一种光酶催化偶氮类染料的降解方法与流程

1.本发明属于染料降解领域，具体涉及一种光酶催化偶氮类染料的降解方法。


背景技术：

2.随着染料新品种的不断出现，以及用量的持续增加，印染废水量也在不断增大。数据显示，我国印染废水日排放量达到300-400t，造成极大的环境污染，对人类自身的生存已构成威胁。因此，如何高效地处理废水中染料是国内外学术界和工业界共同关注的热点问题。
3.基于发色基团的化学结构，染料可分为偶氮类、蒽醌类、靛蓝类及三芳基甲烷类等，其中偶氮类和蒽醌类是印染行业使用量最大的两类。目前，印染废水脱色常用的处理方法大致可分为三大类，即物理法、化学法及生物法。与物理法或化学法相比，生物处理方法具有运行成本低、绿色环保且脱色率高等优点，是我国印染废水处理的首推方法和研究重点。其中，过氧化物酶是常用的催化染料脱色降解的一类酶。过氧化物酶催化染料分子的氧化降解需要添加过量的双氧水作为氧化剂，这带来了一系列问题。首先，高浓度的双氧水会快速降低酶的活性，限制了过氧化物酶在染料脱色中的应用，特别是在针对一些染料浓度较大的废液时；其次，双氧水作为一种不稳定的强氧化性物质，其存储和运输需要耗费大量的人力物力，甚至存在安全隐患；第三，双氧水被世界卫生组织列为三类致癌物质，可能会危害操作工人的健康。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种光酶催化偶氮类染料的降解方法，该降解方法以氧气作为氧源，无需添加外源的双氧水，实现染料脱色降解的效果。
5.一种光酶催化偶氮类染料的降解方法，包括：
6.在光催化剂au-tio2、酶、氧气和光照条件下，含偶氮类染料的废水在酸性条件下进行降解反应，得到染料降解后的废水。
7.试验结果表明。光和酶缺一不可，从而推断出该反应历程为光催化原位生成双氧水和辣根过氧化物酶利用双氧水氧化降解染料的级联反应。
8.作为优选，所述的光催化剂au-tio2的制备方法如下：
9.将aucl3溶液加热到60～80℃，用naoh溶液调ph到7～8，然后将去离子水加热到60～80℃，加入上述aucl3溶液，搅拌5～20分钟，再加入tio2颗粒，继续搅拌1～3小时，冷却至室温，离心、洗涤、烘干得到所述的光催化剂au-tio2。
10.所述的光催化剂au-tio2为锐钛型光催化剂au-tio2或者金红石型光催化剂au-tio2，对于两种晶型的au-tio2催化剂的电镜表征，我们发现锐钛型比金红石型结构更规整，长宽比更小，最终在催化染料降解实验中也发现锐钛型具有更好的催化活性。
11.作为优选，所述光照条件所用的光波长为白光。
12.作为优选，所述的偶氮类染料为酸性红1、酸性黄36、酸性橙7、酸性黑1、直接蓝6或
直接绿6。
13.作为优选，所述酸性条件的ph值为3～5，通过磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液进行控制。
14.作为优选，反应温度为20～30℃。
15.作为优选，所用的酶为辣根过氧化物酶。
16.同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
17.本发明通过结合光催化原位生成双氧水和酶催化氧化两步反应，成功实现了多种偶氮染料的脱色降解，该催化体系能用于多种偶氮染料的降解，包括酸性红1、酸性黄36、酸性橙7、酸性黑1、直接蓝6和直接绿6，都有较高的降解率。
附图说明
18.图1为本发明所用的光-酶催化装置；
19.图2为六种染料的可见光吸收曲线；
20.图3为酸性红1吸光度-浓度标准曲线；
21.图4为两种晶型au-tio2的扫描电镜图(a：锐钛型；b：金红石型)；
22.图5为光-酶催化机理示意图；
23.图6为光-酶催化六种染料的褪色率。
具体实施方式
24.实验装置和检测方法
25.图1为本发明的光-酶催化反应的实验装置图，所使用的光源为飞利浦7748型灯泡(参数：电压24v，功率250w，色温3400k，光通量5000lm)，反应在5ml离心管中进行，振荡装置为佑宁恒温混匀仪，装置如图1所示。在离心管中加入1ml反应液，放入混匀仪，用铝箔遮挡住反应装置以防止光线伤害眼睛，打开光源和混匀仪即可反应。
26.本研究的辣根过氧化物酶(hrp)购于sigma-aldrich，染料样品由山东优索化工科技有限公司提供，检测仪器为岛津uv2550型紫外-可见分光光度计。称取一定量的染料(酸性红1、酸性黄36、酸性橙7、酸性黑1、直接蓝6和直接绿6)，加入一定量ph为4.0的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液进行溶解，取1ml染料溶液，加hrp酶液(0.2mg hrp/ml)和au-tio2光催化剂(0.5mg/ml)，光照振荡反应5-15分钟，离心除去粉末固体，上清液以缓冲液稀释10倍后用紫外-可见分光光度计检测染料浓度。
27.用分光光度法测定所有染料的可见光吸收曲线，如图2所示，并读取最大吸收波长。在此基础上，做出酸性红1的吸光度-浓度标准曲线，如图3所示，发现方差r2＝0.99945，所以在最大吸收波长下的吸光度和浓度有比较好的正比关系，可以用于定量分析。
28.实施例1光催化剂au-tio2的制备
29.本实施例使用的aucl3和tio2(锐钛型或金红石型，10-25nm)均购于安耐吉化学。光催化剂au-tio2制备方法如下：将5mm aucl3溶液(77.5mg 98％的氯化金溶于50ml去离子水)加热到70℃，用0.1m的naoh溶液调ph到7.2；量取97ml去离子水加热到70℃，加入11ml上述aucl3溶液，搅拌10分钟，加1g tio2颗粒，70℃下搅拌1小时。冷却到室温，以6000rpm的速率离心15分钟，用去离子水洗三次并离心除去上清液，70℃下过夜烘干(约1.1％au)，光催化
剂au-tio2(根据原料的不同，分为锐钛型au-tio2或金红石型au-tio2)。
30.在扫描电镜下，我们发现以锐钛型和金红石型tio2为原料的两种au-tio2催化剂都具有比较窄的粒径分布，粒径基本集中在50nm左右。但从长宽比来看，锐钛型的au-tio2比较小，而金红石型呈现类似棒状的趋势。从堆积方式看，锐钛型的比较紧密，而金红石型的比较松散。微观形貌的不同势必会引起催化活性的差别。
31.实施例2光-酶催化酸性红1的降解
32.反应条件为：0.05mml/l的酸性红1染料浓度，ph＝4的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液，0.2mg/ml hrp和0.5mg/ml au-tio2作催化剂，在25℃下反应，考察两种不同晶型光催化剂的催化效果，结果见表1。我们发现在相同条件下，锐钛型au-tio2具有较高的催化活性，与hrp配合在5分钟即可降解80％的酸性红染料，延长时间至15分钟，则降解率提升到85％；而金红石型au-tio2也能与酶配合催化染料降解，在5分钟和15分钟分别具有62％和81％的降解率。结合图4的扫描电镜图，我们推测可能是锐钛型au-tio2具有较规整的表面结构，比表面积大，催化效率高，金红石型au-tio2呈现棒状结构，催化效率稍低。
33.表1酸性红1的催化降解实验
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无光照和不加酶的条件下，降解反应都是不进行的，说明该反应是一个光-酶共同催化的结果，结合文献报道，我们推测机理如图5所示：首先在光照条件下，au-tio2起到催化作用，将空气中的氧气和水反应生成双氧水，然后hrp以双氧水作氧化剂，将酸性红1染料氧化成无色的化合物，达到脱色的效果
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随后，我们又考察了酸性红1染料浓度对催化效率的影响，发现随着浓度的增大，降解率逐渐下降，因为底物浓度大了，而催化剂仍是原来的量，转化率自然下降。对于1mmol/l这样一个比较浓的体系，本研究所构建的催化体系仍然具有15％左右的降解率。
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实施例3光-酶催化体系对各种染料的降解效果
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在该催化体系下，我们又选取了5种染料进行降解测试，结果如图6所示。无论是单偶氮、双偶氮或是三偶氮结构的染料，无论是什么色系的染料，本研究所搭建的光-酶催化体系都具有较好的催化降解效果。其中，结构最复杂、分子量最大的直接绿6染料，降解率达到了最高的86％；而分子质量最小、结构最简单的酸性橙7，降解率最低，只有49％。在体系中，染料种类对于催化效率的影响其实是多方面的，一方面染料的颜色会对光催化剂吸收光的波长和能量产生影响，另一方面，染料是在酶的活性空腔进行催化降解的，所以各取代基结构也会影响染料与酶的结合作用，进而影响催化速率。