摘 要

本文采用从新鲜菠菜提取光合氧化酶粗酶，利用考马斯亮蓝法检测提取的总蛋白含量，并采用两种方法对其进行固定化处理，在白炽灯光照射下检测固定化酶对甲苯的降解效果。结果表明：经壳聚糖与海藻酸钠共同处理固定的光合氧化酶对气相甲苯具有一定程度的降解作用，但效果不明显，且未对降解物进行分析，需要作进一步研究。本论文为挥发性有机气体的处理提供了新的设想与方法。

关键词：光合氧化酶；甲苯；降解作用；固定化

Abstract

In this paper, the protein content of the photosynthetic oxidase was extracted from fresh spinach, and the total protein content was detected by Coomassie brilliant blue. Two methods were used to immobilize it. The results of the degradation of toluene by immobilized enzyme under the incandescent light light showed that the photosynthetic oxidase immobilized by chitosan and sodium alginate was the same. Benzene has a certain degree of degradation, but the effect is not obvious, and no degradation products are analyzed. Further research is needed. This paper provides new ideas and methods for the treatment of volatile organic compounds.

Key Words：photosynthetic enzyme；toluene；degradation；immobilization

目 录

1 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 酶的固定化选择 3

2 材料与方法 8

2.1 材料与仪器 8

2.2 主要内容 9

2.2.1 酶的制备 9

2.2.2 酶的固定与检测 9

2.2.3 甲苯清除试验 10

3 结果与分析 11

3.1 酶的制备及固定化结果 11

3.2 甲苯清除效果分析 12

3.3 误差分析 14

4 结论 15

参考文献 16

致 谢 18

1绪论

1.1 选题背景

BTX ( 苯、甲苯、二甲苯 ) 三种化学药品皆是在工业上广泛使用到的溶剂或者是原料，但是BTX的沸点分布在70°C到120°C之间,因而在使用的过程中容易挥发，产生挥发性有机气体(Volatile Organic Compound,VOCs)^[1]。随着环保问题的日益突出^[2][3]，政府对于空气中VOCs的容许量也在逐年降低, VOCs的危害^[4]主要表现在以下几个方面：

1)气味或其他刺激性气味对身体的感官有刺激作用。一些多环芳烃、芳香族胺树脂化合物、醛和亚硝胺对机体具有致癌作用，一些芳香族胺、醛、卤烷及其衍生物和氯乙烯对机体具有诱变作用。当空气中存在丙酮、丙烯醛、丙酮、苯酚等有毒物质时，有毒物质的联合作用会使危害更大。

2)氮氧化物、碳碳化合物和氧化剂在阳光下，由于光化学反应而产生光化学烟雾，对人体的健康有很大影响与危害;光化学烟雾中所含有的臭氧、硝酸盐、醛等会刺激人的眼睛和呼吸系统。

3)卤代烃会破坏臭氧层，直接或间接危害动植物的生命和生长，与此同时，在卤代烃的转移和转化过程中更是会产生许多间接危害。

对于挥发性有机气体，传统的净化方法分为两类,它主要分为对气体的分子结构进行破坏,以实现清除降解的目的,如燃烧,但它需要高温、高压的反应条件,设备复杂,能耗大,在反应过程中易产生二次污染;另一种属于非破坏性方法，例如通过吸附回收。吸附法使用的吸附剂的容量有限，吸附剂的后续处理复杂，吸附剂的需求量也过大，处理成本较高。该法也存在着不足之处，对于工业有机废气浓度在5000mg/m3以下时回收率很低。

此外，近些年来发展起来的纯化方法还有冷凝法和膜分离法。

1)燃烧法

燃烧是一种利用挥发性有机物具有燃烧性质的处理方法。挥发性有机化合物气体与过量的空气一同进入燃烧室，在高温条件中完全燃烧干净，避免了燃烧不完全所产生的有毒有害挥发性有机化合物中间产物。常用的燃烧方法包括直接燃烧、热燃烧和催化燃烧。通常根据气体的温度、流量、成分和进出口浓度来选择相应的燃烧方式。高温燃烧可以快速、彻底去除有害废气，但需要消耗大量燃料，可能产生氮氧化物污染。催化剂的使用和热回收可以降低燃烧成本，但操作和维护成本也相应增加。

2)吸附法

吸附方法采用活性炭和分子筛吸附废气中的有害物质并吸附。吸附过程简单，可回收，但吸附失败，不可再生的凝析液会造成二次污染。当吸附剂不可再生或处理高浓度VOCs气体时，处理成本较高。

3)冷凝法

冷凝法是将废气冷却，使有害物质凝结成液体或固体，从而完成分离。VOCs的回收率很高，但处理量小。理论上，所有气态的挥发性有机物都可以通过冷凝来回收。然而，很难达到某些物质凝结所需的低温温度。在温度限制下，废气浓度很难达到排放标准。同时蒸汽在蒸汽中存在，在冷凝过程中需要连续的除霜操作。冷凝装置也具有燃烧和爆炸的潜力，大部分VOCs入口浓度较低，低于最小爆炸极限浓度，冷凝后浓度高于爆炸极限浓度。因此，冷凝器需要处理，特别是当两个极限在它们之间时。一般来说，在VOCs污染控制中很少使用冷凝。它常与吸附、吸收、燃烧等方法相结合来处理高浓度的VOCs。

4)膜分离方法

膜分离技术是一种利用半渗透聚合物薄膜的方法。膜分离法在挥发性有机物浓度很高时(1000Oppm) 是一种可行的方法。膜分离过程通常由压缩冷凝和膜分离两部分组成。冷凝后，气体进入膜分离模块，未冷凝的有机气体通过半透膜进行分离。膜分离方法可以用来处理多种污染物，包括苯、甲苯、二甲苯、三氯乙烯、溴代甲烷、二氯甲烷、氯乙烯等。膜分离工艺可用于净化低沸点有机化合物和活性炭低吸附的氯代有机化合物。它优于炭吸附，因为它不需要解吸和进一步处理富集气体。该技术最初应用浓度大于1%，风量小于350m3/h的环境。改进后，可应用于更广泛的VOCs浓度和气体流量范围。但膜分离需要经过多级净化，存在设备复杂、能耗大等问题。

由于挥发性有机化合物的组成成分众多，每种成分的特点以及处理条件各不相同，各种成分的处理由于反应条件以及成本、应用范围的不同，各组分间的相互影响。要想实现清洁生产，可持续发展的目标，就需要通过对处理方法的各种条件加以优化，争取做到少投入，大产出，形成一条可良性发展的道路，这是目前对于VOCs的清除发展的主要方向。在这过程中人们发展了三种方案：(1)光催化氧化法 光催化氧化是使用人工紫外线灯管产生的紫外光作为能源来活化光催化剂，驱动挥发性有机气体的氧化还原反应。该反应过程的最大特点是并不需要消耗所使用的光催化剂，只是利用空气中的氧作为氧化剂，持续不断地催化降解有毒有害废臭气体。因为光催化氧化完全氧化挥发性有机气体生成无毒无害的二氧化碳以及水这类物质，不会产生任何二次污染，具备了可实际操作的条件。这种方法引起了人们的关注，将其不断发展，逐渐成为净化室内环境中的热点研究方案。然而此方法也存在着催化剂难以制备，成本高的问题。（2）低温等离子体技术 制药、印刷、印染、制造、化工、化纤等行业产生大量的VOCs，因为传统方法如吸附、冷凝和燃烧,很难实现的低浓度挥发性有机化合物的净化降解,而光催化降解VOCs也是需要一种催化剂然而催化剂失效。利用低温等离子体处理VOCs不受上述条件的限制，低温等离子体对污染物的降解是利用这些活性粒子，如高能电子、自由基等活性粒子，在很短的时间内分解污染物，并进行后续反应，达到污染物降解的目的，具有潜在的优势。（3）生物法 它因为无需其他其他繁琐的辅助措施，同时能够在常温常压下操作，简单快捷，因而具备运营成本低的特点，又因其具备去除效果好、安全性能好高、无二次污染等优点，所以它在低浓度、易降解VOCs的处理方面具有广阔的应用前景。VOC的生物净化法包含直接微生物净化法、间接微生物处理法(先使用水进行吸收再对废水进行生物处理)及植物净化法这几种。直接生物净化有生物吸收池、生物洗涤池、生物滴流过滤器和生物滤池。处理效果好，操作方便，生物滤池成熟，应用广泛。间接生物处理方法是先采用水或弱碱性溶液对VOCs进行吸收处理，由于醇类和醛类可溶于水，可以先行去除一部分挥发性有机气体，再对吸收后的废水经过生物降解，使废水达到国家规定的排放标准。应用生物法对低浓度工业废气的净化和降解在中国将产生明显的环境效益、社会效益。如减少低浓度工业废水中所存在的污染气体,减少由于异味废气的排放而产生的不和谐事件,同时降低企业的环境排放负荷,从而有效的保护城市生活、生产环境。同时，随着技术的普及和应用，有望形成相关的环保产业，促进相关产业的发展。

其中甲苯因其高毒性、致癌性和环境持续性等特点作为室内 VOCs 中含量较高且具有代表性的组分之一^[5]，甲苯和二甲苯对人体的危害主要是表现在中枢神经系统的影响、呼吸道和皮肤所产生的刺激作用。因其二者化学性质相似，在涂料中常相互取代使用，对人体的危害也呈相加作用，导致各种疾病的发作。甲苯属于难降解的有机物，在对其降解的研究一直不断，其中去除VOCs使用各种催化剂催化氧化的控制技术逐渐受到重视^[6]。目前，在甲苯催化氧化方面的研究也比较多，但多处于液相或是高浓度环境中，虽然效果不错，但是对于气相较低浓度的甲苯处理方法比较有限。植物净化法作为其中一种方法，其主要方法为通过大范围增加绿化面积,利用绿色植物的特性，大气中的污染物被植物吸收和转化，最终生成无毒无害的物质。这种方法适用于大环境中低浓度挥发性有机气体的污染处理，不过该法处理量小且耗时长，同时对于环境有一定要求，不太适宜工厂或者室内的应用。植物光合氧化酶系统具有强大的氧化功能，很有应用于挥发性有机气体降解的前景，作为光催化法和生物法的结合，因为生物酶具有识别、捉底物功能，适合于低浓度污染物的清除。