納米復合凝膠固定化酶膜反應器去除低濃度CO-,2-的研究.pdf

1、載人航天器或潛艇等密閉空間中CO2的去除，是環(huán)控生保系統(tǒng)的重要任務之一。密閉空間中CO2去除技術首先要求裝置高效、穩(wěn)定、安全，其次是體積小、重量輕、能耗低、壽命長，以及操作和維護簡便。本論文針對上述目標，選擇對CO2具有高效催化作用的碳酸酐酶，以一種具有多孔網絡結構的聚丙烯酸一丙烯酰胺/水滑石納米復合凝膠為碳酸酐酶的固定化我體，制備納米復合凝膠固定化碳酸酐酶中空纖維膜反應器，進行密閉空氣中接近室溫條件下低濃度CO2的去除研究。主要包括以

2、下四方面的內容：
　　 (1)合適的交聯(lián)度、均勻的粒徑分布、多孔網絡結構及高吸水耐鹽性的聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石納米復合凝膠的制備。首先，采用尿素法合成了高結晶度Mg/Al水滑石；其次，對其進行了有機改性，并運用Gauss View分子模擬軟件對其改性的層狀結構進行了模擬；最后，通過原位聚合制備了聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石納米復合凝膠。結果表明，當水滑石含量為3％時，其吸水率和吸鹽水率(0.9％NaCl溶液)分別高達1100

3、g/g和145 g/g。通過冷凍掃描電鏡(CryoSEM)得到了凝膠的多孔網絡結構，并證明了網絡結構中自由水的存在。透射電鏡(TEM)的結果表明，水滑石在聚合物基體中發(fā)生了剝離，此納米復合凝膠為剝離型的納米復合材料。
　　 (2)聚丙烯酸-丙烯酰胺/水滑石納米復合凝膠用于碳酸酐酶的固定化。首先采用凝膠包埋法，直接將該凝膠用于酶的固定化。結果表明，固定化酶的最高活性回收率為90.9％，主要是由于凝膠的多孔網絡結構中包含了大量的自由

4、水，為碳酸酐酶提供了一個適合生存的微觀水環(huán)境。固定化酶的熱穩(wěn)定性也有很大提高，50℃條件下，60min后，固定化酶的活性仍保持在最初活性的65％以上。其次，為了提高固定化酶量，在DDC存在下，對凝膠進行了NHS改性，改性后的凝膠可通過包埋和共價結合作用固定化碳酸酐酶。結果表明，改性后的凝膠其固定化酶量為4.56 mg/g，相對于改性前的2.68 mg/g有很大提高。但是，由于共價結合破壞了酶的部分活性部位，使得固定化酶的活性回收率有所降

5、低，最高為76.8％。此外，還采用熒光顯微鏡得到了凝膠中碳酸酐酶的分散情況，通過CryoSEM得到了固定化前后凝膠的微觀結構變化。
　　 (3)納米復合凝膠固定化酶膜反應器的研制及去除低濃度CO2的研究。本文通過在兩股彼此獨立，但相互緊挨交錯排列的疏水性多微孔PVDF中空纖維膜的管壁外空隙中填充凝膠固定化的碳酸酐酶，設計制備了一種新型的酶膜反應器。在最佳操作條件下：0.1％CO2，20 mM、pH8.0的Tris-HCl緩沖溶液

6、，操作溫度為20℃，原料氣流量為100 ml/min，吹掃氣流量為300 ml/min，1 g納米復合凝膠，酶的濃度為1 g/l，該酶膜反應器對CO2/N2和CO2/O2的選擇性分別為820和330，CO2的滲透率為1.65×10-8 mol/(m2·s·Pa)。此外，碳酸酐酶經過納米復合凝膠固定化后，使得該酶膜反應器的熱穩(wěn)定性和運行穩(wěn)定性有了很大改善，連續(xù)運行30 h以上，該酶膜反應器仍保持著穩(wěn)定的CO2去除效率。
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7、)通過對納米復合凝膠固定化酶膜反應器促進傳遞CO2的傳質分析，建立了其傳質動力學模型，得到了該酶膜反應器中CO2的濃度分布。結果表明，模擬得到的CO2濃度分布符合CA催化CO2的傳遞機理，且實驗值與模擬結果吻合良好，能夠較真實地反映該酶膜反應器促進傳遞CO2的過程。為該酶膜反應器的進一步優(yōu)化和放大設計提供了理論依據。
　　 綜上所述，高效納米復合凝膠固定化酶膜反應器的設計，將為最終實現載人航天器和潛艇等密閉空間中CO2的高效、安