酶解木质素的胺化及对刚果红染料吸附性能研究

摘要

本研究以酶解木质素（EHL）为原料，利用Mannich反应对其进行胺化改性，制备胺化酶解木质素（NEHL），进一步提高其对刚果红（CR）染料的识别和选择性吸附，并优选出最佳制备工艺。结果表明，利用Mannich反应可在EHL表面成功接枝胺基；改性后的NEHL微观结构发生明显的变化，从表面光滑变为表面粗糙，其表面具有由不规则颗粒组成的结构，比表面积增大。吸附实验结果表明，NEHL添加量为0.05 g时，对CR吸附量可达2 444.82 mg/g；对NEHL的吸附动力学和等温吸附模型进行分析，得出NEHL对CR进行单层化学吸附。NEHL的制备工艺简单，去除染料性能优越，是一种潜在的去除废水中CR染料的吸附剂。

关键词

胺化酶解木质素; 吸附; 刚果红染料

合成染料在许多工业如染整、纺织、皮革鞣制、食品、塑料、造纸和制药等均有普遍应用^[1]。合成染料通常是有毒甚至致癌的物质^[2]，且具有易吸收性和难降解性。含合成染料的工业废水会对环境和人类健康构成严重威胁^[3]。目前，国内外对含染料废水的处理方法较多，主要包括絮凝、光降解、膜过滤和吸附等技术。

在众多的物理和化学废水处理技术中，吸附法具有成本效益高、应用灵活及设计过程简单等优势^[4]，被认为是一种极具前途的去除染料方法。由于大多数合成染料具有芳环、氢键供/受体和离子结构，可通过π-π相互作用、氢键和静电作用等方式与吸附剂发生作用。目前报道的多种吸附材料，如沸石^[5-6]、活性炭^[7]、石墨^[8]和氧化石墨烯^[9-10]等均显示出对染料较好的吸附活性。然而，很多吸附剂存在成本高、可回收性低、吸附能力有限等不足^[11]，极大地限制了其实际应用。因此，低成本的可再生绿色生物质吸附剂在染料吸附方面具有极大的应用前景，需要进一步的研究^[12]。

刚果红（CR）是一种常见的合成染料，CR分子在水溶液中带负电荷，带正电荷的吸附剂可通过静电作用吸附CR染料^[13]。木质素是自然界中含量仅次于纤维素的可降解天然聚合物，其结构中包含芳环和许多活性官能团^[14-15]，本身具有一定的吸附性能。为了提高木质素吸附CR的性能，需要对其进行修饰，使木质素基吸附材料获得正电荷。通过羟甲基化^[16]、胺化^[17]和酚化^[18]等手段在木质素中定向修饰引入羟基、氨基等活性基团，可进一步提高木质素对CR的识别和选择性吸附。其中，胺基化是提高木质素正电荷含量的有效方法^[19]。Wang等^[20]采用Mannich反应，在超声辅助下，用己二胺修饰硫酸盐木质素，用于吸附偶氮染料CR和铬蓝黑。Heo等^[21]制备了3种具有不同氨基官能团的氨基硅烷改性木质素，证明了其对染料具有良好的吸附能力。

酶解木质素（enzymatic hydrolysis lignin，EHL）是从微生物酶解玉米秸秆制备丁醇等能源的残渣中分离得到的新型木质素，与传统的碱木质素和硫酸盐木质素相比，EHL具有多种活性基团和较好的反应活性^[22]。本研究以EHL为原料，乙二胺为胺化剂，利用Mannich反应将胺基接枝到木质素结构上，制备胺化酶解木质素（NEHL），并将其作为一种绿色吸附剂应用于偶氮染料CR的吸附处理。在吸附实验中，探究了吸附时间、吸附剂用量、染料初始浓度等因素对CR吸附效果的影响，并采用吸附动力学和等温吸附模型研究了吸附机理。

1 实验

1.1　实验试剂与材料

乙二胺、甲醛、NaOH均购于国药集团化学试剂有限公司；盐酸购于上海凌峰化学试剂有限公司；刚果红（CR）购于上海麦克林生化科技股份有限公司；上述商品均为分析纯；酶解木质素（EHL）购于山东龙力生物科技股份有限公司。

1.2　胺化酶解木质素的制备

将EHL在60 ℃的烘箱中干燥至质量恒定，取其中2 g EHL加入到三颈烧瓶中，加入20 mL 0.5 mol/L的NaOH溶液，超声处理30 min，EHL完全溶解于NaOH溶液；向三颈烧瓶中加入一定量的乙二胺，在30 min内缓慢滴加1.5 mL质量分数38%的甲醛水溶液，在80 ℃油浴锅中反应4 h。产物用去离子水稀释，然后用1 mol/L盐酸酸析至混合液的pH值为2~3后沉淀10 h。将沉淀置于离心机中8 000 r/min离心5 min，将沉淀用无水乙醇洗涤数次，再用去离子水洗涤至中性。将产物置于50 ℃真空干燥箱干燥后，得到所需的胺化木质素，命名为NEHL。根据甲醛和乙二胺的不同体积比制备NEHL，分别命名为NEHL-1（甲醛∶乙二胺=1∶1.4）、NEHL-2（甲醛∶乙二胺=1∶2.0）、NEHL-3（甲醛∶乙二胺=1∶2.6），比较NEHL对CR吸附性能，探究最佳制备工艺。

1.3　吸附实验

在一定质量浓度CR染料溶液中加入一定量的NEHL吸附剂，吸附平衡后进行过滤，用紫外分光光度计测定滤液的吸光度，根据CR标准曲线计算CR的浓度。根据式(1)和式(2)确定CR的去除率（η）和吸附量（q_e）。考察NEHL用量、CR初始浓度对NEHL吸附性能的影响。实验重复3次，结果取平均值。

$$\eta =\frac{C_{\mathrm{0}}-C_{\mathrm{e}}}{C_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}$$

（1）

$$q_{\mathrm{e}}=\frac{V·(C_{\mathrm{o}}-C_{\mathrm{e}})}{M}$$

（2）

式中，C₀和C_e分别为初始和吸附平衡时的CR溶液质量浓度，mg/L；V为CR溶液的体积，L；M为吸附剂的质量，g。

1.4　表征和测试

采用扫描电子显微镜（SEM，SU8010，日本Hitachi公司）观察样品的微观形貌；使用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，Nicolet380，美国热电公司）对样品的表面官能团进行表征；采用X射线光电子能谱仪（XPS，K-Alpha，美国Thermo Fisher Scientific公司）对样品的表面化学环境进行精细分析；利用紫外分光光度计（UV，UV-6300，上海美普达仪器有限公司）检测吸附性能；采用全自动气体吸附仪（BET，ASAP 2020 Plus 2.00，美国micromeritics公司）对样品的比表面积和孔径进行检测；采用接触角测试仪（DSA30，德国Kruss公司）对样品的表面亲疏水性进行检测。

2 结果与讨论

本研究以乙二胺为Mannich反应的胺化剂。木质素分子的酚羟基及其邻位和对位，以及侧链上羰基的α位上的氢原子具有活泼性，可以与醛和脂肪胺类化合物发生Mannich反应^[23]。

2.1　胺化酶解木质素的结构和形貌分析

2.1.1　FT-IR分析

为验证EHL胺化改性成功，分别对胺化前后EHL的化学结构进行分析。图1为EHL和NEHL-2的FT-IR谱图。如图1所示，在EHL样品中，3 420 cm^-1处的吸收峰归属于O—H的伸缩振动峰^[24]；而对于胺化后的NEHL-2样品，此处的吸收峰向低波数方向发生偏移，这可归因于样品中O—H伸缩振动峰和N—H伸缩振动峰的叠加^[25]，此外，NEHL-2在3 245（N—H特征峰）^[26]和1 380 cm^-1处（C—N键的弯曲振动峰）可观察到新的吸收峰，且在2 927 cm^-1处（亚甲基的伸缩振动峰）的吸收峰变强^[27]，以上均表明胺基已被成功接枝到EHL上。

图1  EHL和NEHL-2的FT-IR谱图

Fig. 1  FT-IR spectra of EHL and NEHL-2

2.1.2　XPS分析

进一步利用XPS对比EHL胺化前后表面化学元素价态的变化情况，结果如图2所示。从图2(a)的全谱图中可以看出，相较于EHL，NEHL-2在~400 eV处出现了明显的N 1s峰。此外，图2(b)为NEHL-2的N 1s谱图，通过拟合可以发现，样品存在2种不同的N 1s信号峰；其中，位于399.18 eV的峰为—NH₂的信号峰，而位于401.13 eV的峰可归属于C—N的信号峰^[28-29]，证实通过Mannich反应可在EHL上成功接枝—NH₂。图2(c)为EHL和NEHL-2的高分辨C 1s XPS谱图。由图2(c)可知，EHL中存在较丰富的含氧官能团，这为其化学改性提供条件。而NEHL-2中的C—O/C—N比例增大，可归因于甲醛与木质素的羟甲基化反应^[15]及样品中C—N的形成。同时，O—C$\stackrel{}{̿}$O特征峰出现了较明显的低能偏移，从288.87 eV降为287.43 eV，形成了C$\stackrel{}{̿}$O。此外，比较2种样品的O 1 s精细谱图（图2(d)）可以发现，位于530.38 eV的O^2-信号峰变为530.9 eV的N—C$\stackrel{}{̿}$O信号峰^[2]，证实了NEHL-2样品中存在着丰富的含N官能团，表明EHL胺化成功。

图2  EHL和NEHL-2的XPS谱图

Fig. 2  XPS spectra of EHL and NEHL-2

表1分析了EHL和NEHL-2的C、O、N元素的含量。由表1可知，相比于EHL，NEHL-2中C、O元素含量略有下降，而N元素的含量明显增加，从原来的2.18%增加到7.92%，进一步证实了通过Mannich反应，胺基已经被成功接枝到EHL上。

表1  EHL和NEHL-2的元素含量

Table 1  Element content of EHL and NEHL-2 ( % )

样品名称	C	N	O
EHL	74.2	2.18	23.6
NEHL-2	71.8	7.92	20.3

2.1.3　SEM分析

利用SEM进一步探究EHL胺化改性前后的形貌特征，结果如图3所示。从图3可以看出，EHL结构密实，表面孔隙少，且附着有许多小块片状颗粒；而经过胺化反应之后，NEHL-2形貌结构出现了明显变化，样品表面由不规则颗粒连结而成，具有较大的比表面积。

图3  EHL和NEHL-2的SEM图

Fig. 3  SEM images of EHL and NEHL-2

2.1.4　比表面积分析

利用N₂吸附-脱附法对样品进行测试，结果如图4所示。由图4可知，EHL的N₂等温吸附-脱附曲线属于Ⅲ型，这表明EHL存有介孔或者大孔结构；而NEHL-2的N₂等温吸附-脱附曲线属于Ⅳ型，并且出现了H1型吸附滞后环，这表明NEHL具有丰富的介孔，孔径分布较为均匀，并且H1型吸附滞后环常见于尺寸较均匀的球形颗粒聚集体材料^[30]，这与在SEM观察到结果相一致。比表面积测试结果显示，EHL的比表面积仅为1.009 5 m²/g，而经过胺化改性后，NEHL-2的比表面积可达4.973 0 m²/g，是原来的5倍左右。NEHL比表面积、孔体积和平均孔径均优于EHL，表明酶解木质素胺化成功，同时多孔的物理结构有利于染料的吸附。

图4  EHL和NEHL-2的N₂吸附-脱附测试

Fig. 4  N₂ adsorption and desorption tests for EHL and NEHL-2

表2  EHL和NEHL-2的BET数据

Table 2  BET data for EHL and NEHL-2

样品名称	比表面积/(m²·g-1)	孔体积/(cm³·g-1)	平均孔径/nm
EHL	1.009 5	0.002 650	12.345 8
NEHL-2	4.973 0	0.022 203	17.858 5

综上所述，本研究通过Mannich胺化反应，可在EHL中有效引入胺基官能团和其他亲水官能团（图5），同时测试得到EHL水接触角为135.6°，NEHL-2水接触角降低至87.0°，降低了35.9%，因此NEHL具有更大的比表面积，亲水性增强，有利于与染料分子的结合，从而提升其吸附性能。

图5  EHL和NEHL-2的水接触角

Fig. 5  Water contact angle of EHL and NEHL-2

2.2　吸附性能

2.2.1　NEHL添加量对CR吸附性能的影响

图6(a)为EHL和不同甲醛/乙二胺体积比制备的NEHL的CR去除率（CR初始质量浓度500 mg/L）。从图6(a)可以看出，3种NEHL的吸附性能与单纯EHL材料相比均有了较大的提高。

图6  NEHL种类及添加量对吸附吸附性能的影响

Fig. 6  Effects of NEHL species and dosage on adsorption property

NEHL-2对CR的吸附效果最好，CR去除率为94.8%，是EHL的2.8倍，表明其胺化改性效果最好，因此后续表征以NEHL-2为吸附剂。图6(b)为NEHL-2添加量对CR吸附性能的影响，吸附性能测试条件为吸附剂用量0.03~0.11 g，CR初始质量浓度100 mg/L，pH值=7，吸附温度25 ℃，吸附时间75 min。由图6(b)可知，在相同的初始质量浓度下，当NEHL-2添加量为0.05 g时，CR去除效果最好，去除率为98.7%，表明吸附剂的添加量会影响其对染料的吸附效果。随着NEHL-2添加量的增加，染料吸附量呈先升后降的趋势，这是由于随着NEHL-2添加量的增加，单位质量吸附剂对染料的吸附量会有所降低。

2.2.2　吸附时间和染料初始质量浓度对CR吸附性能的影响

达到吸附平衡的时间是评价吸附剂优劣的因素之一。本节设置了0、15、30、45、60、75 min 6组对照实验（NEHL-2添加量0.05 g，其余吸附性能测试条件与2.2.1相同），对吸附后的CR溶液进行吸光度测量，计算每组样品CR的剩余浓度，得到CR吸附量随时间的变化关系（图7(a)）。由图7(a)可知，吸附量随时间的延长先快速增大后保持恒定。吸附前15 min内，吸附量快速增加，这是因为吸附初期NEHL-2上含有大量CR的结合位点，随着吸附时间的延长，吸附剂与吸附质逐渐结合充分，吸附剂表面的吸附位点逐渐被占据，二者之间的浓度差也越来越小，使吸附量的增长速率降低。因此当吸附15 min后，CR的吸附量稳定在199.38 mg/g。上述研究表明，NEHL-2作为吸附剂时，CR的平衡吸附时间为15 min，吸附速率较快，实际应用性较高。由图7(b)知，在相同吸附性能测试条件下，随着CR初始质量浓度不断增加，单位质量吸附剂的吸附量虽然也在不断增长，但上升趋势逐渐平缓。当CR初始质量浓度为1 700 mg/L时，吸附量可达2 444.82 mg/g，表明NEHL-2具有较高的吸附性能。同时对比其他研究吸附剂，NEHL-2性能优异（表3）。

图7  吸附时间及CR初始浓度对吸附性能的影响

Fig. 7  Effects of adsorption time and CR initial concentration on adsorption property

表3  不同吸附剂对CR吸附性能的比较

Table 3  Comparison of CR adsorption properties of different adsorbents

吸附剂种类	吸附量/（mg·g-1）	参考文献
颗粒活性炭	9.1	[31]
磁性埃洛石纳米管	41.5	[32]
分层多孔ZnO	334.0	[33]
羧甲基纤维素活性炭	1 799.5	[34]
多孔壳聚糖/羧甲基纤维素-PEG水凝胶	1 053.9	[35]
多孔金属-有机骨架-丙烯酰胺-壳聚糖复合气凝胶	2 086.4	[36]
多孔Fe(OH)3 @纤维素杂化纤维	689.7	[37]
NEHL-2	2 444.82	本研究

2.3　吸附动力学和吸附等温线

为了更好地探究吸附剂吸附CR的吸附机理，本研究采用2种吸附动力学模型对实验数据进行拟合：准一级和准二级动力学模型。准一级动力学模型（式(3)）假设吸附反应速率仅取决于溶液中吸附剂的浓度，而不取决于吸附剂的表面浓度，主要应用于描述液相吸附和物理吸附。准二级动力学模型（式(4)）假设吸附反应速率与吸附物质和吸附剂的表面浓度有关，与准一级动力学模型不同的是，其吸附反应速率主要是由吸附物质和吸附剂之间的化学键形成和断开，以及电子得失引起的化学吸附决定。

$$q_t=q_e\left(\mathrm{1}-{\mathrm{e}}^{-k_{\mathrm{1}}t}\right)$$

（3）

$$q_t=\frac{k_{\mathrm{2}}{q}_{\mathrm{e}}^{\mathrm{2}}t}{\mathrm{1}+k_{\mathrm{2}}{q}_{\mathrm{e}}t}$$

（4）

式中，t为吸附时间，min；q_t为吸附t时刻的吸附量，mg/g；k₁为准一级动力学模型的吸附速率常数，即单位时间内CR分子从溶液中吸附到表面的速率，min^-1；k₂为准二级动力学模型的吸附速率常数，即单位时间内CR分子与表面吸附位点的相互作用速率，min^-1。

NEHL-2吸附CR的准一级、准二级动力学模型拟合结果如图8(a)和表4所示。由图8(a)和表4可知，与准一级动力学R²=0.999 6相比，准二级动力学R²=0.999 8能够更好地模拟NEHL-2对CR的吸附过程。可以说明NEHL-2对CR的吸附速率与吸附质和吸附剂有关，吸附过程主要为化学吸附。说明改性后，NEHL-2表面接枝的—NH₂能够提高氢键的作用，并能够提供孤对电子，形成配位键，提高吸附性能。

图8  NEHL-2吸附CR的动力学、等温线模型

Fig. 8  Kinetic and isotherm models of CR adsorption by NEHL-2

表4  不同吸附动力学模型参数拟合数据

Table 4  Parameters fitting data of different adsorption kinetic model parameters

动力学模型	参数	数值
准一级动力学模型	k1 /min-1	0.287 76
	qe/（mg·g-1）	198.081 01
	R2	0.999 6
准一级动力学模型	k2 /min-1	0.012 86
	qe/（mg·g-1）	199.873 55
	R2	0.999 8

为了进一步探究吸附剂吸附CR的吸附机理，本研究采用Langmuir和Freundlich 2种等温吸附模型对吸附数据进行拟合。Langmuir模型（式(5)）是基于活性位点分布均匀，吸附剂分子之间不存在相互作用，吸附是可逆的假设。Freundlich模型（式(6)）是基于吸附位点分布不均匀，吸附剂分子之间存在相互作用，吸附是可逆的假设。

$$q_{\mathrm{e}}=\frac{q_{\mathrm{m}}{k}_{\mathrm{L}}{c}_{\mathrm{e}}}{\mathrm{1}+k_{\mathrm{L}}{c}_{\mathrm{e}}}$$

（5）

$$\mathrm{l}\mathrm{g}{q}_{\mathrm{e}}=\mathrm{l}\mathrm{g}{k}_{\mathrm{F}}+\frac{\mathrm{l}\mathrm{g}{c}_{\mathrm{e}}}{n}$$

（6）

式中，q_m为最大吸附量，mg/g；c_e为达到平衡吸附后的CR浓度，mg/L；k_L和k_F分别为Langmuir吸附常数和Freundlich吸附常数。

图8(b)显示了NEHL-2吸附CR的Langmuir和Freundlich等温吸附曲线，R²分别为0.986 8、0.897 12（表5），分析表明，Langmuir等温吸附模型对吸附过程拟合较好。由此可以推断，吸附过程是均匀的、在NEHL-2表面发生的单层吸附，同时其具有不同的吸附位点和不同的吸附能力。

表5  NEHL吸附CR等温吸附模型参数拟合数据

Table 5  Parameters fitting data of isotherm model of CR adsorption by NEHL

等温吸附模型	参数	数值
Langmuir	kL/（L·mg-1）	0.013 89
	qm/（mg·g-1)	2 654.473 03
	R2	0.986 8
Freundlich	kF/（mg·g-1）	318.400 72
	n	-0.360 63
	R2	0.897 12

2.4　吸附机理探究

图9为NEHL-2吸附CR前后的FT-IR谱图。如图9所示，NEHL-2吸附CR后，峰变宽且向低波数移动（3 364 cm^-1处），表明NEHL-2的羟基与染料分子的胺基之间形成了氢键^[37]。同时，NEHL-2的N—H弯曲振动峰（1 600和2 931 cm^-1处）值的减弱，表明NEHL-2表面的带电基团与阴离子CR染料中的带电基团之间存在静电相互作用^[38]。同时，出现在1 371、1 214和1 040 cm^-1处的吸附峰，分别是S—O伸缩振动峰、—SO₃不对称伸缩振动峰和—SO₃对称伸缩振动峰，进一步确认了CR成功吸附^[39-40]。

图9  NEHL-2吸附CR前后的FT-IR谱图

Fig. 9  FT-IR spectra before and after NEHL-2 adsorption of CR

因此，CR的吸附机理可归结于：①NEHL中质子化胺基与CR中的阴离子磺酸盐之间的静电吸引；②NEHL和CR的质子化胺基与NEHL和CR的芳香环之间的阳离子NH-π相互作用；③NEHL的胺或羟基与CR中的胺、偶氮或磺酸基团之间的氢键相互作用；④NEHL和CR的芳环之间的π-π相互作用（图10）。

图10  NEHL吸附CR的机理

Fig 10  Mechanism of adsorption of CR by NEHL

3 结论

本研究主要以酶解木质素（EHL）为原料，通过Mannich反应对其进行胺化改性，制备胺化酶解木质素（NEHL），用于刚果红（CR）染料的高效吸附。

3.1 通过红外光谱、X射线能谱和表面形貌分析，表明胺基被成功接枝到EHL上，同时NEHL整体由不规则颗粒连结而成，具有较大的比表面积，使得NEHL具有更好的吸附性能。

3.2 通过吸附实验，得出NEHL能在水中快速吸附CR，并表现出较高的CR去除率，CR吸附遵循准二级动力学、Langmuir等温吸附模型，CR饱和吸附量为2 444.82 mg/g。CR的吸附机理主要涉及静电、氢键、NH-π和π-π相互作用。