条件温和、工艺简单等诸多优点,同时其载体具有较为广泛的选择空间,既可以选择人工合成的高分子材料,也可以选择天然的高分子材料,在吸附过程中可以实现固定化和纯化,失活的酶能够再次活化,而应用的载体也能够实现再生。

(2)共价法,支持物反映基团和分子功能基形成共价键,粘合十分牢固,在应用过程中具有较高的稳定性,并且很少会发生酶脱落的情况。该方法在应用过程中的主要缺点是固化和载体活化起来相对比较复杂,并且反应发生所需要的环境也十分剧烈,因此要想获取活力较好的固定化酶,必须要对反应条件进行严格地控制。

(3)包埋法,在聚合物材料的微囊或格子结构中固定酶,通过这种方式有效地避免了酶蛋白释放,而在实际操作中,在微囊或格子中仍然可以有底物落入与酶发生接触。该方法的最大优点是操作起来相对比较容易,只是将酶分子包埋起来,不会对生物活性造成较为严重地破坏,但是该方法并不是适用于分子较大的底物。(4)交联法,对试剂进行应用,完成蛋白酶之间交联,从而使多功能试剂与酶分子之间形成共价键,最终形成三向交联网结构,酶分子不仅存在外交联,而且也存在内交联。在实际操作过程中添加材料上的差异会使产生的固化酶具有不同的物理性质。

2环境工程对磁性固化技术的应用

2.1环境检测

免疫磁性分离技术在生物学和医学中的应用已经十分成熟,近几年其也被应用到环境检测中。通过对免疫磁分离技术的应用可以从样品中将目标微生物分离,如果在检验过程中与荧光免疫分析、多聚酶链式反应等方法合理地结合在一起,可以提高检测极限和分离效率。在检测废水大肠杆菌的含量时,可以结合三磷酸腺苷为生活和免疫磁性分离技术相结合,实验结果显示,检测的整个环节时间低于60min,并且检测结果具有较高的精准度,因此是一种快速有效的检测方法。部分学者在研究过程中在分离金属离子过程中利用了一种表面被改性后的磁性纳米微生物球,实验结果显示,在浓度为10ng/ml,pH=4的溶液中,Cu、Co、Pb等离子能够依照顺序被提出,并且提取效率超过了90%,是一种不错的方法。

2.2废气处理

磁性固定化技术因为具有反应速度块、密度高、产物易分离、抗毒性较强等等优点,被广泛地应用到废气治理领域中。宣群等研究人员利用海藻酸钠进行固化实验,在对氧化亚硫酸铁的降解率超过了97%,得到不错的应用效果。马艳玲等研究人员利用海藻酸钙制定固定微生物颗粒实现对硫化氢等废气的净化,通过实验发现,硫化氢的排除率超过了90%,排除效果良好。此外,马艳玲通过对活性炭的应用,对假单胞菌进行吸附降解油烟废气,通过实验结果发现,当气流速低于8L/h,油烟浓度未超过100mg/L,容积负荷处于2.5~19.0g/m3•h,油烟的滞留时间超过30s时,生活反应器对讲解油烟的效率超过了95%,降解效果十分明显,对油烟的处理效果明显,并且以活性炭为填充料的反应器具有较强的抗冲击能力,这也确保了其应用的合理性。

2.3废水处理

部分学者在尝试在污水处理过程中将磁性技术与固化技术结合,将磁性物质作为酶或微生物在固化过程中的载体,通过其具有的磁场和高效分离等特点对微生物和污水进行处理,这弥补了传统废水处理中难以对微生物进行处理,难以将水与微生物进行分离的弊端,探索出一条处理废水的新途径。在对磁性纳米球进行一系列地处理后,可以使其携带功能基团,这在一定程度上提高了载体对微生物的固载量。固定微生物附着在磁性载体上可以使其在废水处理上的效率、速度得到提高,同时在污水处理过程中还具备磁处理所具有的优势,也就是在存在外磁场的情况下,具有较强的磁响应,因此很容易从反应体系中将载体分离出来,具有良好的处理效果。

部分学者在磁性微球上固定辣根过氧化物酶,在固定酶过程中,酶最大固载量可以达到3.35mg/g,在反应器中利用其对废水(含有酚酞)进行处理,在实验过程中对废水的成分进行处理,通过测量,游离酶的动力学参数Km为224μmol/L,固定化酶动力学参数Vmax为371μmol/L;也有学者对磁活性污泥进行应用对奶厂生产过程中产生的废水进行处理,主要处理废水中的氨氮和有机物,相关实验表明,处理率分别可以达到98%和92%,并且随着科技的发展,处理率还会进一步提高,可见其是一种高效的处理方法;部分学者也针对功能化硅包覆介孔磁性载体固定细菌效果进行了研究,主要针对pH值、处理时间、处理温度等因素进行分析,同时在研究过程中需要将结果与其他载体固菌效果对比。实验结果显示在30℃环境中,摇床中的振动速度为200r/min,对固菌进行24h培养效果最佳,在城市污水处理过程中对固菌后载体进行应用,处理24h,主要处理过程中应当在pH=7,投加量为0.5g的最佳情况下开展,在该环境下,去除COD的量能够超过83%,利用pH=2的HCL溶液完成酸洗后的再生载体,将其应用到城市污水处理中,处理效果仍然可以超过76%。

将磁性载体固化酶放入磁场稳定流动床反应器中,可以简化整个体系在反应过程中的操作环节,比较适合规模化生产。通过对外部磁场的应用可以对磁性材料固定酶的运动方向和方式进行适当控制,通过该方式顶替传统机械搅拌的方式,可以使搅拌变得更加合理,使固定化酶的催化效率得到了进一步提高。

部分学者利用纳米磁粉磁化菌生物肥对屠宰场的废水进行处理,处理结果显示,通过对该工艺的应用,可以快速地分离磁性生物絮凝泥水混合液,在处理过程中仅需要15min便可以完成沉淀,磁粉和磁场能够促进微生物的新陈代谢,提高了污泥活性以及处理废水的效果,通过大量的实验结果进行统计分析,可以发现,利用其对屠宰场的废水处理,对SS、COD、NH3-N3种化学物质的去除效率分别可以达到92%、96%、87%,通过处理后的排除的水的水质远高于排放标准,并且该工艺具有很强的抗冲击负荷能力,具有不错的应用前景。

3结语

磁性固化技术因为其自身具有的特点和优势,被广泛地应用到生物学、医学等多个领域中,并且对其的应用也已经逐渐趋于成熟,但是对其环境工程领域中的应用还处于发展阶段。因此,加强对磁性固化技术在环境工程领域中的应用的研究,扩大其应用范围,并且要将研究结果由实验阶段逐渐向应用阶段发展,进一步改善我国的环境。

参考文献:

[1]潘富军,周作明.碳酸酐酶固定化技术研究与应用进展[J].化学工程,2014(3):11-17.[2]谭碧君.固定化酶制备及应用的研究进展[J].上海畜牧兽医通讯,2011(1):12-15.[3]韩志萍,叶剑芝,罗荣琼.固定化酶的方法及其在食品中的应用研究进展[J].保鲜与加工,2012(5):48-53.

作者:方明 汪泠 徐伟 单位:杭州(火炬)西斗门膜工业有限公司 杭州欧露环境科技有限公司

环境工程磁性固定化技术研究责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次