Study on the Immobilization of Laccase and Its Application to the Removal of Dyes from Industrial Effluents

作     者：Habimana Pascal 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜艳军

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：染料脱色 硅基纳米复合材料 固定化酶 漆酶 金属-有机框架材料 

摘      要：在工业应用中大量使用染料产生的废水,对人类健康和水环境造成了严重的影响。漆酶作为一种绿色生物催化剂,可对工业废水中的染料/有毒化学物质进行降解。然而漆酶的分子结构很容易受到外界环境的影响,而且游离的漆酶不可重复用、稳定性差、成本高、难分离。为了解决这些问题,选用合适的载体对酶分子进行固定化是有效的策略之一。磁性核壳介孔氧化硅和金属有机骨架材料具有孔径可调、毒性低、化学稳定性高、比表面积大等优势,是固定化酶的理想载体。本研究以磁性介孔氧化硅纳米花(SiO@FeOnanoflowers)、介孔氧化硅包覆的磁性多壁碳纳米管(FeO-MWCNTs@SiO)和ZIF-8包覆的多壁碳纳米管(ZIF-8@MWCNTs)为载体,分别采用共价结合法和吸附法固定漆酶。考察了固定化漆酶的制备条件、稳定性及催化性能,并与游离漆酶进行了比较。最后,研究了固定化酶和游离漆酶对偶氮染料的脱色效果。本研究主要包括以下三个方面:(1)以十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)为模板剂,FeO为磁核,正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,合成了SiO@FeO磁性介孔氧化硅纳米花。在550 C下煅烧5 h去除模板剂。所得了SiO@FeO的比表面积、孔体积和孔径分别为518.252 m/g,0.502 cm/g和5.9nm。采用戊二醛为交联剂将漆酶固定在SiO@FeO纳米花上,制备固定化漆酶(Laccase-GA-SiO@FeO)。研究发现,65 C和p H 4.0为Laccase-GA-SiO@FeO的最适温度和最适p H。Laccase-GA-SiO@FeO的p H、热、贮存和机械稳定性均比游离酶好。重复使用10次后,Laccase-GA-SiO@FeO活性仍能维持原有活性的83%。此外,对于酸性红88、铬黑T和活性黑5,Laccase-GA-SiO@FeO的脱色率分别为97%、98.3%和51%,均高于游离酶,有利于工业应用。(2)以CTAB为模板剂,FeO-MWCNTs为基体材料,TEOS为硅源,合成了FeO-MWCNTs@SiO纳米复合材料。采用离子交换法去除模板剂CTAB。氮气吸附-脱附等温线显示,FeO-MWCNTs@SiO纳米复合材料的比表面积为428.1 m/g,介孔孔径为11.47 nm。用戊二醛作为交联剂将漆酶固定在FeO-MWCNTs@SiO中,得到一种稳定的固定化酶Laccase-GA-FeO-MWCNTs@SiO。研究发现,Laccase-GA-FeO-MWCNTs@SiO的最适温度和p H分别为60°C和3.0。与游离漆酶相比,Laccase-GA-FeO-MWCNTs@SiO在p H、热、贮存和机械稳定性方面均有所提高。重复使用10次后,固定化漆酶仍能保持原有活性的87%。研究了酶对酸性红88、铬黑T和活性黑5的脱色作用,固定化漆酶的脱色率分别为98%、99%和66%,均高于游离酶。(3)以FeO-MWCNTs@SiO纳米复合材料为模板,采用金属亲和吸附法制备了ZIF-8包覆的多壁碳纳米管(ZIF-8@MWCNTs)纳米复合材料。结果表明,所制备的ZIF-8@MWCNTs纳米复合材料的比表面积为328.778 m/g,孔体积为0.714 cm/g,平均孔径为4.149 nm。Laccase@ZIF-8@MWCNTs的最适温度和最适p H分别为60C和p H 3.0。与游离酶相比,固定化酶在p H、热、贮存和操作稳定性等方面都有所提高。重复使用10次后,Laccase@ZIF-8@MWCNTs仍然保留了68%的初始酶活。对酸性红88和铬黑T的脱色方面,固定化漆酶的脱色率分别达95.6%和97.4%,均高于游离酶。