一种固定化碳酸酐酶及其在制备二氧化碳吸收剂中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种固定化碳酸酐酶及其在制备二氧化碳吸收剂中的应用，所述固定化碳酸酐酶是以碳酸酐酶为活性成分，以沸石咪唑酯骨架材料为载体，以去离子水为介质，在25

【技术实现步骤摘要】
一种固定化碳酸酐酶及其在制备二氧化碳吸收剂中的应用
(一)

[0001]本专利技术涉及一种固定化碳酸酐酶及其应用，特别涉及利用沸石咪唑酯骨架材料固定碳酸酐酶，用于促进有机胺溶液吸收二氧化碳速率的方法。
(二)
技术介绍

[0002]随着全球气候变化越来越受到关注，碳减排碳中和是当前的一个热门话题。因此，需要深入调查和进一步研究以找到可持续的解决方案。众所周知，碳捕集、利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化的关键技术之一，受到世界各国的高度重视。在CCUS目前可行的解决方案中，利用有机胺吸收CO2进行燃烧后捕集是目前最成熟、应用最广泛的技术。基于单乙醇胺(MEA)的吸收工艺是普遍可用的，但将其用于CO2捕集仍面临三大挑战，即高再生能量需求、设备腐蚀和溶剂降解。而与CO2结合较弱、吸收能力较高的三级胺(如MDEA)可以达到降低再生能量的效果，从而降低成本。但是，三级胺与CO2之间的吸收速率相对较慢，有必要提高吸收率以实现高效和经济的目标。
[0003]碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase，CA)是一种具有较高催化活性的含锌金属酶，可高效催化CO2的可逆水合，转化数为106s
‑1。因此，在吸收溶剂中加入CA酶，可以在不改变吸收剂气液平衡的情况下，显著提高吸收速率。然而，在工业废气应用的背景下，酶分子很容易失去活性。固定化技术可提高CA酶的化学稳定性和热稳定性。多种材料已被用作固定CA酶的载体，包括高分子材料(如壳聚糖、水凝胶、树脂等)和无机纳米材料(如二氧化硅、石墨烯、氧化铝等)。此外，一种叫做金属有机骨架(MOF)的新兴材料也被用于酶的固定化。鉴于MOF的拓扑结构和性质、极高的比表面积、孔体积和易修饰等特点，可为酶的固定化提供潜在支持。沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)是最常用的以锌为金属节点的材料，它具有与CA酶同源的金属。因此，以ZIFs为载体的固定化酶可有效保留酶活性及提高稳定性等特点。
(三)
技术实现思路

[0004]本专利技术目的是针对现有技术中三级胺对CO2具有高吸收容量但吸收速率慢的问题，提供一种固定化碳酸酐酶，采用沸石咪唑酯骨架材料为载体固定碳酸酐酶，提高酶稳定性，增加CO2的吸收速率，便于在反应器中使用，并为更广泛的工业应用建立竞争优势；解决了游离酶在高温，强酸或强碱溶剂和化学杂质的条件下易于失活以及三级胺吸收速率慢的问题。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提供一种固定化碳酸酐酶，所述固定化碳酸酐酶是以碳酸酐酶为活性成分，以沸石咪唑酯骨架材料(ZIF
‑
8、ZIF
‑
11和ZIF
‑
90)为载体，以去离子水为介质，在25
‑
30℃下搅拌反应1
‑
4h(优选2h)后，离心，沉淀用去离子水洗涤，在40℃下真空干燥，得到所述固定化碳酸酐酶。
[0007]进一步，所述沸石咪唑酯骨架材料与碳酸酐酶的质量比为1：0.01
‑
0.5，优选1:0.1。所述去离子水体积用量以沸石咪唑酯骨架材料质量计为0.01
‑
1.0mL/mg，优选0.2mL/
mg。
[0008]进一步，所述沸石咪唑酯骨架材料是将有机配体溶于溶剂中，然后加入六水合硝酸锌，在25
‑
100℃下反应0.5
‑
18h，随后离心、洗涤，干燥，得到沸石咪唑酯骨架材料。所述有机配体为2
‑
甲基咪唑、苯并咪唑或咪唑
‑2‑
甲醛；所述溶剂为去离子水、乙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺或甲苯与25
‑
28％氨水的混合。所述有机配体与六水合硝酸锌物质的量之比为1:0.001
‑
1.0，优选1:0.02
‑
0.7。所述溶剂体积用量以有机配体质量计为10
‑
50mL/g。
[0009]进一步，所述沸石咪唑酯骨架材料优选为ZIF
‑
8、ZIF
‑
11或ZIF
‑
90，分别按如下方法制备：(1)将2
‑
甲基咪唑溶解在去离子水中，再加入Zn(NO3)2·
6H2O溶于去离子水的溶液，混合后，在室温下搅拌30分钟，离心并用去离子水洗涤三次，在80℃下干燥，得到沸石咪唑酯骨架材料，记为ZIF
‑
8；所述2
‑
甲基咪唑与Zn(NO3)2·
6H2O物质的量之比为1:0.019；所述去离子水总体积用量以2
‑
甲基咪唑质量计为10.5mL/g；(2)将苯并咪唑溶解在乙醇中，然后在室温搅拌下加入甲苯和质量浓度25
‑
28％氨水，再加入Zn(NO3)2·
6H2O，并在室温下搅拌3小时，将混合物在40℃搅拌2h，产物离心依次用乙醇、去离子水洗涤各三次，干燥，得到沸石咪唑酯骨架材料，记为ZIF
‑
11；所述苯并咪唑与Zn(NO3)2·
6H2O物质的量之比为1:0.5；所述乙醇、甲苯与氨水总体积用量以苯并咪唑质量计为116.7mL/g，所述乙醇与甲苯和氨水体积比为1:0.62:0.007；(3)将咪唑
‑2‑
甲醛和六水合硝酸锌加热溶解在N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中，在100℃下保持18小时，将产物离心并依次用DMF、去离子水各洗涤三次，干燥，得到沸石咪唑酯骨架材料，记为ZIF
‑
90；所述咪唑
‑2‑
甲醛与六水合硝酸锌物质的量之比为1:0.7；所述N,N
‑
二甲基甲酰胺体积用量以咪唑
‑2‑
甲醛质量计为48mL/g。
[0010]进一步，所述沸石咪唑酯骨架材料和碳酸酐酶均以水溶液形式混合，所述沸石咪唑酯骨架材料水溶液浓度为5
‑
10mg/mL，优选10mg/mL，所述碳酸酐酶水溶液浓度为2
‑
5mg/mL，优选5mg/mL。
[0011]本专利技术还提供一种所述固定化碳酸酐酶在制备二氧化碳吸收剂中的应用，所述吸收剂是将固定化碳酸酐酶与有机胺和去离子水混合而成；所述有机胺为N
‑
乙基
‑1‑
(3,4
‑
亚甲二氧基苯基)
‑2‑
丙胺(MDEA)或N,N
‑
二羟乙基
‑2‑
氨基丙酸(DMCA)；所述吸收剂中，有机胺的浓度为1mol/L，固定化碳酸酐酶的浓度为0.1
‑
1.0mg/mL，优选0.6mg/mL。
[0012]进一步，所述应用的方法为：将固定化碳酸酐酶加入到有机胺水溶液中，以200rpm的转速分散均匀，在40℃下对CO2进行吸收；所述的CO2量维持反应体系在15kPa。
[0013]与现有技术相比，本专利技术有益效果主要体现在：本专利技术以沸石咪唑酯骨架材料为载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固定化碳酸酐酶，其特征在于所述固定化碳酸酐酶是以碳酸酐酶为活性成分，以沸石咪唑酯骨架材料为载体，以去离子水为介质，在25
‑
30℃下搅拌反应1
‑
4h后，离心，沉淀用去离子水洗涤，真空干燥，得到所述固定化碳酸酐酶。2.如权利要求1所述固定化碳酸酐酶，其特征在于所述沸石咪唑酯骨架材料与碳酸酐酶的质量比为1：0.01
‑
0.5。3.如权利要求1所述固定化碳酸酐酶，其特征在于所述沸石咪唑酯骨架材料是将有机配体溶于溶剂中，然后加入六水合硝酸锌，在25
‑
100℃下反应0.5
‑
18h，随后离心、洗涤，干燥，得到沸石咪唑酯骨架材料；所述有机配体为2
‑
甲基咪唑、苯并咪唑或咪唑
‑2‑
甲醛；所述溶剂为去离子水、乙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺或甲苯与25
‑
28％氨水的混合。4.如权利要求3所述固定化碳酸酐酶，其特征在于所述有机配体与六水合硝酸锌物质的量之比为1:0.001
‑
1.0；所述溶剂体积用量以有机配体质量计为10
‑
150mL/g。5.如权利要求1所述固定化碳酸酐酶，其特征在于所述沸石咪唑酯骨架材料按如下方法之一制备：(1)将2
‑
甲基咪唑溶解在去离子水中，再加入六水合硝酸锌溶于去离子水的溶液，混合后，在室温下搅拌30分钟，离心并用去离子水洗涤三次，在80℃下干燥，得到沸石咪唑酯骨架材料，记为ZIF
‑
8；所述2
‑
甲基咪唑与六水合硝酸锌物质的量之比为1:0.019；所述去离子水总体积用量以2
‑
甲基咪唑质量计为10.5mL/g；(2)将苯并咪唑溶解在乙醇中，然后在室温搅拌下加入甲苯和质量浓度25
‑
28％氨水，再加入六水合硝酸锌，并在室温下搅拌3小时，将混合物在40℃搅拌2h，产物离心依次用乙醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：张士汉，邵培静，叶杰旭，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：