三维石墨烯泡沫脱除对虾加工副产物中Hg(II)的研究

郑敏莉,邱赟竹,杨 雪,陈晓梅

(集美大学食品与生物工程学院,福建厦门 361021)

我国是全球最大的对虾生产国和出口国,出口产品主要以去头对虾和虾仁为主,而占对虾总重量30%的虾头、虾壳等大部分只是粗糙地加工成饲料或作为工业原料。近年来,越来越多研究者开始重视对对虾加工副产物的综合利用,例如,利用虾头、虾壳制作甲壳素、虾青素和壳聚糖等[1-4]。然而,由于对虾营底栖的特殊生活方式,当水体受到汞(mercury,Hg)污染时,对虾头部容易富集Hg(II),再加上生产工艺中往往涉及浓缩及富集过程,导致利用虾头生产的产品中往往存在Hg(II)超标的现象[5]。因此,开展对虾加工副产物中脱除Hg(II)的研究,对于进一步拓展对虾加工副产物的综合利用,具有重要意义。

目前国内外针对对虾加工副产物中重金属脱除的研究较少,但对其他水产品重金属脱除的研究中,化学吸附法[6]是一种常用的脱除方法。这种方法利用重金属与吸附材料之间的螯合作用,将重金属吸附在材料表面,实现重金属与生物活性分子的分离[7]。目前大部分的研究集中使用壳聚糖及其衍生物[8-9]、螯合树脂[10-11]或贝壳粉[12-15]等作为吸附剂。这些材料具有来源广、成本低廉等优点,但是也存在选择性较差、吸附容量较小、脱除时间较长等问题,因此,十分有必要寻找新的吸附材料,实现对对虾加工副产物中Hg(II)的高选择性、大容量、快速脱除。石墨烯是由碳六元环组成的二维片状材料,比表面积很大,表面有丰富的官能团(如羧基、羟基、环氧基)。课题组在前期研究工作中,利用石墨烯富集食品中的双酚A、冈田酸毒素等有害物质,积累了一定的研究经验[16-17]。然而在实际应用中,片状石墨烯容易重新堆叠,造成表面积减少。近年来,人们研制出三维石墨烯泡沫(3D graphene foam,GF)。这种新型的石墨烯材料具有独特的三维网络结构、低密度、高孔隙率和大比表面积的特点,极大地增强了材料的吸附能力[18]。本文以对虾加工副产物为研究对象,通过水热法得到GF,将GF应用于Hg(II)的脱除,详细考察对虾加工副产物中Hg(II)、蛋白质、氨基酸含量的变化,综合评价GF在对虾加工副产物Hg(II)脱除中的应用价值,为GF应用于水产品中重金属的脱除打下理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

南美白对虾 厦门集美嘉农农贸市场购买;天然石墨粉 苏州碳丰科技有限公司;浓硫酸、磷酸、硝酸钠、双氧水(30%)等 均为国产分析纯。

S-4800 SEM扫描电镜 日本株式会社;Alpha傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker公司;X‘Pert Pro X射线衍射仪 荷兰PANalytical公司;AAS-986原子吸收仪 北京普析有限公司;XA-1粉碎机 常州市金坛友联仪器研究所;Scientz-150高压均质机 宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 GF的制备 通过改进的Hummers法[19]制备氧化石墨烯(graphene oxide,GO),分散于水中制成2 mg/L的GO水溶液。取15 mL GO水溶液于反应釜中,90 ℃水热反应3 h,得到石墨烯凝胶,再将凝胶冷冻干燥48 h,得到GF。

1.2.2 对虾副产物匀浆滤液的制备 将对虾用水清洗后,取虾头、虾壳,于30 ℃下干燥5 h,用粉碎机进行间歇粉碎5 min,得到对虾副产物固体粉末。取固体粉末100 g,加入200 mL去离子水,用高压均质机1200 Pa处理10 min,制备成匀浆,将匀浆过滤,取滤液,得到后续实验的Hg(Ⅱ)吸附液,用石墨炉原子吸收法测定吸附液初始的重金属含量。

1.2.3 吸附容量和脱除率的测定 GF对Hg(Ⅱ)的吸附容量[20]通过公式(1),脱除率[21]通过公式(2)计算:

式(1)

式(2)

式中,Q为吸附容量(mg/g),R为脱除率(%),C0为Hg(Ⅱ)初始浓度(mg/L),Ct为吸附平衡时Hg(Ⅱ)浓度(mg/L),V为溶液体积(mL),m为吸附剂质量(mg)。

1.2.4 溶液pH对吸附效果的影响 为获得更加准确有效的实验结果,此步骤采用含5 mg/L的Hg(Ⅱ)标准溶液的对虾副产物匀浆滤液,首先分别用醋酸-醋酸钠缓冲液调节pH至4、5、6、7、8,再在每份溶液中加入19 mg GF,25 ℃下磁力搅拌20 min,然后测定Hg(Ⅱ)含量,计算脱除率随pH的变化。

1.2.5 离子选择性 实验条件控制为:pH6、温度25 ℃、GF为19 mg、溶液体积100 mL、时间20 min、重金属离子(Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、Zn(Ⅱ))初始浓度为10 mg/L,待吸附平衡后测定GF对溶液中重金属离子的吸附量。

1.2.6 吸附动力学及吸附等温线 取100 mL 10 mg/L Hg(Ⅱ)加标的对虾副产物匀浆滤液,用醋酸-醋酸钠缓冲液调节溶液pH为6,加入19 mg GF,25 ℃下水浴搅拌,分别在0、5、10、15、20、30、50、70、100、120 min时测定溶液中Hg(Ⅱ)浓度。吸附等温线则是在改变温度(25、30、35 ℃)下,测定GF对Hg(Ⅱ)吸附平衡时的吸附量。

1.2.7 GF的再生 将吸附Hg(Ⅱ)后的GF置于5%稀硝酸中浸泡12 h,再用去离子水浸泡、冲洗,至冲洗液pH为中性,待下次使用。

1.2.8 Hg(Ⅱ)含量、蛋白质含量和氨基酸态氮的测定 将100 mL的对虾副产物匀浆滤液酸度调为最佳吸附pH,再分别加入19 mg的GF,25 ℃下磁力搅拌20 min,取上清液用石墨炉原子吸收法测定Hg(Ⅱ)的含量,结果与未加入GF的上清液Hg(Ⅱ)含量进行比较。蛋白质含量测定:采用280 nm紫外吸收法[22]测定。氨基酸态氮测定:采用甲醛滴定法[23]测定。

1.3 数据处理

所有实验均重复三次,实验数据采用Origin 8.5软件进行数据处理、分析与作图。

2 结果与分析

2.1 材料的表征

图1A为GF的扫描电镜图,可看到石墨烯表面的褶皱以及片状石墨烯相互交错所形成的孔洞,孔径约为30 μm。从图1B与图1C可看出,GF质量为19.1 mg,体积约为12 cm3,图1D进一步证明了GF质量之轻,将其放在菊花花瓣上,花瓣基本不变形。

图1 材料的表征Fig.1 Characterization of materials注：A：GF的SEM图；B：GF的质量； C：GF的尺寸；D：GF置于花瓣上的实物图。

图2A为石墨、制备氧化石墨烯及GF的红外光谱图。从图中可看出,石墨在1620 cm-1处出现一个吸收峰,这归属于石墨晶体sp2的C=C伸缩振动。石墨被氧化后出现了一系列新的吸收峰,在3000～3417 cm-1处出现一个较宽、较强的吸收峰,为O-H的伸缩振动峰,1623、1124 cm-1处分别对应石墨烯平面上的C=O伸缩振动及C-O-C伸缩振动,2884 cm-1处对应C-H伸缩振动。GF的红外光谱图与所制备的氧化石墨烯基本一致,没有发生变化,说明制备过程没有破坏氧化石墨烯官能团。图2B为GF的X射线衍射图,GF在2θ=9.21°处出现一个宽且强的衍射峰,为C(002)的石墨碳晶面,根据布拉格方程计算的层间距为1.07 nm,这与文献报道结果一致[24]。表征结果说明GF表面有丰富的孔洞以及多种官能团,可为后续吸附对虾加工副产物中的Hg(II)提供丰富的结合位点。

图2 石墨粉、制备石墨烯及GF的 FTIR光谱图(A)及XRD图(B)Fig.2 FTIR spectra of the samples:graphite,grapheme oxide, grapheme foam(A)and XRD patterns of GF(B)

2.2 溶液pH对Hg(II)脱除率的影响

由于吸附量极易受到材料表面所带电荷及其离子化程度的影响,而这些与吸附体系pH相关,所以优化吸附体系的pH很重要。如图3所示,过酸(pH<5)或碱性(pH>7)条件下,GF对Hg(II)的脱除效果较差,这可能由于GF在过酸条件下,表面的羧基难以脱去质子形成羧基阴离子,造成对Hg(II)吸附能力降低,而Hg(II)在过碱条件下易结合氢氧根离子,不易与GF结合。pH在5～7范围内时,GF对Hg(II)的脱除率较高,表明GF可在较宽pH范围内用于Hg(II)的脱除,其中pH6时,GF对Hg(II)的脱除率最高。因此,后续研究采用吸附溶液pH为6。

图3 pH对Hg(II)脱除率的影响Fig.3 Effect of pH on Hg(II)adsorption on GF

2.3 离子选择性

图4为GF对不同重金属离子(Hg(II)、Pb(II)、Cd(II)、Cu(II)、Cr(Ⅵ)、Zn(II))的脱除效率,可以观察到GF对这些重金属离子都有脱除效果。其中,对Hg(II)的脱除率约为81%,对Cd(II)和Pb(II)的脱除率分别为45%、33%,而对其他金属离子Cr(Ⅵ)、Zn(II)、Cu(II)的脱除率低于20%。结果表明,GF对Hg(II)有较好的选择性,可以从混合金属离子水溶液中脱除Hg(II)。

图4 GF对不同重金属离子的脱除率Fig.4 The selectivity of GF to heavy metal ions

2.4 吸附动力学分析

吸附动力学是探究吸附时间对材料吸附量的影响[25],可以反映出GF对Hg(II)的吸附效率。图5为不同时间内,GF对Hg(II)吸附量的变化,可观察到吸附反应在20 min时快速达到吸附平衡。为了进一步研究Hg(II)在GF表面的吸附机制,实验采用拟一级、拟二级动力学模型来拟合分析实验数据。

图5 吸附时间对GF吸附Hg(II)吸附量的影响Fig.5 Effect of adsorption time on Hg(II)adsorption quantity by GF

由表1可知,用拟二级动力学模型拟合GF对Hg(II)吸附的决定系数达到0.99,高于拟一级动力学模型的0.92。拟二级吸附动力学模型是以化学吸附为基础,通过电子的得失或共用进行的化学反应,说明GF对Hg(II)吸附是化学吸附控速过程,这与文献报道结果一致[24]。此外,实验测得的平衡吸附量Qe,exp(54.09 mg/g)与拟二级动力学模型拟合所得的平衡吸附量Qe,cal(54.05 mg/g)很接近,表明GF对Hg(II)的吸附行为符合拟二级动力学模型。

表1 GF吸附Hg(II)的拟一级、 拟二级动力学模型的各项参数Table 1 Pseudo first-order rate and pseudo second-order rate constants of calculated and experimental Qe values for Hg(II)absorption by GF

2.5 等温吸附曲线分析

实验利用Langmuir和Freundlich 等温吸附模型[26]分析了Hg(II)在GF表面的吸附状态。由表2所示,GF在不同温度下对Hg(II)吸附的Langmuir等温吸附模型的相关系数均高于Freundlich模型的相关系数,且随着温度的升高,吸附量也逐渐增加。因此,GF对对虾滤液中Hg(II)的吸附更符合Langmuir模型,表明吸附过程为单分子层吸附,与文献所报道的结果一致[25],因此可以通过增大吸附剂的比表面积,实现对Hg(II)的大容量吸附。经计算可得,25 ℃下,GF最大吸附量的理论值为135.14 mg/g。

表2 GF对Hg(II)的Langmuir和Freundlich吸附等温线模型拟合Table 2 Langmuir and Freundlich adsorption isotherm parameters for Hg(II)absorption by GF

由表征结果可知,GF含有丰富的羟基、羧基等官能团,具有三维多孔结构。图6为GF吸附Hg(II)的原理图。从吸附动力学分析结果可知,GF对Hg(II)的吸附是化学吸附控速,GF表面丰富的官能团为Hg(II)提供了足够的结合位点;同时,从等温吸附曲线分析结果可知,GF对Hg(II)的吸附是一种单分子层吸附,GF极大的比表面积为Hg(II)进入GF内部提供足够空间。综上所述,GF特殊的结构极大地提高了对Hg(II)的吸附效率。

图6 GF对Hg(II)吸附的原理图Fig.6 Schematic diagram for the GF adsorption of Hg(II)

2.6 GF的再生

吸附剂良好的再生能力可以节约吸附剂的成本,促进吸附剂在实际生产中的应用。为研究GF的再生能力,实验利用GF(19 mg)循环吸附对虾副产物匀浆滤液,每次对100 mL的含5 mg/L Hg(II)加标滤液吸附20 min,之后将GF置于5%稀硝酸中浸泡12 h。对从GF中脱除出来的Hg(II)进行测定,可得Hg(II)浓度为4.61 mg/L,验证了GF对Hg(II)较好的吸附能力。由图7可知,GF连续循环使用5次后,对Hg(II)的脱除率为76.9%,接近初始脱除率的84%,表明GF有良好的再生性能,可以循环使用。

图7 GF连续循环使用5次,对Hg(II)的脱除率比较Fig.7 Comparison of Hg(II)removal rate by GF in 5 cycles

2.7 吸附前后Hg(Ⅱ)含量、蛋白质含量和氨基酸态氮的测定

由表3可知,GF对滤液中的Hg(II)有很好的吸附效果,脱除率为92.01%,而GF对蛋白质和氨基酸态氮的吸附能力较小,二者保存率分别为94.92%和93.89%,表明GF能高效脱除对虾加工副产物滤液中的Hg(Ⅱ),而滤液中的营养物质得到有效保留。

表3 吸附前后Hg(Ⅱ)、蛋白质、氨基酸态氮含量的变化Table 3 Comparison of Hg(Ⅱ),protein and amino acid nitrogen before and after adsorption

3 结论

采用水热法制备GF,应用于对虾加工副产物匀浆滤液中Hg(II)的吸附。研究结果表明,当吸附条件控制为:pH6,20 min时,GF对滤液中Hg(II)有很好的吸附效果,脱除率可达92.01%。GF的吸附遵循拟二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,Hg(II)在GF表面的吸附过程为单分子层吸附。GF有良好的再生能力,对蛋白质和氨基酸态氮的吸附能力较低。综上所述,GF可应用于对虾加工副产物中Hg(II)的脱除,其遵循的吸附模型可为其他水产品中重金属脱除提供理论参考。