研究：用光合细菌复合材料降解印染废水

1 引言

偶氮染料是使用最多的染料，约占全部染料的70%左右.偶氮染料分子结构中一般除了含有氮氮双键外，其化学键上还连有苯环、萘环等结构，苯环或萘环上又有—NH₂、—CH₃、—NO₂、—SO₃、—Cl和—OH等取代基团.目前国内外处理偶氮染料废水的方法仍以生化法为主.研究发现，单独生物处理耗时长、效率低，且厌氧处理产生的中间产物(如苯胺)的毒性甚至比原水更大、更抗生物降解.而将生物技术与高级氧化技术组合用于印染废水处理逐渐成为近年来人们关注的焦点.为了更好地发挥光催化反应和生物降解的协同作用，一种紧密耦合光催化/生物降解体系成为近年来的研究热点.ICPB体系利用大孔基材使得微生物可在基材内部生长，一定程度上避免了外部光催化效应产生的活性氧物质(-OH、O₂ 、H₂O₂等)对微生物的毒害作用.若将ICPB体系用于偶氮染料废水处理，还存在一些难点需要解决，如高浓度染料可能导致的光能利用率下降或光催化剂中毒现象，以及难降解有机物或其中间产物对微生物细胞的抑制作用.鉴于此，本文提出利用光合细菌代替普通的活性污泥或生物膜微生物群落来构建一种新型g-C₃N₄/TiO₂/PSB复合材料.与普通活性污泥相比，PSB具有COD去除效率高、脱色效果明显、耐高负荷和高盐度及对有毒有机物有一定降解能力等特点.研究表明，g-C₃N₄和TiO₂的复合可以显著改善可见光的吸收及载流子的分离，能够克服各自在光催化领域中的缺点，获得性能优异的光催化材料.

本文以光合细菌和自制的g-C₃N₄-P₂5复合光催化剂为基础，采用海藻酸钠将两者进行共固定，合成g-C₃N₄/TiO₂/光合细菌复合材料.以模拟印染废水为研究对象，对比固定光催化剂、固定光合细菌及光催化-微生物复合材料降解染料和COD的规律.最后，利用紫外-可见全波长扫描光谱(UV-Vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR)及气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)等手段对反应残留物进行表征，分析光催化与微生物之间相互作用的关系，推测活性艳红X-3B的降解途径，以期为这一新型光催化/微生物复合材料在染料废水处理领域的应用提供理论依据.

2 材料和方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验试剂

实验使用的双聚氰胺(分析纯)与海藻酸钠(化学纯)购自索莱宝试剂有限公司，二氧化钛(P₂5)购自阿拉丁化学试剂有限公司，无水乙醇、氯化钙、无水乙酸钠、碳酸氢钠、氯化铵、磷酸氢二钾、氯化钠、氯化亚铁、酵母膏、硫酸镁、硼酸、硫酸锰、二水钴酸钠、三水硝酸铜(均为分析纯)皆购自天津市福晨化学试剂厂，活性艳红X-3B(100%强度)购自上海将来试剂有限公司，葡萄糖(分析纯)购自西陇科学股份有限公司，实验中用水为去离子水.

2.1.2 光合细菌

实验光合细菌选用红螺菌属的商业菌株.基本培养基成分为：无水乙酸钠3 g、碳酸氢钠1 g、氯化铵1 g、磷酸氢二钾0.5  g、氯化钠1 g、氯化亚铁0.005 g、酵母膏0.05 g、硫酸镁0.2 g，蒸馏水定容到1000 mL.微量元素成分为：硼酸0.7 g、硫酸锰0.389  g、二水钴酸钠0.188 g、三水硝酸铜0.01 g，蒸馏水定容到1000 mL.取1 mL配制好的微量元素置于基础培养基溶液中，定容到1000  m.移取80 mL红螺菌菌液于1000 mL锥形瓶中，加入配制好的培养基，定容至刻度，置于100 W日光灯下培养(4±1)  d，通过离心(5000 r ˙ min^-1，5 min)获得菌液，用去离子水洗涤用于复合材料制备

2.2 实验方法

2.2.1 固定化光催化剂的制备方法

称取适量双聚氰胺于坩埚中，并放置在程序升温马弗炉中，设置条件为：初始温度44 ℃，按2.3 ℃ ˙ min^-1升至550 ℃，550 ℃下煅烧4  h;将煅烧合成的块状g-C₃N₄研磨成粉末，放置干燥处储存、备用;将g-C₃N₄和P₂5按一定质量比(g-C₃N₄ :  P₂5=1.5)混合于无水乙醇中，放置于六联搅拌器中搅拌4 h，超声1 h;然后将混合液置于真空干燥箱中，70 ℃干燥24 h，所合成的g-C₃N₄-P₂5光催化剂简称为PC.

配制50 mL 2%的海藻酸钠溶液，向海藻酸钠溶液中加入1 g g-C₃N₄-P₂5光催化剂，搅拌并置于超声清洗仪中(超声频率为100  Hz，时间设定为30 min)，使其在海藻酸钠溶液中分散均匀.待超声完毕，用注射器将含有光催化剂的海藻酸钠溶液逐滴滴入2%的氯化钙溶液中，生成的包埋小球放置于4  ℃冰箱固化24 h以提高其硬度，最后用蒸馏水清洗小球备用，所合成的固定光催化剂简称为CA+PC.

2.2.2 固定化光合细菌的制备方法

配制50 mL 2%的海藻酸钠溶液，向海藻酸钠溶液中加入3  g(湿重)光合细菌，搅拌均匀，其余步骤同2.2.1节，所合成的固定化菌简称为CA+B.

2.2.3 g-C₃N₄/TiO₂/光合细菌复合材料的制备方法

称取1 g海藻酸钠溶于25 mL蒸馏水中，向海藻酸钠溶液中加入适量g-C₃N₄-P₂5复合光催化剂，搅拌并置于超声清洗仪中(超声频率为100  Hz，时间设定为30 min)，使其在海藻酸钠溶液中分散均匀.然后在含有3 g(湿重)光合细菌的离心管中加入25  mL蒸馏水，制成菌悬液.将菌悬液倒入含有光催化剂的海藻酸钠溶液中，搅拌均匀，其余步骤同2.2.1节，所合成的g-C₃N₄/TiO₂/光合细菌复合材料简称为CA+B+PC.

2.3 模拟印染废水降解试验

以模拟印染废水为处理对象，废水水质如下：染料活性艳红X-3B浓度为50 mg ˙ L^-1，COD(葡萄糖配)约1500 mg ˙ L^-1.选用300  W的卤素灯作为光源模拟太阳光，对比CA+PC、CA+B及CA+B+PC降解染料和COD的规律.反应结束，取样进行UV-Vis、FT-IR及GC-MS分析.

3 结果与讨论

3.1 样品的表观形貌和结构表征

3.1.1 材料的外观

试验制备的CA+B、CA+B+PC、CA+PC材料的外观见图 1，合成的材料呈小球状，直径约为2~3 mm.

图 1 CA+B (a)、CA+B+PC (b)、CA+PC (c)的外观形貌

3.1.2 SEM分析

图 2为海藻酸钙载体(CA)、CA+PC、CA+B、CA+B+PC的电镜扫描图.由图可见，CA载体含有很多微小的孔道(图  2a)，一方面有利于微生物的附着，另一方面可以为包埋在载体内部的微生物提供生命代谢活动所需营养物质的输送通道.相比CA载体的孔道，CA+PC的孔道变得更致密，可能是由于纳米级的光催化剂分散或附着在孔道中(图  2b).而CA+B表面相对比较光滑，其表面还可以看到部分光合细菌分散在载体上(图 2c).从图  2d中可明显地看到光合细菌包埋并分布于凝胶网络结构中，由于纳米级材料几乎观测不到，因此结合图  2e可知，该载体含有C、N、O、Ti等元素，说明g-C₃N₄-P₂5光催化剂已负载到载体中.理想状态下，大部分微生物包埋于CA载体内部，由于载体的保护，微生物可免受强氧化性自由基的氧化.光催化剂均匀分散在载体中，而只有小球外表面部分光催化剂可以接受光源的激发从而产生自由基破坏难以生物降解的物质.后续将利用该复合材料同时降解染料和COD的结果来验证以上猜测.

图 2 CA (a)、CA+PC (b)、CA+B (c)和CA+B+PC (d)的电镜扫描图及CA+B+PC的能谱分析图(e)