固定甘氨酸制备阳离子交换树脂及其吸附金属离子性能的研究

吕 哲，沈梓粤，秦宗华，李任强

（暨南大学生物工程学系，广东 广州510632）

甘氨酸分子结构有其特殊性，其α碳原子为非不对称碳原子，除了连接2个氢外，还连接有1个氨基和1个羧基[1，2］。如果将甘氨酸分子通过其氨基固定于惰性载体上，它的氨基与载体形成共价键，羧基则可通过α碳臂伸出成为配基，配基上的H＋可以与碱性离子相互交换从而吸附这些离子，也就是说，这样固定甘氨酸可以制备阳离子交换树脂[3，4］。

环氧氯丙烷法常用于活化多羟基惰性载体[5］。在碱性条件下，环氧氯丙烷激活载体上的羟基并与之结合，其另一边则与氨基连接，本身又起到“接臂”作用。如果运用环氧氯丙烷法将甘氨酸固定在惰性载体上，“接臂”会较长。鉴于此，作者选择Sephadex G－25作为载体，利用环氧氯丙烷活化法将甘氨酸固定制备阳离子交换树脂，并探讨了所制备树脂对碱性金属离子的吸附性能。

1 实验

1.1 试剂与仪器

甘氨酸、氨水、环氧氯丙烷、Sephadex G－25、1，4－二氧六环、氯化镁、氯化钙、氯化钠、盐酸、EDTA、铬黑T。

紫外可见分光光度计、摇床、水浴锅、天平、布氏漏斗、恒流泵、层析柱、滴定管。

1.2 阳离子交换树脂的制备[5，6］

1.2.1 载体Sephadex G－25的活化

取适量的Sephadex G－25于烧结漏斗中抽气、过滤、抽干；称取24g（湿重），以300mL 1mol·L－1NaCl和300mL蒸馏水先后在漏斗上洗涤，抽干后移至小三角瓶内；加入19.5mL 2mol·L－1NaOH、4.5mL 环氧氯丙烷、15mL 56%的1，4－二氧六环，于40℃摇床中振摇活化2h后取出；在烧结漏斗中分别以蒸馏水和pH 值为9.5的0.2mol·L－1Na2CO3－NaHCO3缓冲溶液洗涤、抽干。

1.2.2 甘氨酸与载体的连接

取25mL 1mol·L－1的甘氨酸与活化载体Sephadex G－25混合，在40℃摇床上振荡偶联24h左右，用烧结漏斗过滤，收集滤液，并用少许蒸馏水淋洗一并收集，量体积，测甘氨酸含量，计算甘氨酸结合于载体的偶联率。

将偶联复合物（载体＋甘氨酸）用pH值为9.5的0.2mol·L－1Na2CO3－NaHCO3缓冲溶液浸泡后装柱。用相同缓冲溶液平衡。

1.3 树脂吸附性能的测定

1.3.1 静态吸附

分别取一定浓度的CaCl2／MgCl2溶液35mL于具塞锥形瓶中，加入7g（湿重）的树脂，于恒温振荡器中以110r·min－1的转速振荡1h后，用EDTA滴定法测定溶液中Ca2＋／Mg2＋的浓度，按式（1）计算树脂的平衡吸附量（Qe，mg·g－1）。

式中：V 为溶液的体积，L；c0和ce分别为 Ca2＋／Mg2＋溶液初始浓度和平衡浓度，mg·L－1；W 为树脂质量，g。

1.3.2 动态吸附

准确称取一定量树脂，采用湿法装柱，即将树脂与去离子水混合后，从交换柱上端逐渐倒入以尽量避免带入气泡[7］。然后用pH 值为8.5的Tris－HCl溶液平衡柱子2h。将一定浓度的CaCl2／MgCl2溶液以一定的流速通过交换柱，定容接收流出液，测定Ca2＋／Mg2＋的浓度，绘制穿透曲线。

1.3.3 动态解吸

用去离子水将已吸附饱和的树脂洗净；以一定流速通入不同浓度的NaCl－HCl溶液进行洗脱再生，定容接收洗脱液，测定Ca2＋／Mg2＋的浓度，绘制洗脱曲线。按式（2）计算解吸率（y，%）。

式中：x1、x2分别为解吸得到的 Ca2＋／Mg2＋质量、树脂上吸附的Ca2＋／Mg2＋质量，g。

1.4 Ca2＋／Mg2＋浓度、质量的计算[8］

采用EDTA滴定法测定溶液中Ca2＋／Mg2＋的浓度。先配制pH值为10的氨性缓冲溶液（将6.7g NH4Cl溶于30mL水，再加入57mL氨水，稀释至100mL，混匀）。取5mL样液，加入1～2mL氨性缓冲溶液，再加入适量的铬黑T指示剂，用EDTA标准溶液滴定至溶液由酒红色变成蓝色为终点。平衡滴定2份，所消耗的EDTA标准溶液的体积差应小于0.1mL。按式（3）计算样液中 Ca2＋／Mg2＋的浓度（c，mol·L－1）：

式中：V为样液体积，L；cEDTA为EDTA标准溶液的浓度，mol·L－1；VEDTA为滴定消耗EDTA标准溶液的体积，L。

按式（4）计算样液中Ca2＋／Mg2＋的质量（m，g）：

式中：M为Ca2＋／Mg2＋的相对分子质量，g·mol－1。

2 结果与讨论

2.1 甘氨酸与载体的偶联率

用茚三酮比色法测定偶联后收集到的滤液中的甘氨酸含量（以1g Sephadex G－25偶联甘氨酸的毫克数表示）。通过偶联前后甘氨酸含量的变化得出结合甘氨酸的量为0.95g，从而算出偶联率为12mg·g－1。

2.2 树脂静态吸附特性[9～11］

2.2.1 吸附曲线（图1）

图1 树脂对Ca2＋和 Mg2＋的静态吸附曲线Fig.1 Static adsorption curves of resin for Ca2＋ and Mg2＋

由图1可看出，在吸附的前16min内，树脂对两种金属离子的吸附速率较快，分别达到饱和吸附量的82.8%（Ca2＋）和80.5%（Mg2＋）；随后，随时间延长吸附量升幅趋缓，50min后达到平衡；平衡时，树脂对Ca2＋的饱和吸附量为7.59mg·g－1、对 Mg2＋的饱和吸附量为6.16mg·g－1。

2.2.2 金属离子初始浓度对树脂饱和吸附量的影响

在25℃下，Ca2＋和Mg2＋的初始浓度对树脂饱和吸附量的影响如图2所示。

图2 Ca2＋和Mg2＋初始浓度对树脂饱和吸附量的影响Fig.2 Effect of initial concentration of Ca2＋ and Mg2＋on resin saturated adsorption capacity

由图2可看出，随着初始浓度的增大，金属离子在树脂上的饱和吸附量先迅速升高，而后逐渐趋于稳定。当Ca2＋初始浓度增大至8000mg·L－1时，饱和吸附量为7.59mg·g－1；当 Mg2＋初始浓度增大至4800 mg·L－1时，饱和吸附量为6.16mg·g－1。这是因为，金属离子浓度较小的情况下，树脂的吸附位点未达到饱和，吸附位点较多，此时树脂的饱和吸附量取决于溶液中的金属离子浓度；当金属离子浓度增大至一定程度时，吸附剂的吸附位点完全被金属离子结合，继续增大金属离子浓度对树脂的饱和吸附量影响不大。

2.2.3 树脂对Ca2＋和 Mg2＋的等温吸附模型

将图2中实验数据分别与Langmuir及Freundlich等温吸附方程[12，13］进行拟合，结果见表1 。

表1 等温吸附方程（T＝278K）Tab.1 Isothermal adsorption equations（T＝278K）

由表1 可知，Langmuir等温吸附方程较Freundlich等温吸附方程能更好地拟合树脂对Ca2＋和Mg2＋的吸附过程，其相关系数均在0.99以上。

2.3 树脂动态吸附特性

2.3.1 穿透曲线

取10g树脂装柱，在室温下，将初始浓度分别为8000mg·L－1和4800mg·L－1的CaCl2和 MgCl2溶液以1mL·min－1流速通过柱子，其穿透曲线如图3所示。

图3 树脂装柱后的吸附穿透曲线Fig.3 Adsorption breakthrough curves of the column made by resin

由图3可见，当Ca2＋和Mg2＋流出液体积分别为10mL和12mL时，流出液中Ca2＋和Mg2＋的最大浓度分别为384.6mg·L－1和480mg·L－1，此时可作为穿透点[14］，10mL和12mL为穿透体积；之后流出液中Ca2＋和Mg2＋的浓度随流出液体积的增加而迅速升高，当流出液体积均为35mL时，Ca2＋和Mg2＋的浓度升幅趋缓，说明树脂对Ca2＋和Mg2＋的吸附已经饱和。经累积计算，树脂对Ca2＋和Mg2＋的动态饱和吸附量分别为10.83mg·g－1和8.80mg·g－1。由此可看出，对于相同的树脂，动态饱和吸附量明显高于静态饱和吸附量。这是因为，在静态吸附过程中，溶液中金属离子的量随着吸附的进行逐渐降低，树脂吸附金属离子的量逐渐增加，两者最终达到吸附静态平衡；而动态吸附流经树脂层的金属离子始终保持较高浓度，促进了树脂的吸附。

2.3.2 进液流速对动态吸附的影响

在室温下将初始浓度为8000mg·L－1和4800 mg·L－1的CaCl2和MgCl2溶液以不同的流速通过直径为1.6cm的交换柱，直至吸附饱和，结果如表2 所示。

表2 进液流速对动态吸附的影响Tab.2 Effect of flow rate on the dynamic adsorption

由表2 可知，进液流速越大，穿透体积越小，穿透点提前。这是因为，进液流速加快，金属离子与树脂的接触时间缩短，影响其被充分吸附。考虑到吸附量大小和树脂单位时间处理能力的高低，选择动态吸附的进液流速为1mL·min－1。

2.3.3 树脂pH值对动态吸附的影响

pH值可以影响树脂表面的电荷以及树脂的离子化程度[15，16］。分别用不同 pH 值的0.05mol·L－1Tris－HCl溶液平衡树脂2h，然后在室温下测定树脂对Ca2＋和Mg2＋的动态饱和吸附量，结果如图4所示。

图4 pH值对动态吸附的影响Fig.4 Effect of pH value on the dynamic adsorption

由图4可看出，pH值为8.5时的吸附效果最好。因此，选用pH 值为8.5的0.05mol·L－1Tris－HCl溶液作为平衡液。

2.3.4 洗脱流速对解吸效果的影响

用去离子水将交换柱中吸附饱和的树脂洗净，室温下分别用pH 值为1.5的1mol·L－1NaCl－HCl溶液以不同流速解吸，定容接收洗脱液，测定Ca2＋和Mg2＋的浓度，绘制洗脱曲线，结果见图5。

图5 洗脱流速对Ca2＋（a）和 Mg2＋（b）解吸效果的影响Fig.5 Effect of flow rate on the desorption of Ca2＋（a）and Mg2＋（b）

由图5可看出，洗脱流速较慢时，Ca2＋的洗脱峰尖、宽且峰值变大，Mg2＋的洗脱也有相同的趋势。通过累计积分计算得到，流出液体积为50mL时相对于0.5mL·min－1、1mL·min－1、1.5mL·min－1的洗脱流速，Ca2＋的解吸率分别约为98.6%、95.9%和85.3%，Mg2＋的解吸率分别约为91.3%、85.9%和69.1%，说明低洗脱流速效果较好。同时，累计积分曲线显示，洗脱液中Ca2＋和Mg2＋浓度的变化规律一致，流出液体积达到30mL后，曲线斜率均变小，Ca2＋和Mg2＋的浓度减小速度减慢；流出液体积达到40mL（约4.4倍树脂体积）后，曲线趋于平缓，Ca2＋和 Mg2＋的浓度变化不大。因此，为了洗脱完全，实验中加入55mL（约6倍树脂体积）洗脱液对树脂进行洗脱。

2.4 稳定性实验

取10g树脂装柱，室温下将60mL初始浓度分别为8000mg·L－1和4800mg·L－1的CaCl2和 MgCl2溶液以1mL·min－1的流速上交换柱，确保树脂吸附达饱和；然后用pH 值为1.5的1mol·L－1NaCl－HCl溶液以0.5mL·min－1流速洗脱，并用pH 值为8.5的0.05mol·L－1Tris－HCl溶液作为平衡液进行再生，如此重复进行5次吸附／解吸实验，考察树脂对Ca2＋和Mg2＋吸附／解吸性能的稳定性，结果见表3 。

表3 稳定性实验结果Tab.3 Results of the stability experiment

由表3 可知，在选定的吸附和洗脱条件下，树脂对Ca2＋和Mg2＋的吸附／解吸性能比较稳定，其中Ca2＋的平均再生率为95%、Mg2＋的平均再生率也达92%，说明树脂可多次重复使用。

3 结论

（1）利用环氧氯丙烷活化法可以将甘氨酸很好地固定到Sephadex G－25上，从而制备出弱酸性阳离子交换树脂，偶联率为12mg·g－1。

（2）固定甘氨酸制备的阳离子交换树脂可吸附水中Ca2＋和Mg2＋等金属离子。树脂对Ca2＋和 Mg2＋的静态饱和吸附量分别为7.59mg·g－1和6.16mg·g－1，而动态饱和吸附量则分别达10.83mg·g－1和8.80mg·g－1。树脂对金属离子的吸附符合Langmuir等温吸附方程，相关系数R2达0.99以上。

（3）选择pH 值为8.5的0.05mol·L－1Tris－HCl溶液作为树脂的平衡液，平衡2h，可使树脂达到良好的吸附状态。Ca2＋和 Mg2＋溶液进液流速越快，树脂动态吸附金属离子的穿透体积越小，穿透点前的累计吸附量也越小；同样的，洗脱流速越慢，洗脱效果越好。树脂交换柱较好的操作条件为：以pH值为8.5的0.05mol·L－1Tris－HCl溶液作为平衡液，上样流速1mL·min－1；以pH值为1.5的1mol·L－1NaCl－HCl溶液作为洗脱液，洗脱流速0.5mL·min－1。

（4）在最佳吸附和洗脱条件下，树脂对Ca2＋和Mg2＋有良好的吸附／解吸性能和机械性能，再生效果好，可多次重复使用。在富集金属离子、对污水和硬水处理等方面具有良好的应用前景。

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