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氧化还原介体加速偶氮染料降解研究

氧化还原介体加速偶氮染料降解研究. 郭建博 副教授. 13463986108. jianbguo@163.com. 9th AGM in Salford University, Great Manchester. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 研究背景. 介体加速机理研究. 醌基修饰载体加速作用及机理研究. 固定化蒽醌加速作用研究. 致 谢. 蒽醌染料中间体加速作用研究. 报 告 目 录. 一、研 究 背 景. ● ● ● ● ●. 染料中间体生产. 染料生产. 染料使用. 水质特征. 废水.

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氧化还原介体加速偶氮染料降解研究

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Presentation Transcript

  1. 氧化还原介体加速偶氮染料降解研究 郭建博 副教授 13463986108 jianbguo@163.com 9th AGM in Salford University, Great Manchester

  2. 1 2 3 4 5 6 研究背景 介体加速机理研究 醌基修饰载体加速作用及机理研究 固定化蒽醌加速作用研究 致 谢 蒽醌染料中间体加速作用研究 报 告 目 录

  3. 一、研 究 背 景 ● ● ● ● ● 染料中间体生产 染料生产 染料使用 水质特征 废水

  4. 一、研 究 背 景 传统生物法 生物法 生物膜 生物强化法 吸附沉降法 深井灌注法 主要处理方法 物理法 膜分离法 辐射法 超滤法 氧化法 化学法 电解法 焚烧法

  5. 一、研 究 背 景 氧化还原介体是指能加速初级电子供体的电子向最终电子受体传递的化合物，可以使脱色速率提高一到几个数量级。氧化还原介体在酶的作用下会形成活性高且有一定稳定性的中间体，这些活性中间体能从底物中获得氢质子传递给偶氮染料从而使偶氮染料降解。这说明氧化还原介体对染料的降解起到介导作用。已有的研究表明，有效的介体是一些带有醌类基团的化合物。 生物强化法

  6. 一、研 究 背 景 氧化还原介体研究进展及存在问题： （1）目前研究集中在水溶性氧化还原介体 成本高 二次污染 （2）非水溶性氧化还原介体刚起步，且进展慢 Guo Jianbo. Biodegradation of Azo Dyes (one chapter: Decolorization and Degradation of azo dyes by redox mediator systems with bacteria), Springer (2009)

  7. 一、研 究 背 景 二次污染 水溶性醌类化合物 成本高 溴氨酸 蒽醌染料中间体 其他蒽醌染料中间体 醌类化合物（固定化） 非水溶性醌类化合物 功能生物载体

  8. 二、蒽醌染料中间体加速作用研究 图1 蒽醌染料中间体化合物的化学结构分子式

  9. 二、蒽醌染料中间体加速作用研究 图2 不同浓度的溴氨酸对K-2BP降解速率的影响(K-2BP, 100 mg L-1)

  10. 二、蒽醌染料中间体加速作用研究 图 3 染料生物降解的ORP和降解率曲线(0.05% BAA) (■: 脱色率 (15% NaCl); ◊: ORP (15% NaCl); ♦:脱色率 (15% NaCl+0.05% BA); □:ORP (15% NaCl+0.05% BA))

  11. 二、蒽醌染料中间体加速作用研究 表1 溴氨酸对不同偶氮染料脱色的促进作用

  12. 二、蒽醌染料中间体加速作用研究 表2 其他蒽醌染料中间体对K-2BP脱色速率的影响

  13. 二、蒽醌染料中间体加速作用研究 结论 (1) 溴氨酸可提高K-2BP生物厌氧脱色速率1.5-5倍和降低脱色过程氧化还原电位-10 ~ -15 mV，可以达到以废治废的目的。 (2) 溴氨酸作为氧化还原介体对偶氮染料脱色的促进作用具有一定的广谱性，对所选用的其它5种偶氮染料的脱色具有不同程度的促进作用。 (3)所选的其它蒽醌染料中间体对K-2BP的脱色都具有促进作用。 以上结果表明这种以蒽醌染料中间体作氧化还原介体促进偶氮染料脱色的系统在废水脱色中的广泛适用性，从而为偶氮染料厌氧生物降解提供了新思路和新技术基础。 Biodegradation,2008,19：15-19，(SCI)

  14. 三、固定化蒽醌加速作用研究 表2 4种包埋固定化方法的比较

  15. 三、固定化蒽醌加速作用研究 图 4固定化蒽醌内部形态

  16. 三、固定化蒽醌加速作用研究 图5 不同条件下K-2BP的降解 图6 固定化蒽醌循环使用加速影响

  17. 三、固定化蒽醌加速作用研究 表3 固定化蒽醌对不同偶氮染料降解加速作用（降解速率 (mg g –1 h-1) 注: 1：耐盐菌; 2: 耐盐菌+无醌海藻酸钙球; 3: 耐盐菌+蒽醌海藻酸钙球(100); 4: 耐盐菌+蒽醌海藻酸钙球(200).

  18. 三、固定化蒽醌加速作用研究 图7 K-2BP生物降解的ORP和降解率曲线 (0.05% AQ)

  19. 三、固定化蒽醌加速作用研究 结论 (1)固定化蒽醌对偶氮染料具有加速作用，且加速作用具有一定的广谱性； (2)固定化蒽醌系统具有一定程度的抗氧冲击能力； (3)固定化蒽醌对染料脱色具有促进作用，使氧化还原电位降低-10至-15 mV。 (4)固定化蒽醌技术可作为偶氮染料厌氧脱色过程的调控手段，强化系统的脱色能力。 Water Research, 2007,41 (2):426 – 432, (SCI)

  20. 三、固定化蒽醌加速作用研究 结论 (1)固定化蒽醌对偶氮染料具有加速作用，且加速作用具有一定的广谱性； (2)固定化蒽醌系统具有一定程度的抗氧冲击能力； (3)固定化蒽醌对染料脱色具有促进作用，使氧化还原电位降低-10至-15 mV。 (4)固定化蒽醌技术可作为偶氮染料厌氧脱色过程的调控手段，强化系统的脱色能力。 Water Research, 2007,41 (2):426 – 432, (SCI)

  21. 四、醌基修饰载体加速作用研究 醌基修饰载体的制备 载体的选择 氧化还原介体的选择

  22. 四、醌基修饰载体加速作用研究 选用的蒽醌染料包括分散翠蓝S-GL、分散红3B、分散紫HFRL、分散蓝2BLN，结构如图所示。 实验载体包括涤纶布、化纤填料和醛化丝三种。 图8 化合物的化学结构分子式

  23. 四、醌基修饰载体加速作用研究 图9 the effect of different redox mediators on the GR decolorization rate ■: Disperse Turquoise blue S-GL; ♦: Disperse Violet HFRL; ▲: Disperse blue2BLN; □: Disperse red 3B; ◊: Control

  24. 四、醌基修饰载体加速作用研究 图10 the decolorization effect of acid red GR by functional bio-carrier ♦: terylene fiber modified by Disperse Turquoise blue S-GL▲; cotton textile modified by Disperse Turquoise blue S-GL; □: terylene fiber; ◊: cotton textile

  25. 四、醌基修饰载体加速作用研究 图11 Decolorization of acid red GR and ORP profiles by the strain GYW under aerobic, anoxic and anaerobic conditions. (▲:Decolorization of acid red GR (the bacteria with non-modified bio-carrier); ○: ORP (the bacteria with functional bio-carrier);●: Decolorization of acid red GR (the bacteria with functional bio-carrie); △:ORP (the bacteria with non-modified bio-carrier)

  26. 四、醌基修饰载体加速作用研究 图12 accelerating effect of functional bio-carrier on the decolorization of 10 azo dyes

  27. 四、醌基修饰载体加速作用研究 图13 Decolorization of acid red GR with repeated batch cycles ■: First cycle; ▲: Second cycle;●: Third cycle; ♦ : Fourth cycle

  28. 四、醌基修饰载体加速作用研究 结论 (1)在所选用的染料和载体中，分散翠蓝S-GL和涤纶布为制备醌基修饰载体的最佳组合； (2)醌基修饰载体可显著提高偶氮染料的脱色速率1.5~2倍和降低ORP 80mV左右； (3)醌基修饰载体对加速偶氮染料降解具有一定的广谱性。 Water Research,（submitted)

  29. 加速机理 五、介体加速染料降解的机理研究 电化学 生物学 氧化还原电位 系列组合

  30. 一个质子位移点，相关 的自由能差值（△G0΄） 必须超过44 kJ 辅酶NADH 的标准ORP值是 -320mV 供体氧化还原对的 ORP必须小（更负）于 受体氧化还原对的电位 偶氮染料厌氧脱色 是关键酶偶氮还原 酶和辅酶协同作用 的结果 △G0΄=-2F·△E0΄, 其中F=96.6 kJ /（V·mol） ORP是偶氮染料生物 厌氧脱色过程中一个 很重要的控制参数 偶氮还原酶的理 论活性范围可能在 -93mV至-320mV间

  31. 五、介体加速染料降解的机理研究 酶+NADH+染料 图14 粗酶的不同组合对染料降解的影响

  32. 五、介体加速染料降解的机理研究 图15 醌基修饰载体催化偶氮染料厌氧生物降解示意图

  33. 致 谢 感谢国家自然基金（50978082）河北省自然基金（ E200700063)的支持！ 感谢所有参与此项工作的同仁和同学！

  34. 致 谢 谢谢！ 请指导和提出宝贵意见！

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