（环境工程专业论文）血红蛋白修饰电极降解三氯乙酸的工艺特性.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 血红蛋白修饰电极降解三氯乙酸的工艺 特性 摘要 卤乙酸( h a a s ) 是一类普遍存在且致癌性强的水中氯化消毒副 产物，由于该类物质具有难挥发性、亲水性强等性质，导致其在水中 存留时间长，持续性危害大。三氯乙酸( t c a a ) 为卤乙酸中致癌性 最强的有机氯化物，因此，开展电化学等降解t c a a 的研究具有重要 的现实意义。 首先，本实验通过湿氧化回流法在石墨电极上制得多壁碳纳米管 ( m w c ) 膜，利用海藻酸钠( s a ) 将血红蛋白( h b ) 固定在 ( 删c m b c ) 电极表面，得到删s a - m w c n r s c 修饰电极。采用 紫外可见光谱、傅里叶红外光谱、扫描显微镜等表征，验证了修饰电 极表面的h b 仍保持与天然h b 相似的结构特征；循环伏安结果表明l i b 修饰电极在p h = 7 0 的磷酸盐缓冲溶液中出现了一对可逆的氧化还原 峰( e p a = 一0 2 3 7v ，e p c = 一0 3 1 6v ) ，这是h 1 ) 血红素辅基中，l , f e ( 1 l i ) r e ( n ) 的氧化还原特征峰。同时该修饰电极在t c a a 溶液中存在明显 的还原脱氯峰，相应的脱氯峰电流密度响应随着t c a a 浓度增大而逐 渐增大，表明i t b 修饰电极对t c a a 具有良好的电催化还原特性。 其次，系统地考察了主要工艺参数对h b s a m w c n t s c 电极降 解t c a a 的影响，结果表明，当电解质浓度为0 2m o l l ，电流密度为 1 6 9m a c m 2 ，温度为4 0 和s a 包埋量为3g l 时，t c aa 的脱氯效率 最好。 最后，对h b s a - m w c n t s c 的电极稳定性进行了研究，从去除 率和电流效率的变化上证明了所制备的修饰电极具有较好的稳定性。 重复使用5 次后对t c a a 的去除率仍保持在8 5 以上，比无包埋的 h b p b s m w c n t s c 修饰电极高出2 0 以上；电流效率保持相对稳定， 降幅在1 0 以内，保证了h i ) 较高的催化活性。 关键词：生物电催化，三氯乙酸，血红蛋白，碳纳米管 浙江工业大学硕士学位论文 p r o c e s sp r o p e i 乏t i e so f h e m o g l o b i nm o d i f i e de l e c t r o d e d e g r a d a t i n gt r i c h l o r i a c e t i c a c i d a b s t r a c t h a l o a c e t i c a c i d s ( i - t a 舡) a r e a h i g h c a n c e rr i s k ，c h l o r i n a t e d d i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s ( d b p s ) i nw a t e r , g e n e r a l l y s i n c eh a a sc a n r e t e n ti nw a t e rf o rl o n gt i m ea n dh a v et h ep r o p e r t i e so fn o v - v o l a t i l e ， h y d r o p h i l i c ，i t si n f l u e n c ei ss u s t a i n a b i l i t y a st h es t r o n g e s tc a n c i n o g e n i c h a a si nc h l o r i n a t e do g a n i c c o m p o u n d s ，t r i c h l o r i a c e t i ca c i d ( t c a a ) m u s tb ed e g r a d a t e db ys o m ee f f i c i e n tm e t h o d s ，s u c ha se l e c t r o c h e m i s t r y f i r s t l y , t h es a h b m w c n t s cm o d i f i e de l e c t r o d e w a sm a d eb y e m b e d d i n gt h eh e m o g l o b i n ( h b ) o nt h es u r f a c eo fm w c n t s cw i t h s o d i u ma l g i n a t e ( s a ) b yu l t r a v i o l e t - v i s i b l e ( u v - v i s ) ，f o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e d ( f t - m ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e l v o ，i tw a s c o n f i r m e dt h a th be m b e d d e do nt h es u r f a c eo ft h em o d i f i e de l e c t r o d es t i l l m a i n t a i n e das t r u c t u r es i m i l a rt ot h en a t i v es t a t e c y c l i cv d t a m m e t r yo f m o d i f i e de l e c t r o d es h o w e dap a i ro fw e l l - d e f i n e da n dn e a r l yr e v e r s i b l e 浙江工业大学硕士学位论文 p e a k sf o rh b h e m e f e ( i i i ) f e ( i i ) r e d o xc o u p l ei np h = 7 0p b sb u f f e r s m e a n w h i l e ，m o d i f i e de l e c t r o d eh a sao b v i o u s l yr e d u c e dp e a k ，w h i c hw a s i n c r e a s e db yt h ec o n c e m t r a t i o no fs u b s t r a t e ( t c a a ) i n c r e a s i n g i ti s e v i d e n tt h a th bh a sg o o de l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t yo nt h es u r f a c eo ft h e m o d i f i e de l e c t r o d e s e c o n d l y , s o m e m a i n p a r a m e t e r s o ft c a ad e g r a d a t o n b y s a h b m w c n t s cm o d i f i e de l e c t r o d ew e r ei n v e s t i g a t e di nal o w c o n c e n t r a t i o na q u e o u ss o l u t i o n a f t e rt h ee x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r s w e r eg o t ：e l e c t r o l y t e c o n c e r n t r a t i o n ( o 2m o l l ) ，c u r r e n t d e n s i t y ( 1 6 9m a c m 2 ) ，t e m p e r a t u r e0 0 。c ) ，e m b e d d i n gc a p a c i t y ( 3g l ) f i n a l l y , t h es t a b i l i t yo fs a h b m w c n t s cm o d i f i e de l e c t r o d ew a s s t u d i e db yr e m o v a lr a t ea n dc u r r e n te f f i c i e n c y a f t e ru s i n g5t i m e s r e p e a t l y , t h er e m o v a lr a t eo ft c a a s t i l lk e p ta b o v e8 5 ，a p p r o x i m a t e l y 1 2t i m e st h a to ft h eh b - p bs m w c n t s cm o d i f i e de l e c t r o d e ，w h i c h s h o w e dt h a th be m b e d e dm a i n t a i n e dah i g hc a t a l y t i ca c t i v i t y k e y w o r d ：b i o e l e c t r o c e m i c a l l yc a t a l y s i s ，t r i c h l o f i a c e t i c a c i d ， h e m o g l o b i n ，m u l t i w a l lc a r b o nn a n o t u b e s 浙江工业大学硕士学位论文 引言 第一章绪论 饮用水消毒副产物( d i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s ，d b p s ) 是指采用消毒剂对饮用水消 毒时，水中含有的一些天然有机物( n a t u r a lo r g a n i cm a t t e r ，n o m ) 与消毒剂反应生 成的化合物。其涵盖范围很广，大致可分为4 类：即三卤甲烷( t r i h a l o m e t h a n e s ，t m 嗄s ) 、 卤代乙腈( h a l o a c e t o n i t f i l e s ，h a n s ) 、卤代乙酸( h a l o a c e f i c a c i d s ，h a a s ) 和致诱变 化合物。 卤乙酸( h a a s ) 和三卤甲烷( 删s ) 因其强制癌性而成为氯化消毒副产物的 主要控制目标。饮用水中检测到的三卤甲烷类消毒副产物共有三氯甲烷、一氯二溴甲 烷、二氯一溴甲烷和三溴甲烷4 种，目前已证实它们是肝癌、胃癌、膀胱癌等多种癌 症的致癌因子【1 1 。目前可被定量分析卤乙酸有5 种，其中以二氯乙酸( d c a a ) 、三氯 乙酸( t c a a ) 为主要的存在形式。由于早期消毒副产物的研究主要局限在三卤甲烷 类，卤乙酸并未受到重视。近年来研究发现，尽管饮用水卤乙酸的含量很低，但是其 致癌风险却是三卤甲烷的5 0 1 0 0 倍，同时具有沸点高、不可吹脱的特性【2 】，因此有必 要对饮用水中的卤乙酸进行研究。 1 1 三氯乙酸的性质及危害 1 1 1 三氯乙酸的性质 三氯乙酸( t r i e h l o r o a c e t i ca c i d ，t c a a ) ，分子式为c 2 h c l 3 0 2 ，分子量1 6 3 4 。 该物质为无色晶体，有刺激性气味，易潮解，易溶于水，也易溶于乙醇、乙醚 等有机物。在工业生产上，主要用于有机合成杀虫剂以及一些化学试剂，生物 医学上，常用作三磷酸腺苷、细胞色素丙和胎盘脂多糖提取剂及蛋白质沉淀剂【1 9 1 。 1 1 2 三氯乙酸的危害 浙江工业大学硕士学位论文 三氯乙酸作为饮用水消毒副产物卤乙酸中致癌能力最高的有机氯化物，已经日益 受到人们的重视。早在1 9 8 7 年，h e r r e n f r e u n d 掣2 0 1 研究就已显示t c a a 可引起小鼠肝 脏肿瘤。根据美国水厂协会( 筒矾融) 研究基金会关于d b p s 致癌风险报告公布的单 位d b p s 致癌风险数据显示，三氯乙酸的致癌风险远远高于其他消毒副产物1 2 1 1 ，如表 l - 2 。 表1 1 常见d b p s 单位致癌风险数据 t a b l el - 2d a t ao fc o m m o nd b p su n i tc a n c e ra s k 三氯乙酸可通过吸入、食入或经皮吸收进入人体内。吸入本品粉尘对呼吸道有刺 激作用，可引起咳嗽、胸痛和中枢神经系统抑制。眼直接接触可造成严重损害，重者 可导致失明。皮肤接触可致化学性灼伤。口服灼伤口腔和消化道，会出现剧烈腹痛、 呕吐和虚脱。 1 1 3 三氯乙酸的检测标准及方法 正由于三氯乙酸的上述危害，使得各国环保政府及世界卫生组织都对其在饮用水 中的浓度进行了严格的限制。美国国家环保局( u s e i ，a ) 规定，三氯乙酸最大允许浓 度不超过0 3m g l 。世界卫生组织( w h o ) 规定饮用水中三氯乙酸的最大容许浓度 为0 1m g l t 2 2 。我国建设部和卫生部也制订了相应的 5 u r n 以上的颗粒，对微米级以下的颗粒难以去除；最后是卤乙酸的 持续降解问题情况：李金燕等f 2 8 1 研究发现，预氯化对卤乙酸的产生起主导性作用，主 要是因为刚加完氯，由于水力停留时间较短，随着接触时间的增长，氯与水体中的天 然有机物继续反应，使得卤乙酸的质量浓度在沉淀后进一步加大。该处产生的卤乙酸 占整个氯化过程产生的卤乙酸总量的6 0 以上。另一方面，相较于其他主要的d b p s ( 如三卤甲烷) 而言，卤乙酸是难挥发有机物，当滤池中存在较大水流湍动的情况下 浙江工业大学硕士学位论文 会造成三卤甲烷的逸出，而卤乙酸则难于被出去，从而使其去除率高于卤乙酸。所以 卤乙酸一旦形成，后期去除成效甚微【2 9 】。因此，就消毒副产物的后续去除难易程度而 言，预氯化对卤乙酸的影响远大于三卤甲烷等其他d b p s ，研究更行之有效的水处理 方法，改进预氯化工艺，成为迫切需要解决的问题。 1 2 2 三氯乙酸的氧化还原处理工艺 高级氧化技术( a o t s ) 由于其在处理难生物降解的有机污染物中表现的优异性 能而备受关注。它是利用反应过程中产生的强氧化性自由基( 主要是o h ) ，来氧化 甚至矿化水中的有机污染物【3 0 】。国内通过高级氧化法降解t c a a 的报道也屡见不鲜， 主要集中在传统的臭氧物理联合工艺，臭氧的生物联合工艺，光催化氧化工艺等。 1 2 2 1 臭氧物理联用工艺 臭氧的氧化在酸性条件下完全靠其本身的氧化性，速度较慢而且有选择性，在中 性和碱性条件下是靠产生o h 而进行的间接氧化。与之类似的氧化手段，如双氧水， 紫外光，尽管他们都具有很强的氧化性，但由于氯原子使碳原子周围电子云密度降低， 化合物易接受电子，从而增加了其被氧化的难度，使得单独使用上述方法的氧化效果 并不理想。万荣芳等【3 l 】研究了0 3 、h 2 0 2 、u v 对t c a a 的去除效果后发现，对t c a a 浓度为7 0 0 g i 的试验水分别使用5m g l0 3 ，1 4 0m g l 的h 2 0 2 ，和1 8 3u w c m 2 d 的u v 后， 去除效果如表2 所示，前两者都在1 5 一下，u v 效果稍好一点，为1 6 2 7 ，如表1 3 。 袭1 2 不同处理工艺对d c a 嘲t c a a 的去除效果 t a b l e1 - 3r e m o v a le f f e c to fd i f f e r e n tp r o c e s st o w a r d sd c a aa n dt c a a 为了提高去除效率，该课题组也尝试利用i h 2 0 2 ，u v i - 1 2 0 2 1 3 3 等氧化体系， 可将处理效果提高到4 0 以上。 1 2 2 2 光催化技术应用 光催化技术是一种新兴的高级氧化技术，其原理是当光子能量高于半导体吸收阈 4 浙江工业大学硕士学位论文 值的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而 产生光生电子( e ) 和空穴( h + ) 。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超 氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。超氧负 离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物c 0 2 和 h 2 0 ，甚至对一些无机物也能彻底分解【3 2 l 。 光催化技术降解t c a a 是利用光催化剂的强氧化能力，在光源的照射下，氧化 t c a a 以达到降解目的的技术。目前国内研究的热点主要是t i 0 2 等一些半导体光催化 剂。光催化过程中t i 0 2 ，是依靠光生电子空穴来降解有机污染物的，由于 r i 0 2 对人体 无毒害作用、耐光腐蚀、化学稳定性好，近二十年来，它己被广泛地应用于降解空气 和水中的有机污染物。但是t i 0 2 禁带能隙( 3 2e v ) 较宽，只有在紫外光照射下才显 示光催化活性【3 3 】，因此，通过改性或敏化使t i 0 2 在可见光区具有光学活性已成为光 催化研究领域的重要课题。目前常见的改性方法主要是一些阴离子的掺杂改性，如n 、 p 、f 、s 、c 等，也有利用z n t 3 4 1 、p t l 3 5 】等贵金属进行改性的报道。改性后的t i 0 2 在可 见光区均有较好的催化活性。此外，也有人利用a c 掺杂制备t i 0 2 a c m 催化剂，不 仅在可见光下显示出了催化活性，也将催化效率较之于纯t i 0 2 提高了3 倍以上【3 6 】。 尽管光催化技术有着无毒、低能耗、化学稳定性好的诸多优点，但高费用和低的 转化效率仍是一个不可回避的话题，从而使得它面对浓度较高的处理量时感到无能为 力，这些缺陷也是阻碍其推广应用的重大障碍。因此如何降低成本及提高光能的转化 效率将会一直伴随着光催化技术的发展和应用。 1 2 3 还原脱氯技术 有机氯化合物大部分属于持久性有机物( p o p s ) ，它们通常作为l e w i s 酸存在难 以失去电子，而且氧化不完全容易产生毒性更大、稳定性更强的产物( 如四氯化碳燃 烧产生六氯苯) ，氧化处理常难以奏效。因此以零价铁还原和电解还原为主的还原脱 氯处理技术逐渐受到关注。 1 2 3 1 零价铁还原技术 1 9 9 4 年，自从g i l l h a m 等【3 7 】提出金属铁屑可以用于地下水的就地修复之后。基于 零价铁的地下水污染治理修复技术成为国内外研究去除氯代有机物的热点。主要的还 原脱氯途径主要有以下三种：金属表面直接电子转移、零价铁与水作用、水作为电子 受体生成的h 2 ( 或新生态氢) 还原氯代有机物。零价铁经腐蚀反应产生的f e 2 + 还原有 5 浙江工业大学硕士学位论文 机物【3 8 】，但单独f e 去除t c a a 效果不理想，因为单独f e 的还原脱氯主要依靠铁本身的 还原性能，主要发生以下反应【3 9 】： f e o + r c l x + r l - f e z + 卜rh c l l + c r ( 1 1 ) 2 f e 2 + + r c i x + h l - 2 f e 3 + + i m c l x 1 + c 1 ( 1 2 ) 因此，新的零价铁改良技术应运而生，如纳米铁技术，双金属系统，f e o f e n t o n 新体系等，都为原有的单纯零价铁技术带来了新的生命。纳米零价铁由于其极高的比 表面积所带来的高活性在还原脱氯方面有无可比拟的优越性m 】，但奇怪的是国内对于 该技术处理t c a a 鲜有报道。 双金属系统是如今零价铁还原中的热门改良技术，通过在铁粉上搀杂其他金属修 饰形成新的二元金属体系，如p d f e 、n i f e 、c u f e 、a g f e 等，提高含氯有机物还原 脱氯的速率和能力。早期，人们在铁粉中加a p d , a g 等这些贵金属来达到提高脱氯效 果的能力，尽管这些贵金属的加入会明显提高氯代烃的还原脱氯速率，但由于这些金 属十分昂贵，性价比不高是显而易见的。因此，研究人员转而利用c u , n i 等一些价格 相对便宜的金属进行掺杂研究，取得了理想的效果。楚文海等【3 9 1 研究发现，f e c u 体 系在m ( f e ) ：m ( c u ) = 1 0 ：1 ，投加量为3 0g l ，p h 值在4 - 8 之间能够有效脱除t c a a ， 此时f e c u 催化还原对t c a a 的去除率达到8 7 3 9 ，并且c u 未被消耗，达到了理想的 处理效果。为了进一步降低这种体系的成本，也有人利用s i f e 或沸石f e 的组合【4 1 1 ， 但处理效果并不理想，有待进一步研究。 由于零价铁氧化体系的反应机理同f e n t o n 氧化体系的反应机理类似。f e n t o n 采用 的铁源为f e ”，而零价铁反应后恰恰产生了大量的f e 2 + ，因此，也出现了将零价铁技 术与f e n t o n 技术相结合的f e o f e n t o n 新体系。同样是对于上面的f e c u 体系，解庆范等 【4 2 】结合- t f e n t o n 技术后，在最佳工作条件( m ( f e ) 加( c u ) = 4 ：l ，p h 值为4 ，h 2 0 2 加入量为1 0t o o l l ) ，对于5 0m g l 的t c a a 废水脱氯率达到9 1 9 。与之前单独的f e c u 体系相比，排除计算方式的差异( 前者算的是t c a a 去除率，不包括后续产物中的氯， 而后者脱氯率只计算了溶液中氯离子的含量，还有一部分在d c a a , c a a 中的氯没有 考虑在内) ，f e ，c u 的配比大小和溶液的p h 差异也是影响去除效率的重要因素，但总 体来说，效果已十分理想。 1 2 3 2 生物还原 卤乙酸作为一种可生物降解的物质，可以通过微生物的新陈代谢作用进行降解， 并通过人工驯化等方式改善其降解效率和速率。现阶段的研究方向主要是通过与臭 6 浙江工业大学硕士学位论文 氧、活性炭等手段联用，达到强化生物降解的目的。 生物活性炭技术( b a c ) 是去除有机物质的最有效手段之一。对于那些难以通过 单独吸附作用而进行长期去除的目标污染物，通过生物强化降解作用于活性炭的吸附 作用协同，能够有效地改善有机物的去除效果。李伟光等【4 3 1 在通过比较g a c 和b a c 对h a a s 的去除效果后发现，后者对h a a s 去除率可达到约6 0 ，是前者( 2 0 0 0 - 3 0 ) 的一倍以上。高圣华等【删也通过比较生物活性碳和生物陶粒后发现，尽管两者都能在 处理后期达到去除水中h a a s ，尤其是t c a a 的目的，b a c 更能在短时间内达到一个 比较高的处理效果，这可能与活性炭表面存在优先区域、亲水性部位、氧化物及粘性 物质，为微生物能够很好的固定位点有关。 在与臭氧联用方面，张可欣等【4 5 】利用预臭氧氧化和陶粒生物滤池的组合工艺处理 受卤乙酸污染的黄河水后发现，进水中三氯乙酸生成势的波动较大( 1 8 3 4g l ) 时， 臭氧氧化工艺对其具有很好的去除效果( 去除率高达5 4 ) ，而陶粒生物滤池则能使 之进一步降低( 去除率为2 2 ) 。 也有学者将臭氧、活性炭与生物法三者结合，进行对卤乙酸的研究。张金松等m 】 利用0 3 b a c 体系研究对卤乙酸前质的去处效率后得出，在原水水温3 0 ( 2 、p h = 6 5 7 、 预臭氧投量为1 5 m g l 、主臭氧投量为2 0 m g l 时；主臭氧化对卤乙酸前质也表现出很 好的去除效果，去除率达到了4 2 4 ，生物活性炭对卤乙酸前质表现出较好的去除效 果，去除率达到了3 3 9 。综合以上数据，说明在试验水质条件下，臭氧化一生物活 性炭深度处理工艺对水中卤乙酸前质的去除率达到了6 8 9 ，从而可以大大降低饮用 水处理过程中t c a a 产生的可能性。但与万荣芳等【3 1 】的研究相比，若仅比较臭氧对 t c a a 的去除效果，前两者的去除率都有大幅度的提高( 后者为1 5 左右) 。究其原因， 可能跟进水t c a a 浓度及臭氧的投加量差异有关，也可能是由于前两者水样直接为自 然界水源( 黄河水和南方某市供水水库) ，里面的一些化学成分促进了臭氧的氧化效 率有关，有待进一步研究。 1 2 3 3 电解还原 电还原法处理有机污染物主要是对含氯有机物的还原脱氯。电还原脱氯可以分为 直接电还原和间接电还原。直接电还原是污染物直接在阴极上得到电子而发生还原脱 氯，基本反应式为： r c i + 】 】 2 e r h + c i ( 1 3 ) 析氢反应是水体中电化学还原的主要副反应，这就要求直接电还原脱氯需要研究 7 浙江工业大学硕士学位论文 开发拥有较高析氢电位的阴极材料。脱氯的难易程度与氯原子数目有关，随着氯原子 数目减少，脱氯的还原电位变得更负 4 7 , 4 8 】。 间接电还原是指利用电化学过程中生成的一些氧化源媒质或者水溶液中生成活 泼氢原子将污染物还原脱氯。 r u s l i n g 4 9 】在d m f 溶液中选用了9 ，1 0 二苯基葸、1 萘甲腈和葸作为媒介物还原 4 ，4 二氯联苯，指出氯化芳香化合物的电还原效率取决于( m e d m d e ) 的电势与 ( a r c i a r c i ) 电势的差值，当此差值电势更负时，电流效率越大，并提出相应媒介 间接还原脱氯的机型5 0 】( 媒介物用i v i e d 表示，以氯苯为例) ： m e d + c _ + m e d ( 1 4 ) m e d + a r c i - - m e d + a r c ! ( 1 5 ) a r c l a m l -( 1 6 ) m e d - + a r - - m e d + a r ( 1 7 ) a r + ( 矿) - a r h ( 1 8 ) 上述机理表明：在偶极惰性溶液中，媒介电化学还原过程中，每个氯原子消耗两 个电子，电子从被还原的m d e 迁移过程一般是速率的控制步骤，电子迁移的l o g k 与e ( m e d m d e ) 近似成正比。与烃基卤化物不同的是( 卤化物接受一个电子，同时 失去一个o r ) 含一个卤素的有机反应物迁移2 个电子形成卤离子，烃基卤化物形成 自由基阴离子的中间产物，它的最基本的反应通道是失去c l 。，而向苯环提供一个烃 基自由基，尽管a r + 与其他反应物可形成副反应，主反应还是a ，被还原为a t ，是一 系列的质子化过程。 另一种间接电还原脱氯机理是水溶液中电催化加氢脱氯，反应机理如下【5 1 1 ： 2 h 2 0 屹e + m - 2 ( h ) 批2 0 h 或 盯i + m 一( h ) 岫m ( 1 9 ) r - x + m 与( r - x ) a d s m ( 1 1 0 ) ( r - x ) a d s m + 2 ( h ) a d s m _ ( 1 0 h ) 鲥。m 卜h x ( 1 1 1 ) ( r h ) a d s m 与r - h + m ( 1 1 2 ) ( h ) 出h 2 0 + e _ h 2 + o h + m ( 1 1 3 ) 舢( h ) a d 。m 与h 2 + m ( 1 1 4 ) 对电催化加氢脱氯而言，如上所示，首先水分子在电极表面( m ) 得电子转化为 h 原子，被吸附的h 原子( h ) a d 3 m 与吸附在电极表面的有机氯化合物( r - x ) a d 。m s 浙江工业大学硕士学位论文 发生还原反应，生成加氢产物( 艮h ) 。无催化剂存在时，水溶液中主要发生反应( 1 1 3 ) 和( 1 1 4 ) ，很难有效地还原脱氯。只有在催化剂( p d 、r u 、n i 等) 存在条件下，能 有效地电还原脱氯，因为像过渡金属p d 的外层电子构型为4 d l o s 2 ，有d 电子和空d 轨道容易与水电解产生的氢原子吸附在金属钯表面，形成表面化合物p d - h ，同时金 属p d 对有机氯化物吸附时，不同程度削弱c c l 键，有利于表面氢化物p d h 中的活 性h 原子进攻c c l 键中带正电的碳原子时，发生还原反应，容易使c l 原子脱掉。 1 2 3 4 电生物还原脱氯 与之前提到的氧化技术，生物技术，零价铁技术相比，电化学还原有着反应选择 性高，无需添加化学试剂，不产生二次污染等优点，逐渐受到人们的青睐。但该技术 的最大缺点是还原过程受到目标污染物电势窗的限制。含氯有机物的还原电位很负， 影响了电极活性，降低了有机物得电子的能力，因此对电极表面进行各种改良以提高 电极活性成了如今关注最多的问题，各种物质，包括从金属到非金属，从普通材料到 纳米材料，从小分子表面活性剂到生物大分子，类脂物质到多糖，都一层或者几层的 涂覆到电极表面，以求得最好的电极表面活性。 国内外修饰电极电解处理t c a a 的文章并不多，主要有贵金属修饰电极( 如a g t 5 2 1 ， p d ) ，非金属修饰电极( 如富勒烯、d d a b 掣5 3 】) ，处理方法大同小异，处理效率多在 9 0 以上。但由于有机氯还原电位很负，尽管使用了贵金属或表面活性物质修饰，仍 然析氢副反应严重，电流效率低。因此，这里主要要讨论的是近几年来研究十分活跃 的新型电催化手段一生物电催化技术。 生物电催化技术是通过生物大分子修饰电极表面，通过其高效的催化性能达到降 解一些难降解有机物的技术。早些时候广泛应用于生物燃料电池和生物传感器的研 究。f 1 2 0 世纪9 0 年代起，研究者将生物电催化应用于环境工程领域，发展成新型的生 物技术 5 4 1 。涂覆于电极上的生物活性大分子经历了从简单的过氧化氢酶，到血红素， 再到肌红蛋白，最后到如今的血红蛋白的递变过程。由于血红蛋白完整的保持了一个 功能蛋白的结构，性质相对稳定，而且廉价易得，从而成为如今生物电催化研究的热 点。但h b 分子庞大，电活性中心血红素被四条肽链包围而不易暴露，使得它在一般 固体电极上的电子传递困难，需要借助媒介体、促进剂或特殊电极材料，促进电化学 反应【5 卯。 李玉平等【5 6 】以碳纳米管为促进剂，在p h 值为7 0 ，- - 0 6 v ( v ss c e ) 恒电位电解 1 8 0m i n t c a 的浓度从1 0 0m m o f l 降到6 0m m o l l 左右，降解率超过4 0 。碳纳米 9 浙江工业大学硕士学位论文 管独特的结构使其能表现为金属或半导体，制成电极能促进电子传递，同时由于其优 良的物化性能( 如大比表面、能负载较多功能基团) ，从而成为电极表面大分子电子 转移的优良促进剂【5 5 1 。但该方法的缺陷在于没有为血红蛋白营造一个适合其发挥生物 活性，舒展其空间构象的固定位点。因此在碳纳米管上涂覆一层表面活性剂，如双十 二烷基二甲基溴化铵( d d a b ) ，是一个理想的选择。表面活性剂与h b 相互作用形成 复合物，使得h b 的多肽链能伸展开来，其疏水结构被打开后，电活性中心暴露，从 而加快了电子转移的速率【5 6 1 。另外，为了提供一个相对稳定的固定环境，可以考虑用 类脂( 如卵磷脂) 或者多糖( 如海藻酸钠) 对血红蛋白进行保护和固定，已有研究表 明血红蛋白在海藻酸钠溶液中仍能保持生物活性并进行电子转移。经过上述改进降解 t c 认的研究在国内还未见报道，但不失为一种可行的方案。 1 3 大分子物质在生物电催化中的应用 大分子物质应用于电催化降解，首要的条件必须是该大分子具有能够进行氧化还 原的活性中心，便于进行电子传递。铁卟啉由于在f e ( ) 和f e ( i i i ) 转化的过程 中需要得失电子，这种特殊的能力使之成为了最适合应用于电催化领域的分子结构， 因而受到电化学工作者的关注。铁卟啉环结构如图1 2 。 1 - 1 3 h 圈l - 2 铁卟啉环分子结构 f 嘻i - zm o l e c u l a rs t r u c t u r eo fi r o np o r p h y r i nr i n g 具有铁卟啉的大分子蛋白质，如过氧化氢酶、辣根过氧化氢酶、血红素、肌红蛋 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 白、血红蛋白，都被应用到了电极的修饰中，并被证明能在电化学的反应过程中仍能 够保持较高的其生物活性，进行电子传递。因此，使得利用大分子物质修饰电极进行 底物降解成为可能。相比于其他大分子，血红蛋白不仅具有更高的催化活性，结构分 析透彻，而且简便易得，价格较低，从而使其成为如今理想的生物电催化修饰蛋白。 1 3 1 血红蛋白的形态结构 血红蛋白( h e m o g l o b i n ，h b ) 作为红细胞内的一种机能蛋白，在生物体内起传输氧 气、分解h 2 0 2 ，传递电子等与氧和能量代谢有关的重要活动。m a xp e r u t z 的x 射线晶 体学研究在原子水平上阐明了血红蛋白的三维结构。该分子近似球形，由珠蛋白和血 红素构成，相对分子量6 5 0 0 0 ，空间大小为6 4n m x 5 5n m x 5 0n m 5 7 1 。珠蛋白由4 个多 肽链亚基构成，两条一链，两条链， 链含1 4 1 个残基，卢链含1 4 6 个残基，每个亚 基结合1 个血红素【5 射。 每个血红素结合1 个f e 2 + ，血红素中的f e 2 + 的配位数是6 ，或者说它可以形成6 个键，其中，与血红素卟啉环的2 个氮形成配位键，与另外两个氮形成共价键，再与 珠蛋白肽链亚基中的一个组氨酸残基的眯唑基的氮形成配位键。余下1 个配位键与氧 可逆结合。此时，仍为二价的亚铁离子，故血红蛋白与氧的结合称为氧合，而不是氧 化【5 9 1 。 1 3 2 血红蛋白稳定性研究 1 3 2 1p h 的影响 矿浓度或的变化可以影响血红蛋白对氧的亲和力。此项作用又可细分为酸性和碱 性效应两种，因为只有碱性效应具有重要生理意义，故一般谈论波尔效应时多指碱性 而言。大多数的波尔效应，都是由脱氧构象中带正电的弱碱与带负电基团相互作用所 引起的。例如，在时p h = 7 时弱碱可带正电荷并能与带负电荷的对象相互作用而形成盐 键。这样就增加了脱氧构型的稳定性，从而降低了对氧的亲和力。正常人血浆的p h 值 为7 3 5 7 4 5 ，呈弱碱性，这是血红蛋白维持其最高氧合活性所必须的p h 范围。肺部偏 高，约为7 6 ，这主要是在低矿浓度更容易与氧分子结合。从生理角度看，姚成灿嗍 等人经过对单个活态红细胞血红蛋白p h 影响的研究发现；在p h 值为7 4 7 6 范围内， 红细胞的吸光率达到最大值，这与人体内血红蛋白适宜的p h 氧合活性相符。当p h 值 浙江工业大学硕士学位论文 小于7 2 或大于9 0 时，吸光率出现了下降，表明在该p h 范围下，血红蛋白的氧和活性 下降。 从化学角度看，血红蛋白的等电点为p h = 6 蛀o 1 ，从而使得许多将血红蛋白固 定于电极上的实验中，将该p h 值选为测试底液【6 l - 6 3 1 ，并在实验的p h 范围( 3 0 9 0 ) 内，得到稳定可逆的氧化还原峰。但对于裸露的血红蛋白来说，沈丹等人研究发现， 在p h 1 1 时，血红蛋白的活性被完全破坏【6 4 1 ，这与c o yd f i t c h 等人 对小鼠血红蛋白变性酸度的研究结果相似【6 5 1 。这其中的差异可能与固定过程中固定物 对血红蛋白的保护有关。 1 3 2 2 温度的影响 温度的升高可以提升血红蛋白的稳定性，这可能和h + 的活度有关，即温度升高， 旷活度增高。但当环境温度达到3 7 c 时，血红蛋白的携氧能力达到最大值，并且温 度无论升高还是降低，偏离3 7 时单个活态人红细胞内血红蛋白两个吸收峰的波长 位置都分别向短波方向漂移，反映其携氧能力降低嗣。因为，环境温度的再升高增加 了红细胞内的血红蛋白分子转动能和振动能，血红素周围疏水微环境的改变，血红素 中的二价铁f e 2 + 与水相互作用被氧化成三价铁f e 3 ，从而形成高铁血红蛋白。另外， 温度变化还可削弱红细胞内血红蛋白的和两条链之间的结合力，产生化学离解并导致 血红蛋白分子的变性。 1 3 2 3 固定化材料应用 常用的大分子电极表面固定化技术有物理吸附、共价键合、溶胶凝胶包埋、电 化学聚合等【6 7 7 0 ，其中以溶胶凝胶包埋法最为常见。作为包埋的材料，应具备以下 的特性：固定化过程简单；常温下易于成形；固定化过程及固定化后对微生物无毒： 基质通透性好，机械强度高，抗微生物分解；价格低廉，寿命长叭3 。目前常用的包埋 材料主要分为天然高分子多糖类和合成高分子化合物两大类。考虑到生物兼容性，又 以天然高分子多糖类居多。 多糖是一类重要的生物大分子，起着保持酶的活性的重要作用。一些氧化还原酶 如葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶等的表面都含有寡聚糖。此外，多糖凝胶具有重要 的生物功能，许多生命过程就是在凝胶中完成的。因此，用多糖水凝胶膜将氧化还原 蛋白质固定在电极表面，可以获得良好的生物活性响应，促进电子传递。目前已有报 道的多糖类包埋材料包括琼脂、海藻酸钠、甲基纤维素，壳聚糖，卡拉胶等。李业梅 1 7 2 - 7 4 等分别利用甲基纤维素膜、琼脂、海藻酸钠将肌红蛋白固载在石墨电极表面构成 浙江工业大学硕士学位论文 了m b m c 修饰电极。并通过电化学表征证实了该电极对h 2 0 2 ，0 2 ，n o 表现出了良好 的电催化性能。表l 对几种常用的包埋材料做了比较。 表l - 4 常用包埋材料性质参数 t a b l e1 - 3p r o p e r t yp a r a m e t e r so fe m b e d d e dm a t e r i a l 1 4 选题意义及研究内容 1 4 1 研究目的及创新点 加氯消毒是目前自来水处理普遍采用的消毒方法，但通过对某些癌症的发病率和 病原学关系的调查以及大量的动物实验表明，长期饮用加氯消毒的饮用水，死于消化 和泌尿系统癌症的危险性很大，氯代消毒副产物( d b p s ) 是多种癌症的致病因子， 饮用水加氯消毒产生的氯化d b p s 对人类健康的危害问题在世界范围引起了越来越广 泛的关注，随羞我国水源水有机物污染日益严重，饮用水d b p s 健康风险问题也越来 越突出。卤乙酸( h a a s ) 是一类普遍存在的致癌风险较大的饮用水氯化d b p s ，由于 该类物质具有难挥发性、亲水强等性质，导致其在水中存留时间长，持续性危害大。 三氯乙酸，作为卤乙酸中致癌能力最强的有机氯化物，对其含量的控制已经广泛 受到学者们的关注。生物电催化方法检测含氯有机物已经研究多年，利用生物反应的 特性、电分析的灵敏性和实时检测相结合，制备生物电化学传感器，可以为三氯乙酸 的检测提供有效方法，但利用生物电极催化降解污染物还鲜有报道。 浙江工业大学硕士学位论文 本文通过对血红蛋白修饰电极降解三氯乙酸的工艺参数( 底物浓度、电流密度、 温度、包埋量) 和电极稳定性的研究，为工业化利用生物电催化方法降解含氯有机物 提供理论基础。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 通过湿氧化回流法制得多壁碳纳米管( m w c n t s ) 膜，利用海藻酸钠( s a ) 包埋血红蛋白( h b ) 固定在( m w c n t s c ) 电极表面，得到h b s a m w c n t s c 修饰 电极。采用紫外可见光谱、傅里叶红外光谱测定和扫描电子显微镜，观察修饰电极表 面h b 结构特征的变化情况；测定不同浓度t c a a 中h b s a m w c n t s c 的循环伏安 曲线，研究修饰电极的电催化还原特性。 ( 2 ) 考察主要工艺参数对h b s a m w c n t s c 电极降解水中低浓度t c a a 的影 响。参数包括：电解质浓度、电流密度、温度、s a 包埋量。利用离子色谱对产物进 行测定比较，得到了各个工艺特性下的最佳实验参数。 ( 3 ) 从去除率和电流效率两方面考察h b s a m w c n t s c 修饰电极对t c a a 的 电解效果，检验在最优工艺参数条件下，修饰电极对t c a a 电催化还原的稳定性。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 第二章h b s a m w c n t s c 的电化学行为 2 1 实验试剂和仪器 2 1 1 实验试剂 本实验用到的主要实验试剂如表2 - 1 所示。 表2 - 1 主要实验试剂 t a b l e2 - 1l i s to fm a i nr e a g e n t 2 1 2 实验仪器 本实验用到的主要实验仪器如表2 2 所示。 裹2 - 2 主要实验仪器 t a b l e2 - 2l i s to fm a i na p p a r a t u s 浙江工业大学硕士学位论文 傅里叶红外光谱分析仪n i c o l e t 6 7 0 0 扫描电子显微镜 s - 4 7 0 0 超声发生器y 二u l 5 0 0 w - c 磁力搅拌器8 5 1 t h e r m o ，美国 h i t a c h i ，日本 上海艺源超声设备有限