辣木籽蛋白对水中浊度的去除研究

李 翀，黄 鑫，宋盼辉，刘鹏飞，帖靖玺

(1．华北水利水电大学 环境与市政工程学院，河南 郑州 450045;2．华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450045)

混凝剂是现代水处理中应用最为广泛的药剂之一，既可用于自来水生产以去除原水中的浊度和色度等感官指标，也可用于含重金属、染料、氟、油类［1－4］等废水的处理．目前，使用广泛的无机混凝剂主要有铁盐和铝盐混凝剂，有机高分子混凝剂主要有聚丙烯酰胺系列． 这些混凝剂在水处理中效果良好，但同时都存在不同程度的缺陷，如铝盐可能引起大脑损伤和铝性贫血等疾病;铁盐则有较强腐蚀性，故对设备要求较高，且三价铁离子可与水中腐殖质等有机物形成水溶性污染物，使自来水产生颜色，影响自来水品质;聚丙烯酰胺的单体则存在生物毒性［5］．其他的天然高分子混凝剂，如淀粉类、半乳甘露聚糖类、纤维素衍生物类、微生物多糖类及动物骨胶类则由于电荷密度小，分子量低，易于生物分解等缺点，无法被大规模应用．因此，寻找新型、安全、无毒、高效的混凝剂就显得十分重要．

辣木是一种典型的热带多功能速生树种，其叶、花、果、根和辣木油富含多种矿物质、维生素;嫩叶尖、嫩豆荚及根作为蔬菜和食品有增进营养的功能［6］;壮龄辣木的叶、花、成熟果及根具有医疗保健功能［7］;辣木籽还具有优良的净水效果，其中所含的植物蛋白是一种天然的混凝剂，能够有效去除水中的浊度，同时对水中的微生物以及重金属等也有良好的去除效果［8－9］．

1 材料与方法

1．1 模拟浊度水

将60 g 高岭土加入300 mL 自来水中，用高效快速湿式球磨机(KM －I 型，湘潭华丰仪器制造有限公司)球磨15 min 后，将研磨浆液用自来水定容至1 000 mL 备用． 正式试验时，采用自来水将上述浆液稀释至所需浊度． 采用0．1 mol/L 的NaOH 和HCl 溶液进行浊度水pH 值的调整．

1．2 辣木籽油渣中蛋白的提取

首先将辣木籽油渣(云南辣木生物科技有限公司提供)在40 ℃烘箱中烘干8 h．然后，采用家用粉碎机将辣木籽油渣粉碎后过80 目筛，然后与0．5 mol/L硫酸铵溶液按1∶100(W∶V)的比例混合，在40 ℃的磁力搅拌器(DF －I 型，常州博远实验分析仪器厂)中搅拌20 min 后，用0．45 μm 滤膜过滤．向滤液中缓慢加入粉末状(NH4)2SO4(控制滤液中盐的最终饱和度为80%)，同时进行磁力搅拌，加完后继续搅拌10 min，混合液在4 000 rpm 离心机(800B 型，上海安亭科学仪器厂)中离心10 min，弃去上清液，沉淀用蒸馏水清洗3 次后加入截留分子量为3 500 D(Dalton 道尔顿)的透析袋，透析袋密封后放入盛有1 L 蒸馏水的大烧杯中，定期更换蒸馏水并从烧杯中取出水样，向其中加入1%的BaCl2溶液，直至水样中没有白色沉淀时，停止透析． 将透析袋中的液体取出并定容至100 mL，采用考马斯亮蓝法测定最终的蛋白含量．具体流程如图1 所示．

图1 辣木籽油渣提取工艺流程图

1．3 混凝试验

将盛有500 mL 浊度水的烧杯置于混凝试验搅拌器(ZR4 －6 型，深圳润水工业技术发展有限公司)上，加入一定量的辣木籽蛋白提取液，开始混凝搅拌．设定混合搅拌3 min，速度200 r·min－1，混凝搅拌15 min，速度40 r·min－1． 搅拌结束后开始计时，在沉淀时间为30 ～180 min 时，从烧杯液面下2 cm处取样，测定样品浊度．改变初始浊度，辣木籽蛋白的投加量，pH 值和水温，重复上述试验，考察上述因素对浊度的去除效果． 以上所有试验均做3 组平行，同时以不加任何絮凝剂的浊度水为对照．选择其中一组，取试验结束时水样用0．45 μm 滤膜过滤后测定其CODMn和硝态氮浓度．

1．4 测试分析方法

辣木籽蛋白提取液中的蛋白浓度采用考马斯亮蓝法测定(UVmini－1240 型，岛津企业管理(中国)有限公司);溶液浊度采用便携式浊度仪(SGZ －B型，上海悦丰仪器仪表有限公司)测定;溶液的pH值采用台式pH 计(PHS －3C 型，上海理达仪器厂)测定;水温采用水银温度计测定;辣木油渣提取物的官能团采用傅里叶红外光谱仪测定(Nicolet 5700，美国Thermo Nicolet 公司);水中的CODMn和硝态氮浓度按照国标法检测［10］．

2 结果与分析

2．1 提取物的红外光谱分析

提取物的红外光谱谱图如图2 所示． 其中，2 923 cm－1和2 851 cm－1为脂肪酸中CH2的对称和非对称振动;1 655 cm－1为 CO 的伸缩振动(酰胺I 带);1 543 cm－1为CN 的伸缩振动和NH 的弯曲振动(酰胺II 带)［11］．说明提取物中蛋白质存在．采用考马斯亮蓝法测定的蛋白质浓度为222 mg/L．

图2 辣木籽油渣提取物红外图谱

2．2 沉淀时间的影响

沉淀时间对浊度去除效果的影响如图3 所示．初始浊度为150 NTU，温度为30 ℃，pH 值为8．

图3 沉淀时间的对浊度去除效果的影响

由图3 看出，浊度随沉淀时间的延长而下降，两个体系浊度的下降规律不同． 空白体系的浊度随沉淀时间的延长均匀下降;投加了0．5，1．0 mL 的辣木蛋白提取液后，浊度则在沉淀的前30 min内急剧下降，之后缓慢下降，1．0 mL 辣木籽蛋白投加量的去除效果最好．这是因为，辣木籽蛋白提取液中含有大量蛋白质，这些蛋白质的等电点(pH 值)为10 ～11［12］，在试验设定的pH 值条件下，蛋白质带正电荷，能够通过吸附－电性中和作用沉淀水中的高岭土颗粒．试验体系的剩余浊度在90 min 以后基本趋于稳定，选取90 min 为最佳沉淀时间．

2．3 pH 值的影响

溶液初始pH 值对浊度去除的影响如图4 所示．初始浊度为180 NTU，温度为30 ℃，辣木籽蛋白提取液投加量为0．1 mL．由图4 可知，在pH 值为7时辣木籽蛋白对浊度的去除效果最差，去除率为92．8%，pH 值为6 和8 时的去除率分别为96．0%和94．2%．鉴于试验用水的pH 值接近于8，所以选取8 作为后续研究用水的pH 值．

图4 pH 值对浊度去除的影响

2．4 温度的影响

溶液温度对浊度去除的影响如图5 所示．采用初始浊度为180 NTU 的浊度水，在不同温度下分别投加0．1 mL 辣木籽蛋白提取液．由图5 可见，辣木籽蛋白对浊度的去除受温度的影响不大． 溶液温度在10，20，30 ℃时，去除率分别为94．6%，95．9%，93．8%．因此，在其他试验条件情况不变的情况下，温度对辣木籽蛋白提取液去除水中浊度的影响较小．

图5 温度对浊度去除的影响

2．5 投加量和初始浊度的影响

不同辣木籽蛋白投加量对不同浓度浊度水去除效果的影响如图6 所示，温度为30 ℃．

图6 辣木籽蛋白用量和初始浊度对浊度去除的影响

对于低浊度(20，30 NTU)水，投加0．2 mL 辣木籽蛋白提取液，静置90 min 后，浊度分别降至12．2 NTU和14．4 NTU，投加1．0 mL 时浊度分别降至11．6 NTU 和11．0 NTU． 随辣木籽蛋白投加量的增加，浊度的去除率基本呈上升趋势，30 NTU 的浊度水投加0．2 ～1．0 mL 蛋白，去除率从52．2%增加到63．4%，20 NTU的浊度水去除率从38．8%增加到47．2%．

对于中浊度(90，120，150 NTU)水，投加0．2 mL的辣木籽蛋白提取液，静置90 min 后，对浊度的去除率分别为83．9%，87．1%，91．1%．随着投加量的增加，去除率也相应增加，投加0．2 ～1．0 mL 的辣木籽蛋白去除率增加幅度分别为5． 8%，3． 3%，1．9%．辣木籽蛋白提取液对中浊度水去除效果影响明显大于低浊度水，但随着蛋白投加量的增加，中浊度水去除率的增加幅度小于低浊度水，去除效果基本稳定．

对于高浊度(180，240，280 NTU)水，分别投加0．2，0．4，0．6，0．8，1．0 mL 的辣木籽蛋白提取液，静置90 min 后，180 NTU 试验组浊度分别降为10．3，11．4，8．2，9．1，7．3 NTU，去除率分别为94．28%，93．67%，95．46%，94．93%，95．93%．随着辣木籽蛋白投加量的增加，240，280 NTU 的试验组浊度去除率分别从96．4%增加到96．9%和从95．6%增加到98．7%．辣木籽蛋白提取液对中高浊度水的去除效果高于低浊度水．

2．6 辣木籽蛋白提取液对处理水水质的影响

作为混凝剂，在高效净水的同时，应尽可能减少对处理水质的影响． 辣木籽蛋白提取液主要成分为有机物，如果处理水中有较多的残留，则容易造成处理水变质，并产生异味;同时辣木籽蛋白提取液中含有硝酸盐［13］，高浓度的硝酸盐会危害饮用者的健康．因此，选取高锰酸盐指数和硝态氮作为衡量指标，考察辣木籽蛋白投加进水体后对水质的影响，其结果如图7 所示，初始浊度为180 NTU，温度为30 ℃．

图7 辣木籽蛋白对水质的影响

由图7 可知，辣木籽蛋白提取液用量为0 mL 的对照体系经过滤后CODMn的含量为5．21 mg/L;而投加0． 2 mL 的辣木籽蛋白提取液后，处理水中CODMn的浓度最低，为3． 60 mg/L，其余投加量下CODMn的浓度均为3．92 mg/L．可以看出，处理水中的CODMn均低于对照体系，说明辣木籽蛋白提取液在有效去除水中浊度的同时，并不会增加水中有机物的含量．

硝态氮的含量变化则随辣木籽蛋白提取液投加量的增加变化趋势并不大，基本处于稳定值．空白对照组经过滤后硝态氮的含量为3．06 mg/L;而投加0．2 ～1．0 mL 的辣木籽蛋白提取液后，硝态氮含量最低为2．99 mg/L，最高为3．32 mg/L，符合生活饮用水卫生标准GB 5749—2006 中自来水厂出水指标(硝酸盐(以N 计，mg/L)小于10 mg/L)． 用辣木籽蛋白去除浊度对水质的影响较小．

3 结 语

采用盐溶+盐析法制备的辣木籽蛋白提取液中蛋白含量为222 mg/L．以高岭土模拟的浊度为目标污染物，考察辣木籽蛋白对浊度的去除效果．结果表明:温度和pH 值对上述提取液去除水中浊度的影响较小;辣木籽蛋白适合用来处理中、高浊度水，而对低浊度水去除效果不够理想;辣木籽蛋白对处理的水质影响较小，可能是由于其去除水中浊度的机理是吸附－电性中和作用的原因．

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