Removal of Arsenic from Kelp Polysaccharide by MIL-88A Functionalized Polyurethane
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摘要: 针对海带多糖中砷(As)高残留的问题,建立了一种高效脱除海带多糖中As的方法。首先制备来瓦希尔骨架(MIL-88A)功能化的聚氨酯泡沫(PU)复合材料,通过扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、X射线衍射谱表征MIL-88A/PU材料的形貌及表面官能团结构,再利用原子荧光光谱法考察MIL-88A/PU对As的脱除能力。结果表明,MIL-88A成功负载在PU上,MIL-88A/PU材料含有丰富的活性位点,在吸附温度为298 K,pH5.0,吸附时间为240 min时,对As(III)的最大吸附容量为107.52 mg/g。经MIL-88A/PU处理后,海带多糖中总As、无机As的去除率分别为70.43%、73.33%,而对多糖、蛋白质含量的保存率分别为90.47%、73.76%。因此,将海带多糖通过MIL-88A/PU复合材料处理,可有效降低海带多糖中的As含量,提高海带多糖的食用安全性。Abstract: This work focused on the problem of high arsenic (As) residues in kelp polysaccharides and develops an effective method for removing As from kelp polysaccharides. Lavoisier Frameworks material (MIL-88A) was assembled with Polyurethane foam (PU). Scanning electron microscopy (SEM), Fourier infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray diffraction spectroscopy (XRD) were used to characterize the morphology and surface functional group of MIL-88A/PU materials, and then atomic fluorescence spectroscopy (AFS) was used to investigate the ability of MIL-88A/PU to remove As. Results showed that MIL-88A was successfully loaded on PU, and the MIL-88A/PU possesses abundant active sites. The maximum adsorption capacity for As (III) was 107.52 mg/g when the absorption conditions maintained at 298 K, pH5.0, and 240 min. After treating by MIL-88A/PU, the amount of As in kelp polysaccharides were effectively reduced, and the removal rate of total As and inorganic As was 70.43% and 73.33%, respectively. Moreover, the preservation rates of polysaccharide and protein content in kelp polysaccharides were 90.47% and 73.76%, respectively. Remarkably, dealing kelp polysaccharides with MIL-88A/PU significantly reduced the amount of As, which would improve the economic benefit of the kelp polysaccharides.
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海带是一种褐色的大型可食用藻类,具有较高的营养价值和良好的保健功能[1-2]。海带多糖是海带深加工的主要产品之一,含有丰富的活性物质,可提高人体免疫力,具有很高的商业价值[3-4]。然而,由于近海养殖区污染加剧以及藻类本身对砷(As)富集能力较强,海带深加工产品中的As含量较高[5-6]。国际食品法典标准、欧盟法规(EC466/2001)等均未对藻类产品中的总As、无机As进行限量规定。在我国,由卫生部修订并于2005年发布的GB2762-2005《食品中污染物限量》中规定藻类(干重)无机As的限量为1.5 mg/kg。虽然最新版《食品中污染物限量》[7]删除了该规定,但As作为一类高风险重金属危害物[8],仍受到各界的广泛关注。在海带多糖加工中,如果能有效降低其中的As含量,可以显著提高海带多糖的食用安全性[9],极大地促进海带多糖相关产业的快速发展。
吸附材料在重金属脱除领域应用广泛[10]。课题组前期研究表明,石墨烯泡沫可以有效脱除汞离子[11],而基于对苯二甲酸的金属有机框架化合物(MOF)对铅离子有很好的吸附性[12]。尽管如此,这些材料均未对As展现良好的吸附能力。近期研究表明,来瓦希尔骨架材料(MIL-88A)合成温度在65 ℃左右,合成时间为12 h左右[13-14],并且所用的试剂绿色环保。Wu等[15]研究发现,MIL-88A能高效去除液体中As,其吸附性能优于多种铁基MOFs。但是MIL-88A多为颗粒状[16],尺寸较小,难以从水体中分离[17-18],易对水体造成二次污染,在一定程度上限制了MIL-88A使用。本文以海带多糖为研究对象,聚氨酯泡沫(PU)为基体,将MIL-88A嵌入其中,制备MIL-88A/PU复合吸附材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射谱(XRD)等方法表征材料,利用原子荧光光谱考察MIL-88A/PU对海带多糖中As的脱除能力。研究海带多糖中总As、无机As、多糖和蛋白质的含量变化,综合评价MIL-88A/PU在脱除海带多糖中As的应用潜力,为水产品中其他重金属脱除新材料的开发提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
海带 厦门集美农贸市场;聚醚多元醇330 江苏省海安石油化工所;4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯 烟台万华聚氨酯股份有限公司;As(III)标准溶液 国家有色金属及电子材料分析测试中心;溴化钾、三乙烯二胺、异辛酸锡、二甲基硅油、浓硫酸 西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司,均为国产分析纯。
pH 700 pH计 美国优特仪器有限公司;AFS-9130 原子荧光光度计 北京吉天仪器有限公司;SA-50 液相色谱-原子荧光联用仪 北京吉天仪器有限公司;S-4800扫描电子显微镜 日本株式会社;ALPHA II傅里叶变换红外光谱仪 德国Bruker公司;X’PertPro X射线衍射仪 荷兰帕纳科仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 MIL-88A及MIL-88A/PU的制备
将2.7 g FeCl3·6H2O溶于75 mL蒸馏水中,1.16 g富马酸溶于75 mL无水乙醇中,两种溶液混合后,于500 r/min下搅拌24 h后,置于60 ℃烘箱干燥,制得MIL-88A[19]。
参考文献[20]合成PU。将5.00 g聚醚多元醇330、0.08 g硅油、15 μL异辛酸锡、200 μL蒸馏水混合,在1000 r/min下搅拌5 min,此时混合物呈乳白色。接着将2.50 g 4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯迅速加入到上述混合物中,以1000 r/min室温搅拌30 s,此时混合液开始发泡。待泡沫高度不再变化后,将混合物转移到60 ℃烘箱,熟化24 h,合成PU。
通过原位生长法制备MIL-88A/PU[21]。将2.7 g FeCl3·6H2O溶于75 mL蒸馏水中,1.16 g富马酸溶于75 mL无水乙醇中,取1 g合成的PU,置于上述混合溶液中,500 r/min室温搅拌24 h,用蒸馏水洗去未负载的MIL-88A,烘箱中干燥,制得MIL-88A/PU。
1.2.2 测试及表征
扫描电镜(SEM)表征。剪切适量样品粘连在扫描电镜观察台上,用洗耳球吹去浮粉,然后进行真空溅射喷金处理。通过S-4800型扫描电子显微镜,在加速电压为5 kV条件下观察表面形态。
X-射线衍射(XRD)表征。用X'PertPro X-射线衍射仪进行表征。扫描范围设置为5°~90°,扫描速度为2°/min。
红外光谱(FTIR)表征。通过ALPHA II型FTIR仪在透射模式下测定。精确称取MIL-88A、PU和MIL-88A/PU各1 mg,加入100 mg 的KBr,研磨混合均匀后,在红外灯下照射10 min。然后进行压片,设置压片机压力为20 Gpa,下保持3 min。红外光谱仪进行空气空白扫描,扫描范围为400~4000 cm−1,分辨率为4 cm−1,扫描次数为32次。
1.2.3 海带多糖的制备
取5 g海带,烘干、粉碎后,置于100 mL 2%碳酸钠溶液中,加入0.5 g木瓜蛋白酶,在55 ℃水浴中反应3 h。将溶液过滤,滤液加入三倍体积的无水乙醇,醇沉12 h,取沉淀冷冻干燥后,得到海带多糖。
取10 g海带多糖,加入100 mL去离子水溶解后,根据国标法GB 5009.11-2014[22],利用原子荧光光谱法测定海带多糖中总As的含量,结果为0.2 mg/L。国标法在对总As的测定中,首先将高价的As还原为As(III),再进行As(III)的定量。因此本实验中,为了进一步分析MIL-88A/PU对海带多糖中As的脱除,选用加标后5 mg/L的As(III)海带多糖模拟溶液进行后续实验。
1.2.4 吸附指标的计算
吸附能力采用去除率公式(1)和吸附容公式(2)衡量。
(1) (2) 式中:R为脱除率(%);Q为吸附容量(mg/g),C0为吸附前溶液中金属离子的质量浓度(mg/L);Ct为吸附平衡时溶液中金属离子的质量浓度(mg/L);V为吸附液的体积(mL);m为吸附剂质量(mg);Q为吸附容量(mg/g)。
1.2.5 pH对吸附性能的影响
称取10 g海带多糖溶于水中,配制成100 mL含5 mg/L As(III)标准溶液的海带多糖模拟溶液。首先分别用醋酸-醋酸钠缓冲溶液调节pH为3、4、5、6、7、8,然后分别加入50 mg MIL-88A/PU,于500 r/min下进行磁力搅拌240 min。取上清液测定经吸附剂处理后溶液中As(III)的含量,计算去除率。
1.2.6 吸附动力学和吸附等温线的测定
取100 mL含5 mg/L As(III)的海带多糖模拟液,用醋酸-醋酸钠缓冲溶液调节pH5.0,加入50 mg MIL-88A/PU,在500 r/min下进行磁力搅拌,分别在0、5、10、20、30、60、120、180、240、300 min时测定溶液中的As(III)浓度。再利用吸附动力学模型中的拟一级、拟二级动力学模型拟合实际吸附过程,以此分析吸附时间对吸附的影响以及评价其吸附效率。
配制100 mL,质量浓度分别为2、5、10、20、50、80、100 mg/L As(III)的海带多糖模拟液,用醋酸-醋酸钠缓冲溶液分别调节pH5.0,然后,加入50 mgMIL-88A/PU,在500 r/min下进行磁力搅拌240 min。在不同温度 (298、308、318 K)下,测定MIL-88A/PU对As(III)吸附平衡时的吸附容量。将吸附的As(III)质量浓度(Ce)和吸附容量(Qe)之间建立线性关系,分别按Freundlich(公式3)和Langmuir (公式4)拟合吸附过程。
(3) (4) 式中,Qe为吸附容量(mg/g);Ce为吸附的金属离子的质量浓度(mg/L);KF(L/mg)和n为Freundlich常数;Qmax为最大吸附容量(mg/g);KL(L/mg)为Langmuir常数。
1.2.7 离子选择性
取100 mL的海带多糖模拟液8份,其中7份溶液分别加入Hg(II)、Pb(II)、Cd(II)、Cr(VI)、Mn(II)、Ni(II)、As(III)重金属离子,剩余1份溶液加入上述提及的全部重金属离子。加入后,重金属离子的质量浓度均为5 mg/L。将50 mg的MIL-88A/PU分别加入8份溶液中,调节溶液pH至5.0,在500 r/min下磁力搅拌240 min,进行单独金属离子体系和混合金属离子体系中的As(III)吸附实验。搅拌结束后,取上清液,测定经吸附剂处理后溶液中金属离子的含量,计算去除率。
1.2.8 MIL-88A/PU对海带多糖中As(III)的吸附及海带多糖主要成分的测定
取As污染超标的海带阳性样品,根据1.2.3制备海带多糖,配制得到0.1 g/L海带多糖溶液。取100 mL海带多糖溶液,调节溶液至pH5.0,加入50 mg MIL-88A/PU,在500 r/min下进行磁力搅拌240 min,上清液采用原子荧光光谱法测定As(III)的含量,结果与未加入MIL-88A/PU前的上清液As(III)含量进行比较。采用凯式定氮法测定海带多糖中蛋白质的含量,采用苯酚-硫酸法测定多糖的含量。
1.2.9 吸附剂的再生
利用0.1 mol/L盐酸洗脱液对吸附As(III)后的50 mg MIL-88A/PU洗脱10次,最后用蒸馏水洗净。利用洗脱后的MIL-88A/PU重新进行吸附实验,循环吸附8次,测定去除率。
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
2.1.1 扫描电镜(SEM)测试及元素分析
图1A是单独的MIL-88A的SEM图。可以看到MIL-88A呈结晶良好的长条型棒状结构,粗细较为均匀,长度约为700~1500 nm。图1B和图1C是不同放大倍数下MIL-88A/PU的SEM图,可以看到MIL-88A均匀紧密的覆盖在PU表面,棒状MIL-88A一端嵌入PU,一端露在外面,形成凹凸不平的表面,为吸附提供了活性位点。
图1D为吸附As(III)后MIL-88A/PU的SEM图,结果显示吸附As(III)后,MIL-88A/PU表面较吸附前更为粗糙。元素面扫描图显示(图1E~图1G),As元素均匀分布在MIL-88A/PU表面。吸附前的能量色散谱图如图1H所示,MIL-88A/PU主要由C、O和Fe组成,吸附后的谱图中出现了As元素(图1I),验证了复合材料对As的吸附。
2.1.2 红外光谱分析
图2是MIL-88A,PU,MIL-88A/PU的红外光谱图,由于MIL-88A使用二羧酸作为配体,制得的MIL-88A在1394 cm−1和1600 cm−1处的特征峰归因于羧基的对称与不对称振动。由于MIL-88A在合成过程中使用FeCl3·6H2O作为合成原料[23],因此在560 cm−1出现Fe-O化学键的特征峰。在复合材料中出现了MIL-88A的特征峰,说明MIL-88A被成功组装到PU上。
2.1.3 X射线衍射
图3是MIL-88A,PU,MIL-88A/PU的XRD图,单独的PU没有明显的晶型,呈现无规律的峰型。MIL-88A在10.2°、13.1°处有特征峰,与文献中MIL-88A的XRD特征峰位置一致[12,24],进一步验证MIL-88A的成功合成。复合材料的XRD同样出现了此特征峰,说明MIL-88A被成功负载在PU上。
2.2 溶液pH对吸附As(III)的影响
pH影响吸附剂的表面性质及重金属离子在溶液中的状态。图4表明,在pH较低和较高的情况下,MIL-88A/PU对As(III)的去除率均较低,一方面可能是由于质子化作用和静电斥力作用[25-26],降低了材料对As(III)的吸附效果,另一方面可能是过酸与过碱的条件下,破坏MIL-88A框架结构的完整性,导致去除率降低。pH较高时,As会与氢氧根离子产生氢氧化物沉淀,影响吸附效果。当pH为5.0时,MIL-88A/PU对As(III)的去除率达到最高值,因此选择最优pH为5.0。
2.3 吸附动力学分析
图5是MIL-88A/PU吸附时间与吸附容量的关系。吸附初期,MIL-88A/PU没有达到吸附平衡,吸附量随时间延长迅速增加。10 min后,吸附量仍在增长,但增长较慢,当吸附时间达到240 min时,吸附容量达到8.42 mg/g,继续延长吸附时间,吸附容量不再增加,说明240 min为饱和吸附时间。
根据拟一级和拟二级动力学方程得出的相关线性方程如图6所示。比较可得,拟二级动力学模型拟合得到的As(III)的吸附容量Qe,cal为(8.37 mg/g)与吸附平衡时的实验值Qe,exp(8.42 mg/g)更为接近。此外,拟二级动力学模型得到的拟合系数(R2=0.9989)更高,说明吸附动力学过程更吻合拟二级动力学模型,即吸附过程以化学吸附为主,即吸附以MIL-88A上的Fe3−μ3−与As(III)进行特异性结合[27]为主,吸附速率受化学吸附机理控制。
2.4 等温吸附曲线分析
利用Freundlich和Langmuir吸附模型分析MIL-88A/PU吸附As(III)的吸附机理。图7以及表1是在三种温度下,MIL-88A/PU对As的等温吸附曲线与参数。从表中可知,随着温度的升高,吸附量减少,说明吸附过程是自发放热的过程。通过表1可知,MIL-88A/PU在不同温度下对As(III)吸附的Langmuir等温吸附模型具有更高的拟合系数,所以吸附过程更符合Langmuir模型,即吸附剂表面分布均匀,吸附为单分子层吸附。通过Langmuir模型拟合的线性斜率值,可计算出最大吸附容量(Qmax)。根据计算结果,温度为298、308、318 K时,MIL-88A/PU对As的最大的吸附量分别为107.52、106.38、105.26 mg/g。结果显示,不同温度下Qmax虽有所变化,但变化量较小,说明温度对As(III)的吸附影响较小,这与Banerjee等[28]的报道一致。
表 1 MIL-88A/PU吸附As(III)的Freundlich和 Langmuir的等温吸附模型参数Table 1. Parameters for Freundlich and Langmuir adsorption isotherms models of As (III) on MIL-88A/PU温度(K) Freundlich Langmuir n KF R2 Qmax(mg/L) KL R2 As(III) 298 1.53 7.40 0.9519 107.52 0.068 0.9909 308 1.50 6.58 0.9613 106.38 0.059 0.9891 318 1.48 6.02 0.9663 105.26 0.053 0.9873 2.5 吸附离子选择性
使用单一As(III)模拟溶液与多种离子(Hg(II)、Pb(II)、Cd(II)、Cr(VI)、Mn(II)、Ni(II)、As(III))模拟溶液(浓度均为5 mg/L)。MIL-88A/PU对As(III)的脱除情况如图8所示。在As(III)溶液中,MIL-88A/PU对As(III)的去除率为91.10%,在混合溶液中,MIL-88A/PU对As(III)的去除率为89.91%,去除率没有明显变化。此外,MIL-88A/PU对模拟溶液中Cr(VI)、Mn(II)、Ni(II)、Hg(II)、Pb(II)、Cd(II)的去除率都不高,分别为16.31%、10.68%、7.65%、13.13%、12.84%、17.25%。这些结果说明在多种金属离子混合体系中,MIL-88A/PU仍可以选择性脱除As(III)。这是由于MIL-88A上的Fe3−μ3−对As(III)有更强的亲和力,而对其他离子的吸附性较弱[29]。
2.6 吸附剂的再生
MIL-88A/PU使用完后,利用0.1 mol/L盐酸洗脱液对材料进行洗脱。图9研究了MIL-88A/PU的循环使用性能。实验结果表明,MIL-88A/PU经过8个连续的吸附-解吸之后,对5 mg/mL As(III)的去除率从91.28%减少为70.11%,说明MIL-88A/PU具有一定的再生能力,可以重复利用。
实验结果表明,若单独使用MIL-88A进行吸附,搅拌过程中,溶液容易混浊,小颗粒的MIL-88A难以回收,造成吸附液的污染,而负载PU后,块状MIL-88A/PU固体易和吸附液分离,防止对吸附液的二次污染。由于MIL-88A的金属中心原子为Fe,而单纯的PU不含Fe元素,根据这一原理,实验通过计算样品煅烧后Fe含量的方法推测复合材料中MIL-88A负载量在吸附As(III)前后的损失情况。经测定,吸附As(III)前后,MIL-88A/PU灰分中Fe的含量分别为42.5%和40.3%,说明整个吸附过程中,MIL-88A/PU的损失量较少,对吸附液的污染较少。
2.7 海带多糖中As的脱除
利用As污染超标的海带阳性样品,根据1.2.3制备海带多糖,经国标法检测,海带多糖溶液中总As含量为1.86 mg/g,无机As含量为0.30 mg/g。取50 mg MIL-88A/PU,放入100 mL的0.1 g/L海带多糖溶液中,在500 r/min下,搅拌240 min,测定吸附前后海带多糖中多糖、蛋白质的含量以及无机As、总As的含量,样品进行三次平行实验。具体参数和测定结果如表2所示。从表2中可知,吸附后,海带多糖中多糖、蛋白质的保存率分别为90.47%、73.76%,MIL-88A/PU对海带多糖中营养物质的影响较小。MIL-88A/PU对总As的去除率为70.43%,无机As的去除率为73.33%。结果表明,所制备的MIL-88A/PU可以有效减少海带多糖中As的残留量,能够应用于真实样品的检测。
表 2 海带多糖经MIL-88A/PU处理后的As及营养损失情况Table 2. Nutrition loss in kelp polysaccharide after dealing with MIL-88A/PU88A/PU 吸附前 吸附后 保存率(%) 去除率(%) RSD(%)(n=3) 多糖含量(%) 8.50 7.69 90.47±3.71 − 4.10 蛋白质含量(%) 10.67 7.87 73.76±1.70 − 2.30 总As(mg/g) 6.693 0.55 − 70.43±2.28 3.24 无机As(mg/g) 3.776 0.08 − 73.33±2.95 4.02 2.8 不同吸附剂的比较
我们选择已报道的脱除As的吸附剂,比较了MIL-88A/PU与这些吸附剂的Qmax值(表3)。2.4的实验结果表明,在298 K 下,MIL-88A/PU对As(III)的Qmax为107.52 mg/g,均高于表中所列的其他吸附剂的Qmax,这是由于MIL-88A暴露在水中时,其内部结构会发生一定的膨胀,增加了吸附位点,此外,MIL-88A表面的Fe3−μ3−与As具有更强的亲和力,MIL-88A与As发生了Fe-O-As键的配位作用,可有效去除水溶液中的As。
3. 结论
通过MIL-88A与PU的组装,得到MIL-88A/PU复合材料,SEM,FTIR,XRD等表征证明了MIL-88A成功负载在PU上。实验结果表明,当吸附温度为298 K,pH5.0,平衡时间为240 min时,MIL-88A/PU对As(III)的最大吸附容量为107.52 mg/g。吸附过程遵循拟二级动力学和Langmuir等温吸附模型,吸附性能良好,温度对吸附影响较小,吸附过程是自发放热,吸附主要为化学吸附和单分子层吸附。连续使用8个循环,MIL-88A/PU对As(III)的去除率仍能够保持70%以上,有较强的再生能力。MIL-88A上的Fe3−μ3−与As具有更强的亲和力,因此在多种离子混合溶液中对As具有较高的去除率。将MIL-88A/PU应用于海带多糖中As的脱除,对蛋白质、多糖的保存率分别为90.47%、73.76%,对总As的去除率为70.43%,无机As的去除率为73.33%。综上所述,MIL-88A/PU可实现海带多糖中As的有效脱除,其吸附机理可为进一步脱除其他水产品中的As提供理论参考。
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表 1 MIL-88A/PU吸附As(III)的Freundlich和 Langmuir的等温吸附模型参数
Table 1 Parameters for Freundlich and Langmuir adsorption isotherms models of As (III) on MIL-88A/PU
温度(K) Freundlich Langmuir n KF R2 Qmax(mg/L) KL R2 As(III) 298 1.53 7.40 0.9519 107.52 0.068 0.9909 308 1.50 6.58 0.9613 106.38 0.059 0.9891 318 1.48 6.02 0.9663 105.26 0.053 0.9873 表 2 海带多糖经MIL-88A/PU处理后的As及营养损失情况
Table 2 Nutrition loss in kelp polysaccharide after dealing with MIL-88A/PU
88A/PU 吸附前 吸附后 保存率(%) 去除率(%) RSD(%)(n=3) 多糖含量(%) 8.50 7.69 90.47±3.71 − 4.10 蛋白质含量(%) 10.67 7.87 73.76±1.70 − 2.30 总As(mg/g) 6.693 0.55 − 70.43±2.28 3.24 无机As(mg/g) 3.776 0.08 − 73.33±2.95 4.02 -
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