辣木蛋白絮凝净水技术研究进展

吴珍，王跃梅，周欣，张弦

（鄂尔多斯应用技术学院 化学工程系，内蒙古鄂尔多斯 017000）

絮凝是目前应用广泛的水处理工艺单元之一，多年来始终以简单方便、高效快速和运行成本低等优势活跃在水与废水处理的舞台上。其原理为通过向水中投加化学药剂（絮凝剂），水溶液/溶胶系统稳定性被破坏，污染物由于脱稳聚集成大的聚集体而得以去除。目前应用于水处理行业的主要是无机铝盐或铁盐絮凝剂，有机合成高分子絮凝剂如聚丙烯酰胺由于其单体的有毒性主要应用于工业废水和污泥的浓缩处理。此外，还有由生物提取的蛋白质、多糖类絮凝剂，但目前多处于研发阶段。

辣木（Moringa oleifera）是一种被西方科学家誉为“神奇之树”的多年生热带落叶乔木，我国云南热带作物科学研究所于2002年引进和试种，目前已在我国广西、云南、福建、四川等地广泛种植。从辣木种子经压榨后的籽粕中提取的辣木蛋白被证实具有净水活性，它不仅能显著降低水中的致浊污染物，对水中天然有机物、染料、重金属离子、藻类、寄生虫、钙镁离子等都有一定的去除效果，且絮凝后不引起水体pH和电导率的改变，污泥产量也比常规的铝盐、铁盐絮凝剂少得多。更为重要的是，采用辣木蛋白做絮凝剂不产生带有金属化合物的污泥，且不存在铝盐、聚丙烯酰胺等絮凝剂残留而引起的人类健康潜在风险。基于辣木蛋白的净水特效，以及安全、无毒副作用、易于生物降解等特性，有望替代传统无机及有机合成絮凝剂成为一种更经济、更可持续、更天然的水处理絮凝剂。

1 辣木蛋白用于水处理的研究现状

辣木的净水能力虽然是近些年在逐渐被大众发现，但实际上早在60年代一些国家和地区就有使用辣木净水的传统。人们通过经验发现辣木籽粉的水提取液就可以除去污水中的泥沙和细菌从而达到澄清水体净化水质的作用。90年代以来，人们对辣木的净水作用开展了科学研究，并发现其中起净水作用的是一种辣木蛋白。

YAMAGUCHI等[1]对辣木蛋白在水处理中的研究进展进行了综述，以“辣木”和“水处理”为关键词在Web of Science上检索2016—2020年的文献，发现其发文量呈现逐年上升趋势，且在生物质絮凝剂相关文献中占50%以上。YAMAGUCHI等认为，辣木蛋白具有丰富可用、成本低、可生物降解、无毒和多功能等特点，是一种可用于地表水处理的天然絮凝剂，可用其去除多种水污染物（如农药、染料和药物等）。TAIWO等[2]从辣木种子中提取了分子量分别为14.2 kDa和30.3 kDa的辣木蛋白，用于处理水库水，与常规化学絮凝剂（硫酸铝）相比，辣木蛋白显著降低了水的浊度（＜0.05 NTU）和有机污染物，同时使水中大肠菌群总量减少了58.18%。MAGALHÃES等[3]采用辣木蛋白去除含油废水中的油脂，得到平均油脂去除效率为82.43%±0.70%。迪卡罗[4]使用电絮凝/辣木籽吸附耦合技术处理染料废水，可以快速提高废水中染料的去除效率，酸性黑1（AB1）和碱性红2（BR2）的脱色率分别可达99.30%和94.00%。

2 辣木蛋白用于水处理的机理

目前对辣木蛋白净水活性物质有着多种解释：其中一种认为是吸附和电中和，即带正电荷的辣木蛋白通过与带负电荷的污染物通过静电吸附现象相互结合，然后通过电中和作用从而改变污染物的电荷来导致水体内产生电荷特征不同的区域，从而加剧了污染物的运动碰撞过程，得以进一步通过电中和形成较大的絮凝体最终在重力作用下沉淀下来；另一种则认为是水中的二价阳离子与该物质生成的网状结构物质从而对污染物产生网捕、卷扫作用进而得以除去水体中的污染物。

目前比较公认的是辣木种子中的净水活性成分是一种阳离子型蛋白质，等电点（pI）在10左右，分子量在6.5～14.0 kDa。而对于净水机理，GHEBREMICHAEL等[5]认为辣木提取液中带正电的活性物质与带负电颗粒在库仑力的作用下，使颗粒物间静电排斥作用减少而脱稳聚集，活性物质又通过架桥的方式与其他颗粒聚集形成更大絮凝体；NDABIGENGESERE等[6]指出，吸附电中和是絮凝的主要机制，因为提取液带正电荷是絮凝发生的先决条件；方晓敏[7]发现，分子量大于10 kDa的带酰胺基阳离子型蛋白可以改变悬浊液的电性，但单独使用时并不能使高岭土微粒聚结沉降，需要与辣木提取液中另外两种小于10 kDa的阴离子型蛋白质混合后才具有絮凝沉降作用；OKUDA等[8]则认为，辣木所含有的活性物质对浊度的去除机理既非吸附电中和，也非压缩双电层，而是水中的二价阳离子与活性物质形成的网状结构物质起到网捕、卷扫作用的结果。显然，更为清晰的辣木净水蛋白絮凝机理需要深层次的研究和探讨。

3 结语

絮凝是目前用于水中污染物去除的一种常用技术，由于絮凝涉及到水溶液化学、胶体与微界面化学、流体力学等诸多学科领域，为絮凝过程及其机理研究增加了难度，对絮凝的有关机理还未完全明确。而随着社会的发展，不断涌现的新污染物和人们对水质需求的不断提高，也为絮凝技术提出了新的机遇和挑战。

天然辣木蛋白絮凝去除水中各种污染物的研究报道表明，辣木蛋白对水中溶解性染料等小分子有机污染物的去除效果比传统铝盐、铁盐絮凝剂更胜一筹。通过实验与模型相结合，分析并论证天然辣木蛋白絮凝反应热力学及动力学参数，揭示絮凝反应机理将是今后值得探索的方向之一。