雞蛋膜負(fù)載的銀顆粒對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解研究

吳佳娜， 張紫茹， 孫 然， 馬春蕾， 唐建可， 王 琦

（1.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，太原 030008； 2.太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，太原 030008；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，太原 030006）

四環(huán)素類（TCs）物質(zhì)是世界范圍內(nèi)大量生產(chǎn)和消耗的一種抗生素［1］，因?yàn)樗鼈兙哂蟹€(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，很難被生物代謝降解，所以會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害［2-5］. 因此，研究開發(fā)出能夠高效降解四環(huán)素的材料和技術(shù)具有重要意義.

目前報(bào)道的用于降解四環(huán)素的方法有很多，如物理吸附［6］、生化處理［7］、膜超濾［8］、離子交換［9］、電泳［10］、光催化［11］、高級(jí)氧化［12-13］等. 高級(jí)氧化法是利用活性氧的強(qiáng)氧化性來氧化降解四環(huán)素的一種方法. 根據(jù)高級(jí)氧化法的原理，很多活性材料被合成并在過氧化氫的輔助下用于降解四環(huán)素［14-15］. 然而，有些活性材料的制備流程比較復(fù)雜，有些活性材料在降解后期較難分離，這些問題在一定程度上限制了它們的應(yīng)用. 為了解決上述這些問題，有的學(xué)者［16-17］利用植物纖維來制備二氧化錳活性材料并將其用于污水的處理，有的學(xué)者［18］將雞蛋膜作為一種生物模板用于染料的降解.

本研究利用雞蛋膜和銀氨溶液制備出了雞蛋膜負(fù)載的銀顆粒（Ag/ESM），并對(duì)Ag/ESM的制備條件進(jìn)行了優(yōu)化，然后根據(jù)高級(jí)氧化法的原理，研究了不同條件下Ag/ESM+H2O2對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解效果. 本研究可為鹽酸四環(huán)素的降解提供一定的參考.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)所用儀器和試劑分別列于表1和表2.

表1 實(shí)驗(yàn)儀器Tab.1 Experimental instruments

表2 實(shí)驗(yàn)試劑Tab.2 Experimental reagents

1.2 雞蛋膜負(fù)載的銀顆粒（Ag/ESM）的制備

首先取0.063 7 g硝酸銀置于燒杯中，加入少量去離子水溶解，然后向燒杯中逐滴滴加體積分?jǐn)?shù)為25%的氨水直至沉淀剛好消失，最后定容到25 mL容量瓶中即可得到濃度為15 mmol·L-1的銀氨溶液母液. 其余濃度的銀氨溶液由此銀氨溶液母液稀釋得到.

雞蛋膜洗凈后在空氣中自然晾干并切成每片質(zhì)量為5 mg的小片備用. 取一片雞蛋膜浸泡于1 mL濃度為13.5 mmol·L-1的銀氨溶液中并置于50 ℃的恒溫水浴鍋中，反應(yīng)3 h后，取出雞蛋膜并清洗干凈，然后置于紗網(wǎng)上晾干備用.

1.3 Ag/ESM制備條件的優(yōu)化

有研究［19］表明，銀顆粒具有催化分解過氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力，且產(chǎn)生的活性氧能夠與3，3’，5，5’-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）發(fā)生顯色反應(yīng)，使TMB溶液從無色變?yōu)樗{(lán)色. 本研究通過觀察不同條件下制備的Ag/ESM的顯色程度來對(duì)Ag/ESM的制備條件進(jìn)行優(yōu)化. 首先將200 μL濃度為2.5 mmol·L-1的TMB溶液和100 μL濃度為0.1 mmol·L-1的過氧化氫溶液加入到1700 μL pH=4的醋酸-醋酸鈉緩沖液中，配制成顯色反應(yīng)的底物溶液（簡(jiǎn)稱顯色溶液）. 然后，分別在不同銀氨溶液濃度（1.5、4.5、7.5、10.5、13.5 mmol·L-1）、不同反應(yīng)時(shí)間（1、2、3、4、5 h）、不同反應(yīng)溫度（20、30、40、50、60、70、80 ℃）條件下制備Ag/ESM. 最后，取一片在不同條件下制備的Ag/ESM 浸泡到顯色溶液中，在500 r/min 條件下振蕩5 min，取一定量的顯色溶液在紫外可見分光光度計(jì)中測(cè)定其在653 nm 處的吸光度（OD653），同時(shí)觀察顯色溶液的顏色并記錄拍照. OD653的值越大，表明Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能越好. 顯色溶液的顏色越深，表明Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能越好.

1.4 鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

首先將初始質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液分別稀釋成質(zhì)量濃度為0.1、0.5、1、2、4、6、8、10、20、30、40、50、60、70 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液，然后通過紫外可見分光光度計(jì)分別測(cè)定不同質(zhì)量濃度的鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），最后根據(jù)鹽酸四環(huán)素溶液的質(zhì)量濃度與OD358的關(guān)系建立鹽酸四環(huán)素（TCH）的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1所示.

圖1 TCH的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of TCH

1.5 鹽酸四環(huán)素的降解

1.5.1 不同材料對(duì)TCH降解效果的影響 首先，根據(jù)高級(jí)氧化法的原理，結(jié)合銀顆粒可催化分解過氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力，分別設(shè)置四個(gè)處理組以分析不同材料對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解效果. 四個(gè)處理組分別如下：①H2O2處理組（20 mL 濃度為0.1 mmol/L 的H2O2溶液）；②ESM 處理組（10 片雞蛋膜）；③Ag/ESM 處理組（10 片Ag/ESM）；④Ag/ESM+H2O2處理組（10 片Ag/ESM+20 mL 濃度為0.1 mmol/L 的H2O2溶液）. 然后分別向四個(gè)處理組中加入20 mL質(zhì)量濃度為50 mg·L-1的TCH溶液，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min通過紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計(jì)算鹽酸四環(huán)素的降解率.

式中：R代表鹽酸四環(huán)素的降解率，%；C0和C分別代表的是鹽酸四環(huán)素的初始質(zhì)量濃度和最終質(zhì)量濃度，mg·L-1.

1.5.2 不同H2O2濃度條件下Ag/ESM+H2O2對(duì)TCH 降解效果的影響 首先，向10 mL 質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液中分別加入40、120、200 μL 濃度為10 mol/L 的H2O2溶液并混合均勻，之后再分別加入9.96、9.88、9.8 mL去離子水，即可得到含有不同H2O2濃度（0.02、0.06、0.1 mmol/L）的質(zhì)量濃度為50 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液. 然后，取10片Ag/ESM分別浸入到上述三種溶液中，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min通過紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計(jì)算鹽酸四環(huán)素的降解率.

1.5.3 不同TCH 濃度條件下Ag/ESM+H2O2對(duì)TCH 降解效果的影響 首先，分別向2、6、10 mL 質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的鹽酸四環(huán)素溶液中加入200 μL 濃度為0.01 mol/L 的H2O2溶液并混合均勻，之后再分別加入17.8、13.8、9.8 mL去離子水，即可得到含有0.1 mmol/L H2O2的質(zhì)量濃度分別為10、30、50 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液. 然后，取10片Ag/ESM分別浸入到上述三種溶液中，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min通過紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計(jì)算鹽酸四環(huán)素的降解率.

1.5.4 不同Ag/ESM用量條件下Ag/ESM+H2O2對(duì)TCH降解效果的影響 首先，向10 mL質(zhì)量濃度為100 mg/L的鹽酸四環(huán)素溶液中加入200 μL濃度為0.01 mol/L的H2O2溶液并混合均勻，之后再加入9.8 mL去離子水，即可得到含有0.1 mmol/L H2O2的質(zhì)量濃度為50 mg/L 的鹽酸四環(huán)素溶液. 然后，分別取5、10、20 片Ag/ESM 浸入到20 mL 含有0.1 mmol/L H2O2的質(zhì)量濃度為50 mg/L 的TCH 溶液中，室溫（25 ℃）條件下持續(xù)攪拌，每隔10 min 通過紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定鹽酸四環(huán)素溶液在358 nm處的吸光度（OD358），并根據(jù)建立的鹽酸四環(huán)素標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其相應(yīng)的質(zhì)量濃度. 最后，根據(jù)公式（1）計(jì)算鹽酸四環(huán)素的降解率.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ag/ESM的合成機(jī)理和表征

雞蛋膜中的糖醛酸和糖類化合物中含有醛基［20］，當(dāng)雞蛋膜浸入到銀氨溶液中時(shí)，醛基能與銀氨溶液發(fā)生類銀鏡反應(yīng)，于是銀單質(zhì)在雞蛋膜表面生成并生長(zhǎng)為顆粒負(fù)載于雞蛋膜上. 圖2a為Ag/ESM的掃描電鏡（SEM）圖，可以看到銀顆粒均勻地負(fù)載于雞蛋膜蛋白纖維上. 圖2b為放大后的SEM圖，對(duì)比標(biāo)尺可以看出，銀顆粒的尺寸在80～160 nm之間. 圖2c是Ag/ESM的實(shí)物圖，可以看出白色的雞蛋膜變?yōu)榱俗厣?，說明銀顆粒確已生成. 圖3a為Ag/ESM材料的X射線光電子能譜圖（XPS全譜圖），由圖3a可知，Ag/ESM由碳、氧、氮、銀元素組成. 圖3b為Ag/ESM 材料的Ag 3d分譜圖，從圖中可以觀察到在368.2、374.2 eV處有兩個(gè)分峰，它們分別對(duì)應(yīng)于Ag 3d1/2和Ag 3d3/2，這表明該材料確為雞蛋膜負(fù)載的銀顆粒.

圖2 Ag/ESM的掃描電鏡圖和實(shí)物圖Fig.2 The SEM images and photo of Ag/ESM

圖3 Ag/ESM的XPS全譜圖和Ag 3d分譜圖Fig.3 The XPS full scan spectra and Ag 3d spectra of Ag/ESM

2.2 Ag/ESM制備條件的優(yōu)化

由圖4可知，隨著銀氨溶液濃度的增加，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值逐漸升高，顯色溶液的顏色也逐漸加深，說明銀氨溶液濃度越高，制備出的Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能越好.由圖5可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值呈先升高后降低的趨勢(shì)，顯色溶液的顏色則先變深后變淺，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值最大，顯色溶液的顏色最深，說明反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，制備出的Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能最佳，若反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加，制備出的Ag/ESM 的尺寸雖然有所增加，但其催化分解過氧化氫的性能反而減弱. 由圖6可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值呈先升高后降低的趨勢(shì)，顯色溶液的顏色則先變深后變淺，且在50 ℃條件下制備出的Ag/ESM催化TMB顯色后，顯色溶液OD653的值最大，顯色溶液的顏色最深，說明在50 ℃條件下制備出的Ag/ESM 催化分解過氧化氫的性能最佳，反應(yīng)溫度過高可能會(huì)使銀單質(zhì)被氧化為黑色的氧化銀，導(dǎo)致最終得到的Ag/ESM催化分解過氧化氫的性能降低. 綜上可知，Ag/ESM的最佳制備條件為：銀氨溶液濃度13.5 mmol/L、反應(yīng)溫度50 ℃、反應(yīng)時(shí)間3 h.

圖4 不同銀氨溶液濃度條件下制備的Ag/ESM催化TMB顯色的結(jié)果Fig.4 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different concentrations of Tollens

圖5 不同反應(yīng)時(shí)間條件下制備的Ag/ESM催化TMB顯色的結(jié)果Fig.5 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different reaction times

圖6 不同反應(yīng)溫度條件下制備的Ag/ESM催化TMB顯色的結(jié)果Fig.6 The results of TMB catalyzed by Ag/ESM obtained from different temperatures

2.3 不同材料對(duì)鹽酸四環(huán)素降解效果的研究

由圖7 可知，經(jīng)過3 h 降解后，H2O2處理組、ESM 處理組、Ag/ESM 處理組和Ag/ESM+H2O2處理組中鹽酸四環(huán)素（TCH）的降解率分別為10.90%、25.30%、40.12%、76.86%.由于H2O2具有強(qiáng)氧化性，因此H2O2處理組中有少量的TCH 被降解. 因?yàn)镋SM 和Ag/ESM 具有吸附作用，所以ESM 處理組和Ag/ESM 處理組中也有一定量的TCH 被降解. 當(dāng)Ag/ESM 與H2O2共存時(shí)，TCH 的降解率則大大提高，這是由于Ag/ESM 能夠催化H2O2分解產(chǎn)生大量的羥基自由基（·OH），羥基自由基的強(qiáng)氧化性則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)TCH 的高效降解. 以上結(jié)果表明，Ag/ESM+H2O2對(duì)TCH降解效果最佳，即以Ag/ESM為活性材料，在H2O2的輔助下可實(shí)現(xiàn)對(duì)TCH的高效降解.

圖7 不同材料對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解效果Fig.7 The comparison of degradation efficiencies of H2O2，ESM，Ag/ESM and Ag/ESM+H2O2 treatment

2.4 不同條件下Ag/ESM+H2O2對(duì)鹽酸四環(huán)素降解效果的研究

不同條件下Ag/ESM+H2O2對(duì)TCH 的降解效果如圖8 所示. 由圖8 a 可知，隨著Ag/ESM 用量的增加，TCH 的降解率也隨之增加. 由圖8b 可知，隨著過氧化氫濃度的增加，TCH 的降解率也隨之增加. 從圖8c可以看出，TCH 的初始質(zhì)量濃度不同時(shí)，TCH 的降解率差別不大，也就是說不同初始質(zhì)量濃度的TCH 對(duì)Ag/ESM+H2O2降解TCH的影響不大. 當(dāng)Ag/ESM 用量為20片，過氧化氫濃度為0.1 mmol/L，TCH的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，TCH的降解率最高，為81.92%，這充分說明以Ag/ESM為活性材料，在過氧化氫的輔助下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽酸四環(huán)素的高效降解. 整個(gè)降解過程完成后，雞蛋膜作為固體模板很容易從溶液中被分離出來，因此在后續(xù)除去材料方面更加簡(jiǎn)便.

圖8 不同條件下Ag/ESM+H2O2對(duì)鹽酸四環(huán)素的降解效果Fig.8 The degradation efficiencies of TCH by Ag/ESM+H2O2 in different concentrations

3 結(jié)論

1）通過類銀鏡反應(yīng)成功制備出了雞蛋膜負(fù)載的銀顆粒材料，該材料具有較好的催化分解過氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力.

2）根據(jù)高級(jí)氧化法的原理，結(jié)合生物模板易于操作的優(yōu)點(diǎn)和銀顆?？纱呋纸膺^氧化氫產(chǎn)生活性氧的能力，以Ag/ESM 為活性材料，在過氧化氫的輔助下實(shí)現(xiàn)了對(duì)鹽酸四環(huán)素的高效降解. 當(dāng)Ag/ESM 用量為20片，過氧化氫濃度為0.1 mmol/L，TCH的初始質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，TCH的降解率最高，為81.92%.

3）簡(jiǎn)單的制備方法和便捷的分離操作使得雞蛋膜負(fù)載的銀顆粒成為一種較理想的降解鹽酸四環(huán)素的活性材料.