酵素对表面活性剂的初级降解性能研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:14500字

目 录

一.前言 6

1.1表面活性剂的概念 6

1.2表面活性剂的污染现状及危害 6

1.3表面活性剂污染的处理方法 7

1.3.1泡沫分离法 8

1.3.2 吸附法 8

1.3.3 混凝法 8

1.3.4 生物降解法 8

1.4酵素降解表面活性剂的设想 9

1.4.1酵素的概念 9

1.4.2影响酵素降解效率的因素 9

1.5 选题背景 10

二.实验部分 10

2.1 材料和表征 10

2.2 实验原理及方法 10

2.2.1亚甲蓝分光光度法 11

2.2.2溴酚蓝分光光度法 12

三.结果与分析 13

3.1 酵素对阴离子表面活性剂的降解 13

3.2 酵素对阳离子表面活性剂的降解 16

四.结论 20

参考文献: 21

致谢 22

酵素对表面活性剂的初级降解研究

龙俊成

,China

Abstract:With the increase in the amount of surfactant used in daily chemicals, its negative effect on the environment is increasingly significant, so the degradation of surfactants are more and more research, which biodegradation method to not introduce new pollution, degradation The effect is remarkable and so on. Enzyme is a new kind of microbial fermentation product in recent years, which contains a variety of microbial enzymes. In this paper, the enzyme products were used for the degradation of surfactants, and the primary degradation of surfactants was studied experimentally. The results showed that the enzyme had good degradation effect for different types of surfactants, and its production cost was low, the process was simple and had good market application prospect.

Keywords: Enzymes; Surfactants; Biodegradation;

一.前言

1.1表面活性剂的概念

表面活性剂是只需很少的加入量,就能使表面张力降低,且具有分散、净洗、渗透、增加溶解度,使反应物乳化、起泡、润滑、杀菌等诸多性能的一种有机化合物,在工业、农业、医药、日用化工等众多领域的应用越来越广,目前全球的年使用量已到达千万吨级别。表面活性剂主要分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂三大类,其中阴离子表面活性剂应用最广,代表性的阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠更是在生活中处处可见,是洗涤剂、润滑剂等生活用品的主要成分。而阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂在工业中的应用更广,在石油、矿业、日用品生产等关系到国计民生的行业中可以说是必不可缺的一环。【1-2】

表面活性剂作为一种必不可少的产品,在各行业的作用范围还在不断扩大,消耗量也与日俱增。由于在使用过后无法及时处理,生产过程中产生的废水在排放到环境中时表面活性剂的浓度远远超标,对环境造成了极大的压力,同时也影响了野生动植物的生存,甚至威胁到了人的饮用水源和农业用地。

1.2表面活性剂的污染现状及危害

目前环境中的表面活性剂污染主要是阴离子表面活性剂污染,即为LAS的污染。相关研究显示,在美国,污水处理厂的进水口检测出的LAS的浓度一般约为10.9mg/L,经过处理后排水口出水的LAS浓度约为1.0mg/L,去除率高达90%。【3】在国内,以武汉东湖入湖口处LAS的含量为例,LAS的浓度约为0.35mg/L,另一份研究显示黄州氧化塘进水口LAS含量约为0.11-0.34mg/L,可见对比于美国,我国的水体中LAS含量普遍还不高,但随着生产力水平的大幅度提高,表面活性剂的使用量只会有增无减,很可能还会出现LAS浓度爆炸式增长的情况。并且国内对于阳离子和非离子型表面活性剂的环境残留量并未纳入环境监测常规监测项之中,这两类表面活性剂未来是否也会对环境造成巨大压力十分令人担忧。【4-5】

当水中表面活性剂的浓度超过 1.0mg/L时,水体表面将出现大量泡沫,这些泡沫不仅难以消失,还会在水面形成隔离层,严重阻碍大气与水体之间的气体交换,长期如此将导致水体变质产生异味。【1】当水中表面活性剂的浓度达到临界胶束浓度后,原本不溶或微溶于水的污染物,也会因此使其在水中的溶解度增大,浓度变高。这种增溶作用会改变水质,阻碍水中微生物净化水质的效果,造成间接污染。

在表面活性剂对人体的危害方面,最主要关注的重点主要集中在于对人的粘膜有刺激性、导致皮肤过敏、生物毒性、遗传性、致癌性、对新生儿的致畸性、溶血性、对消化吸收系统的影响、生物降解性等方面。【6】以化妆品为例,选取材料料的主要原则是如何发挥其化妆的效果,选择表面活性剂的时候只是考虑如何达到这一功效,因此选用的表面活性剂在净洗、发泡、乳化、分散等方面的要求较高。其次才考虑到发挥其它的辅助功效,很少或根本没有考虑到表面活性剂对皮肤、毛发等的刺激性,是否会带来过敏、引起身体不适等影响。【6】在工业方面亦是首选达到生产效率最高的表面活性剂,其降解性能、对环境的压力、水体中残留对生物的影响似乎并不在考虑的范围内。尤其在石油和矿业中需要大量使用表面活性剂,废水通过渗透进入地下水,大大地增加了表面活性剂进入人体的可能。

表面活性剂及其衍生物对人体可能造成的毒副作用包括急性毒性、亚急性毒性、慢性毒性。急性毒性和亚急性毒性的主要表现为对细胞的刺激性、溶血性,导致皮肤和黏膜过敏、感染等。【7】而慢性毒性的影响更为深刻,主要表现为对生育繁殖的影响、影响胚胎发育、导致畸形、引发细胞突变甚至癌变。表面活性剂通过不同途径进入或接触人体,对人体不同部位的毒副作用也不同。食品和医药行业中使用的表面活性剂一般作为加工助剂或增效剂,因此增大了表面活性剂与人消化系统、血液系统的接触可能,这就要求表面活性剂的溶血性、刺激性、致癌性和致畸性必须在安全的范围内。只有毒性低或者无毒的表面活性剂才能被允许用于食品和口服药品、经静脉或肌肉注射,这些直接进入人体的表面活性剂的首要考虑的是溶血性;如长期使用,则需对遗传性、癌变性、致畸性等问题展开深入研究。【8】  
表面活性剂对人体的经口毒性分为急性、亚急性和慢性三种。毒性大小通常用致死中量(半致死量)LD50来表示,即当加入的剂量致使受试动物中一半以上的数量被毒死时,此时的剂量即为致死中量(mg/kg)。鱼类的致死中量用LT50(mg/kg)或LC50(mg/l)来表示。阳离子表面活性剂的毒性普遍高于阴离子型,而非离子型和两性离子型表面活性剂的毒性十分低,甚至低于酒精的致死中量,几乎可以忽略不计。因此杀虫剂和消毒剂的主要成分多采用阳离子型表面活性剂,对各类细菌和昆虫有较强的灭杀作用,但缺点是对人体也有毒害。它们会使胃部充血,还会影响中枢神经系统和呼吸系统的机能,甚至导致其衰竭。阴离子型表面活性剂毒性低于阳离子,在日常应用中,如不直接口服对人体没有急性伤害,但口服后会使胃肠道感觉不适,产生腹泻。非离子表面活性剂毒性极低,不大量口服基本难以检测出毒性。其中毒性最低的是PEG类,较次的是糖酯、AEO和Span、Tween类,烷基酚聚醚类毒性偏高。【7-8】

尽管民间普遍认为表面活性剂使用生物降解方法效果很突出,降解率高达90%,但在自然条件下的水体中,表面活性剂的含量依然居高不下。据吴景阳等报道,在河口海域部分沉积物中,阴离子型表面活性剂的含量为mg/kg级,而水中为μg/kg级,差值大概千倍以上,且沉积物中的表面活性剂更为稳定。由此可以断定,表面活性剂在沉积物中的富集程度远远大于水中。在河口采取的样品放置两个月后,表面活性剂的含量有随时间而缓慢减少的现象,但数年前的表层样和深层样仍能测得相当高的表面活性剂含量,说明沉积物中富集的表面活性剂十分难降解,也有不断向水中扩散的可能性。【3】吴景阳等在分析大沽口溯间带采集的一个岩芯样发现,在地下15cm深处,阴离子型表面活性剂的含最可高达15.5mg/kg。徐立红等也发现家用洗涤剂溶液存放一段时间后对的鲫鱼苗的急性毒性和对鲫鱼鳃ATP酶的抑制作用无明显降低,说明表面活性剂在自然环境中被微生物降解的过程是十分缓慢的。

1.3表面活性剂污染的处理方法

在表面活性剂的处理过程中,不光要考虑如何尽可能的降低污水中的表面活性剂的浓度,还要兼顾对BOD、COD等指标的控制,同时也不能引入过多的其他污染物。针对于不同的表面活性剂,应当采用不同的处理工艺,有时还需要多种方法共同处理。目前主流的对于表面活性剂废水的处理方法有以下几种:

1.3.1泡沫分离法

泡沫法属于物理方法,是一种在表面活性剂应用的早期就已经发展起来并初步应用的方法。原理是利用表面活性剂会在水体表面形成泡沫层的特点,向废水中不断通入大量空气,致使废水中的表面活性剂被气泡吸附,形成泡沫状的物质,泡沫密度较低,最终会上浮至水面,形成泡沫层,最后将泡沫层抽离即可除去表面活性剂。实验研究显示,使用微孔管通气,气水比例控制在6 ∶1~9 ∶1之间,停留时间 30~40 min ,泡沫层厚度0. 3~0. 4 m ,此时泡沫分离对废水中LAS的去除率可达90 %以上。宋沁等表明当进水LAS 低于70 mg ·L - 1时,经处理后的出水LAS lt; 5 mg ·L - 1 ,LAS平均去除率gt; 90 %。韦帮森采用泡沫分离技术在10 d 连续运行中,进水COD平均浓度783. 14 mg ·L - 1 ,出水COD平均浓度为49. 02 mg ·L - 1 , COD平均去除率为 93.15 %,出水做鼓泡试验无泡沫产生,说明表面活性剂浓度小于10 mg ·L - 1。泡沫分离法仅在在LAS浓度较低时适用,并且该方法对废水的COD去除率不高,通常与其他方法联合使用来提高效率。【9-10】

1.3.2 吸附法

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