PCN-222(Fe)模拟过氧化物酶降解水溶性染料的研究

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天然酶对生物底物具有高度特异性,在温和反应条件下具有较高催化效率,广泛应用于生物传感、环境科学和食品工业等相关领域。然而,天然酶具有许多固有缺陷,在外部环境影响下易于丧失活性。此外,酶在制备、纯化和储存过程中耗时且昂贵。为了克服已知天然酶缺点,人们将研究方向转移到模拟酶上。MOFs具有较大比表面积、制备方便、成本低、回收性好、在恶劣条件下稳定性高、易于储存、组成可调以及在各种温度和pH值范围内具有模拟酶活性等优势,被广泛应用于生物传感、医学诊断、癌症治疗、食品加工、化学工业和环境监测。因此,基于MOFs的模拟酶被认为是模拟天然酶很有前景的候选者。染料,具有高色度强度、毒性大、合成来源、复杂的分子机构,使其稳定且难以被环境生物降解。有效降解和去除这些污染物已成为生物技术专家和环境科学家的主要关注点。目前,对工业废水中染料处理常采用物理、化学、生物等方法。物理方法操作简便,但仅对染料做集中收集,未能降解处理染料。化学法可以降解染料,但在反应过程中会生成其他对环境有害的产物。生物法,利用酶学性质,催化降解染料分子,具有环保、性价比高、污泥产量少、不生成有毒有害物质并可以完全矿化等优势。模拟酶是利用有机方法合成的具有酶学性质的非蛋白化合物,相对于天然酶自身受多种物理和化学因素影响的局限性,模拟酶化学性质稳定,催化能力局限性小,可广泛应用于工业生产中。在本文中,合成金属有机框架材料PCN-222(Fe),对其结构进行光镜、XRD分析、氮吸附分析。以经典过氧化物酶底物3,3,5,5-tetra-methyl-benzidine(TMB)研究PCN-222(Fe)的酶学性质,当pH=4.0、环境温度20℃时,模拟酶有最大催化活性,稳态动力学参数计算,PCN-222(Fe)以TMB为底物的Km值2.063mM,Vmax值为1.25×10-6。以H2O2为底物的Km值为0.58mM,Vmax值为2.15×10-6,比HRP对H2O2催化的Km值小,PCN-222(Fe)对H2O2的亲和力较明显地高于HRP对H2O2的亲和力。在确定PCN-222(Fe)具有模拟过氧化物酶功效后,利用其催化性质降解水溶性染料,以具有代表性的亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)两种阳离子、阴离子染料作为研究对象。结果显示经PCN-222(Fe)催化降解的MB、MO,在反应48h左右时,完全脱色。当MB和MO用作底物时,在pH=4.0时获得最大酶活性。温度对降解MB、MO实验中发现,随着温度升高,MB、MO降解效率逐渐提高,MB最适降解温度在80℃,MO最适降解温度为70℃,符合工业染料废水的排放温度,利于工业染料废水的降解。在无H2O2存在条件下,PCN-222(Fe)显示出吸附能力,以具有代表性的亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)两种阳离子、阴离子染料作为研究对象。结果表明pH=5.0时,MO吸附量最大为803.664mg/g,pH=9.0时,MB吸附量最大为382.35mg/g,利用吸附柱来衡量PCN-222(Fe)重复使用性能,用0.1 M盐酸/甲醇(v:v=1:9)混合溶液洗脱,8次重复使用后,对MB、MO吸附效率仍分别达到93.4%和87.6%,XRD和光镜结果显示,8次重复使用后,结构保持稳定,未发生任何变化,可作为吸附剂反复使用。最后,设计吸附、降解联合应用处理染料的方法,为PCN-222(Fe)实际应用,提供理论依据。
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