论文总字数：17039字

目 录

第1章 绪论 1

1.1 天冬氨酸的性质及吸附原因 1

1.1.1 天冬氨酸的性质 1

1.1.2 吸附天冬氨酸的原因 1

1.2 常见的除天冬氨酸吸附剂 1

1.3 本论文主要研究目的及意义 2

第2章 实验材料和研究方法 4

2.1 本实验中所有的化学试剂和药品 4

2.2 表征方法 4

2.3 天冬氨酸的吸附试验 5

2.3.1 pH-IS影响实验 5

2.3.2 pH-C₀影响实验 6

2.4 利用茚三酮测定天冬氨酸实验 7

2.4.1 配制显色剂-缓冲液 7

2.4.2 配制氨基酸饱和溶液 7

2.5 天冬氨酸的分析 7

2.5.1 测定前的准备 7

2.5.2 分析测定条件 7

2.5.3 标准曲线 8

第3章 结果与讨论 9

3.1 吸附剂的表征 9

3.2 pH-IS影响实验 11

3.3 pH-C₀影响实验 14

第4章 结论与展望 17

4.1 结论 17

4.2 展望 17

参考文献 18

致 谢 20

天冬氨酸在两种铝矿物的吸附特性研究

祁瑞

Abstract:Aspartic acid as a common acidic amino acids, the development of various fields have a great help. But with the production of aspartic acid technology has been more and more widely used in wastewater, the high content of amino acids caused by the harm has also attracted wide attention. Excessive amino acids not only have serious pollution to the environment, but also caused a waste of resources, to carry out the adsorption of aspartic acid in wastewater has been urgent. In this paper, two kinds of aluminum mineral adsorbents were used as the research object. The effect of pH and ionic strength on the removal of aspartic acid in water was studied by XRD, Zeta potential, pH-IS and pH-C₀. Acid Removal Mechanism and Possible Application Prospects.

Keywords: aluminum mineral; aspartic acid; adsorption

第1章 绪论

1.1 天冬氨酸的性质及吸附原因

1.1.1 天冬氨酸的性质

天冬氨酸 (Aspartic acid)是一种酸性氨基酸，又名氨基丁二酸和天门冬氨酸，是构成动物营养所需蛋白质的常见氨基酸之一。高纯度的天冬氨酸色泽为无色或略偏白色，略带酸味，无臭。熔点较高，在 230 ℃以上。结构式为：HOOC－CH ₂－CH(NH₂ )－COOH，其中含有1个氨基和2个羧基。分子量为133.10。

天冬氨酸主要用于合成甜味剂天冬甜素、聚天冬氨酸、新型药物，而且其还可以应用于临床治疗和作为合成其他产品的中间体。天冬氨酸可被用于心脏病治疗。在固相多肽合成(solid-phase synthesis of polypeptide)、医疗药物、生物传感、食品添加剂及化工合成等领域具有广泛的应用前景。^[1-5]

1.1.2 吸附天冬氨酸的原因

天冬氨酸是构成生命机体的重要组成单位，它同动植物生命密切相关，是人体不可或缺的基本物质^[6]。但随着食品、医药、制造等产业的快速增长，含天冬氨酸废水的排放量也在逐年增加，致使湖泊、海洋等水域的生化需氧量、化学需氧量值较高，很多工厂在不处理含氨基酸废水的情况下就将其直接排入江河湖海，不但没有对废水中的氨基酸进行充分利用，还对环境造成了严重污染。同时医生在治疗某些病症时常要除去血液中过多的天冬氨酸，同时，在食品生产和制药工业中为了保证产品达到一定标准，需要除去生产设备表层上的沉积物（蛋白质）^[7][8]。因此，研究对天冬氨酸的吸附刻不容缓。对含天冬氨酸废水的处理，既回收了大量天冬氨酸，同时也使工厂排放的废水达到国家标准，可提高相当的经济效益和环境效益^[9]。

近几年来，生命科学领域的课题研究在不断增多，其中关于蛋白质在固液界面上的性质及反应引起了科学家的广泛关注。作为蛋白质的基本结构单元，天冬氨酸在矿物上的吸附性质也引起了科研人员的极大兴趣。天冬氨酸是一种简单的有机分子，研究其在矿物上的吸附性质不仅对理解蛋白质在固液界面上的吸附规律有帮助，而且可以为废水中氨基酸的处理和回收利用提供充分的科学分析和理论指导。除此之外，已有研究证实，电解质溶液中氨基酸官能团与矿物表面羟基的相互作用对于研究地球化学的过程是非常有意义的。然而，涉及的具体反应和附着机制大都是未知的。深入研究天冬氨酸在铝矿物上的吸附机制有助于解决上述各类问题^[6][10][11]。

1.2 常见的除天冬氨酸吸附剂

到现在为止，已被研究出来的氨基酸吸附剂有很多种。氨基酸吸附剂种类繁多，可以用吸附剂表面的疏水程度、极性和结构特点对其进行分类。比如，可以分为亲水性和疏水性氨基酸吸附剂，极性和非极性氨基酸吸附剂。不同的吸附剂材料对氨基酸的吸附程度不同，经济成本也有高低，所以我们要合理分析，选择经济方便、吸附性能好的氨基酸吸附剂。基于此原因，我们分析比较了以下几种常见的吸附剂^[12-15]。

1. 活性炭

活性炭广泛存在于自然环境中，原料易获取，一种应用较早且用途广泛的非极性吸附剂。活性炭比表面积较大，有较好的吸附性能，同时，其化学性能也比较稳定。活性炭是最早应用于水处理中吸附氨基酸的优良吸附剂之一。使用活性炭(AC)作为吸附剂已被认为是一种传统的处理方式， 然而， 其成本较高，近年来已渐渐被其他生物质基吸附剂所代替^[16-19]。

1. 金属氧化物

绝大部分金属氧化物都是天然存在的，如铝矿物在环境中（土壤、地表水）分布广泛，对于制备工艺也相对简单。由于大量羟基存在于金属氧化物的表面，通过质子化和解离作用，因此在水溶液中会是的金属表面带有明显的电性。与此同时，当表面的-M-O-M-基团中M与O的电负性差距较小时，金属氧化物表面还会呈现疏水性。许多实验证明氨基酸在金属氧化物上的吸附有外层和内层络合形式。金属氧化物的吸附能力良好，已被广泛用于水处理、化工等方面^[20][21][22]。

1. 矿物吸附剂

常见的矿物吸附剂有膨润土、沸石、方解石等。矿物吸附剂中大部分都来源于自然环境中，原料丰富，但其在吸附氨基酸方面仍存在一些不足：一些矿物吸附剂的吸附性能和性状已经跟不上时代的高质量要求，必须对其进行改善；矿物吸附剂大多呈现粉状，对后续处理不利，仍会对环境产生污染，与我们保护环境的理念背道而驰。

1. 金属吸附剂

与以上几种吸附剂相比，金属吸附剂并不常用于吸附氨基酸，科研人员也未对金属吸附剂进行系统的研究。但在食品生产及药物加工领域，也需要对氨基酸在金属吸附剂表面的吸附机制进行深入研究。但金属吸附剂在价格方面不占优势。

1.3 本论文主要研究目的及意义

氨基酸是生命中最基本的结构单元，含水氨基酸和矿物表面之间的相互作用对于许多从生物矿化到生命起源的地球化学过程有重要影响。氨基酸和矿物表面之间的相互作用对于理解生物分子转运，元素循环，细菌粘附，矿物溶解，植入医疗器械的长期功能以及生命的起源是至关重要的。由于土壤，水和人体中普遍存在氨基酸，它们与各种矿物表面的结合是常见的^[11]。在远古时代，大气中就存在一些无机物，它们慢慢转化为氨基酸，蛋白质，产生单细胞生物、多细胞生物，出现高等生命，但目前矿物在生命演变这一过程中所起的作用还未得到准确结论。虽然氨基酸与羟基化表面的结合对于许多学科非常重要，但是目前对氨基酸如何附着到矿物表面的理解仍然没有的到确切结论。为了满足对这一方面的需要，所以本论文选取了这样一个课题。本论文可以涉及到在外来重金属存在的情况下，对氨基酸以及矿物的影响，对修复环境有一些帮助。在实验室条件下模拟溶液中的氨基酸—矿物之间的相互作用，有助于更深入地理解氨基酸对矿物的溶解转化、重金属离子的迁移以及环境修复等方面的影响及潜在的应用。

本论文以两种铝矿物为吸附剂，包括刚玉（α-Al₂O₃）和氧化铝（γ-Al₂O₃），以天冬氨酸为研究对象，利用批次吸附实验研究pH值和离子强度对吸附过程的影响，并对其的吸附机理进行详细探讨。本论文的主要目的是增强目前不同环境条件下对天冬氨酸与铝矿物的附着机制的理解。这个课题建立在我们理解羧基氨基酸对氧化物矿物的吸附机制和表面配位的基本知识的基础上。

第2章 实验材料和研究方法

2.1 药品与设备

2.1.1 本实验中所有的化学试剂和药品

表2.1 本实验中所用的化学试剂和药品一览表

2.1.2 仪器设备

表2.2 本实验中所用的仪器设备一览表

2.2 表征方法

1、X射线衍射

XRD即 X-ray diffraction 的首字母缩写，中文名为X射线衍射，是一种通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段^[23]。

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