磁性固定化技術在環境工程領域的研究和應用進展

方明　汪泠　徐偉

摘 要：磁性固化技術憑借自身的特點與優勢在環境工程利用中得到了廣泛地應用，并且從其應有效果來看，其具有不錯的應用前景。該文在介紹磁性固化技術種類的基礎上，對其在環境工程領域中的應用進行了介紹，僅供參考。

關鍵詞：磁性固化 環境工程 廢氣處理

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0070-02

磁性固化技術通過物理或化學方法將酶或微生物定位于磁性固化載體，待固化反應完后，通過外部磁場完成對其的分離處理，同時使酶或微生物能夠保持活性，并且可以進行多次固化，具有不錯的應用前景。

1 磁性載體的固化分類

磁性納米球是磁性固化過程中的常用載體，對其進行分類大體可以分為以下幾種。

（1）吸附法，利用物理吸附方法，將酶固定在瓊脂糖或多孔玻璃等載體上。該固定方法具有固定條件溫和、工藝簡單等諸多優點，同時其載體具有較為廣泛的選擇空間，既可以選擇人工合成的高分子材料，也可以選擇天然的高分子材料，在吸附過程中可以實現固定化和純化，失活的酶能夠再次活化，而應用的載體也能夠實現再生。

（2）共價法，支持物反映基團和分子功能基形成共價鍵，粘合十分牢固，在應用過程中具有較高的穩定性，并且很少會發生酶脫落的情況。該方法在應用過程中的主要缺點是固化和載體活化起來相對比較復雜，并且反應發生所需要的環境也十分劇烈，因此要想獲取活力較好的固定化酶，必須要對反應條件進行嚴格地控制。

（3）包埋法，在聚合物材料的微囊或格子結構中固定酶，通過這種方式有效地避免了酶蛋白釋放，而在實際操作中，在微囊或格子中仍然可以有底物落入與酶發生接觸。該方法的最大優點是操作起來相對比較容易，只是將酶分子包埋起來，不會對生物活性造成較為嚴重地破壞，但是該方法并不是適用于分子較大的底物。

（4）交聯法，對試劑進行應用，完成蛋白酶之間交聯，從而使多功能試劑與酶分子之間形成共價鍵，最終形成三向交聯網結構，酶分子不僅存在外交聯，而且也存在內交聯。在實際操作過程中添加材料上的差異會使產生的固化酶具有不同的物理性質。

2 環境工程對磁性固化技術的應用

2.1 環境檢測

免疫磁性分離技術在生物學和醫學中的應用已經十分成熟，近幾年其也被應用到環境檢測中。通過對免疫磁分離技術的應用可以從樣品中將目標微生物分離，如果在檢驗過程中與熒光免疫分析、多聚酶鏈式反應等方法合理地結合在一起，可以提高檢測極限和分離效率。

在檢測廢水大腸桿菌的含量時，可以結合三磷酸腺苷為生活和免疫磁性分離技術相結合，實驗結果顯示，檢測的整個環節時間低于60 min，并且檢測結果具有較高的精準度，因此是一種快速有效的檢測方法。部分學者在研究過程中在分離金屬離子過程中利用了一種表面被改性后的磁性納米微生物球，實驗結果顯示，在濃度為10 ng/ml，pH=4的溶液中，Cu、Co、Pb等離子能夠依照順序被提出，并且提取效率超過了90%，是一種不錯的方法。

2.2 廢氣處理

磁性固定化技術因為具有反應速度塊、密度高、產物易分離、抗毒性較強等等優點，被廣泛地應用到廢氣治理領域中。宣群等研究人員利用海藻酸鈉進行固化實驗，在對氧化亞硫酸鐵的降解率超過了97%，得到不錯的應用效果。馬艷玲等研究人員利用海藻酸鈣制定固定微生物顆粒實現對硫化氫等廢氣的凈化，通過實驗發現，硫化氫的排除率超過了90%，排除效果良好。此外，馬艷玲通過對活性炭的應用，對假單胞菌進行吸附降解油煙廢氣，通過實驗結果發現，當氣流速低于8 L/h，油煙濃度未超過100 mg/L，容積負荷處于2.5～19.0 g/m3·h，油煙的滯留時間超過30 s時，生活反應器對講解油煙的效率超過了95%，降解效果十分明顯，對油煙的處理效果明顯，并且以活性炭為填充料的反應器具有較強的抗沖擊能力，這也確保了其應用的合理性。

2.3 廢水處理

部分學者在嘗試在污水處理過程中將磁性技術與固化技術結合，將磁性物質作為酶或微生物在固化過程中的載體，通過其具有的磁場和高效分離等特點對微生物和污水進行處理，這彌補了傳統廢水處理中難以對微生物進行處理，難以將水與微生物進行分離的弊端，探索出一條處理廢水的新途徑。在對磁性納米球進行一系列地處理后，可以使其攜帶功能基團，這在一定程度上提高了載體對微生物的固載量。固定微生物附著在磁性載體上可以使其在廢水處理上的效率、速度得到提高，同時在污水處理過程中還具備磁處理所具有的優勢，也就是在存在外磁場的情況下，具有較強的磁響應，因此很容易從反應體系中將載體分離出來，具有良好的處理效果。

部分學者在磁性微球上固定辣根過氧化物酶，在固定酶過程中，酶最大固載量可以達到3.35 mg/g，在反應器中利用其對廢水（含有酚酞）進行處理，在實驗過程中對廢水的成分進行處理，通過測量，游離酶的動力學參數Km為224μmol/L，固定化酶動力學參數Vmax為371μmol/L；也有學者對磁活性污泥進行應用對奶廠生產過程中產生的廢水進行處理，主要處理廢水中的氨氮和有機物，相關實驗表明，處理率分別可以達到98%和92%，并且隨著科技的發展，處理率還會進一步提高，可見其是一種高效的處理方法；部分學者也針對功能化硅包覆介孔磁性載體固定細菌效果進行了研究，主要針對pH值、處理時間、處理溫度等因素進行分析，同時在研究過程中需要將結果與其他載體固菌效果對比。實驗結果顯示在30 ℃環境中，搖床中的振動速度為200r/min，對固菌進行24 h培養效果最佳，在城市污水處理過程中對固菌后載體進行應用，處理24 h，主要處理過程中應當在pH=7，投加量為0.5 g的最佳情況下開展，在該環境下，去除COD的量能夠超過83%，利用pH=2的HCL溶液完成酸洗后的再生載體，將其應用到城市污水處理中，處理效果仍然可以超過76%。

將磁性載體固化酶放入磁場穩定流動床反應器中，可以簡化整個體系在反應過程中的操作環節，比較適合規模化生產。通過對外部磁場的應用可以對磁性材料固定酶的運動方向和方式進行適當控制，通過該方式頂替傳統機械攪拌的方式，可以使攪拌變得更加合理，使固定化酶的催化效率得到了進一步提高。

部分學者利用納米磁粉磁化菌生物肥對屠宰場的廢水進行處理，處理結果顯示，通過對該工藝的應用，可以快速地分離磁性生物絮凝泥水混合液，在處理過程中僅需要15 min便可以完成沉淀，磁粉和磁場能夠促進微生物的新陳代謝，提高了污泥活性以及處理廢水的效果，通過大量的實驗結果進行統計分析，可以發現，利用其對屠宰場的廢水處理，對SS、COD、NH3-N 3種化學物質的去除效率分別可以達到92%、96%、87%，通過處理后的排除的水的水質遠高于排放標準，并且該工藝具有很強的抗沖擊負荷能力，具有不錯的應用前景。

3 結語

磁性固化技術因為其自身具有的特點和優勢，被廣泛地應用到生物學、醫學等多個領域中，并且對其的應用也已經逐漸趨于成熟，但是對其環境工程領域中的應用還處于發展階段。因此，加強對磁性固化技術在環境工程領域中的應用的研究，擴大其應用范圍，并且要將研究結果由實驗階段逐漸向應用階段發展，進一步改善我國的環境。

參考文獻

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