CN102423697B - 一种固定化生物吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定化生物吸附剂，所述吸附剂包括黄孢原毛平革菌，所述黄孢原毛平革菌表面均匀包裹一层将其固定的载体Fe3O4纳米粒子；本发明还公开了该吸附剂的制备方法，首先在含吐温80的黄孢原毛平革菌液体培养基中添加Fe3O4纳米粒子，然后再接种黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，振荡培养，得到固定化生物吸附剂；本发明还公开了该吸附剂在处理染料废水中的应用；本发明的生物吸附剂吸附效率高、吸附容量大，能有效用于染料废水中中性红和铅的处理；本发明的制备工艺和处理工艺简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及染料废水处理领域，具体涉及一种生物吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
染料废水是一种量大、面广的工业废水，对生态环境造成严重污染。染料工业废水成分非常复杂，不仅含有染料、染料中间体及各种辅料，还含有汞、镉、铜、铬等重金属和无机盐类，具有水量大、色度深、碱性大、水质变化频繁等特点，此外，染料废水中常常含有难降解、有毒有机污染物，有些甚至是致癌、致突变、致畸的有机物，对生态环境和饮用水造成极大危害，是目前最难处理的工业废水之一。随着新的人工合成染料不断出现，染料废水处理的问题变得更加复杂和迫切。
中性红是印染废水中典型的有机污染物之一,对其进行脱色是印染污水治理的重要对象之一。中性红是一种阳离子型染料，广泛应用于细胞染色，是一种pH指示剂，同时也是一种有毒的污染物，在降解过程中可以产生CO，CO2，NOx以及氢氟等二次污染物，对人体和动植物都有危害作用。水体中残存的染料组分能吸收光线，降低水体透明度，不利于水生植物的光合作用，而且染料废水在降解过程中会消耗水中的溶解氧，对水生动物的生长不利。因而处理染料废水中中性红等有机染料成为纺织工业、造纸业及染料制造工业所面临的严峻问题之一。此外，染料废水中存在的重金属离子同样会对环境产生危害，尤其是Pb2+，被铅污染的食物进入体内而引起中毒，表现为智力低下，反应迟钝等慢性中毒症状，尤其影响儿童的生长发育，所以必须要在排放之前进行处理。
目前染料废水的处理方法有吸附法、化学混凝法、微波辐射法、光催化降解法等，吸附法主要应用于预处理和深度处理，采用的吸附物质主要有改性黏土、活性炭、膨润土、酸改性δ-MnO2等吸附材料。与非生物吸附方法相比，生物吸附的原材料来源丰富、品种多、成本低，不仅吸附设备简单、易操作，而且具有速度快、吸附量大、选择性好等优点，对处理低浓度的重金属和有机污染物非常有效。
Fe3O4纳米材料是20世纪70年代后逐步产生并得到发展的新型磁性材料。由于Fe3O4纳米粒子尺寸小、比表面积大、表面可修饰等特点，使其具有良好的吸附性能，对重金属粒子、有机染料等都有很好的吸附作用，在环境保护领域中显示出重要的作用。生物固定化技术不仅可以显著改善生物吸附剂的性质（如机械强度，可重复性），还可提高其抗毒和耐受能力，固液分离简单。Fe3O4纳米粒子用作固定化介质来固定白腐真菌，在强化微生物吸附性能的同时赋予其磁学特性，在外界磁场的存在下，吸附剂的回收再利用过程变得简单易行，显示出良好的应用前景。
印染废水中同时存在重金属离子和有机染料，由于重金属离子和有机染料结构和性质上的差异，很难找到一种可以同时有效去除两种污染物的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种吸附效率高、吸附量大、成本低、操作简便、能同时有效去除染料废水中铅和中性红的固定化生物吸附剂，并相应提供一种工艺简单、成本低廉的该吸附剂的制备方法和该吸附剂在处理染料废水中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种固定化生物吸附剂，所述吸附剂包括黄孢原毛平革菌，所述黄孢原毛平革菌表面均匀包裹一层将其固定的载体Fe3O4纳米粒子。
作为对上述方案的进一步优化，所述黄孢原毛平革菌购自中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC BKMF-1767，所述黄孢原毛平革菌的菌种转接保藏在土豆蔗糖斜面培养基上。
本发明通过结合Fe3O4纳米粒子与黄孢原毛平革菌各自的优势，将Fe3O4纳米粒子固定黄孢原毛平革菌得到固定化生物吸附剂，由于纳米粒子和真菌本身的吸附作用，对中性红和Pb2+均有显著的吸附效果；其中菌体表面的Fe3O4纳米粒子是一种新型功能高分子材料，具有磁性，对金属离子具有吸附作用，能够有效加强黄孢原毛平革菌的吸附效果。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述固定化生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：首先在含吐温80的黄孢原毛平革菌液体培养基中添加Fe3O4纳米粒子，每100ml黄孢原毛平革菌液体培养基中添加Fe3O4纳米粒子0.05g～0.20g，然后在无菌条件下对添加有Fe3O4纳米粒子的黄孢原毛平革菌液体培养基接种黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，每升黄孢原毛平革菌液体培养基中孢子接种量为4.0×107个～6.0×107个，最后将混合液恒温振荡培养4～5天，完成固定化培养，得到固定化生物吸附剂。
作为对上述技术方案的优化，所述黄孢原毛平革菌液体培养基的pH值优选为5.0～5.5，所述振荡培养的温度优选为35℃～37℃，所述振荡培养的转速优选为120rpm～150rpm，所述无菌条件是指对加入Fe3O4纳米粒子的黄孢原毛平革菌液体培养基在105℃～115℃条件下灭菌30min～45min。
作为对上述技术方案的优化，所述黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的浊度优选为60%，孢子浓度优选为2.0×106 CFU/mL，每100ml黄孢原毛平革菌液体培养基中接种2ml～3ml黄孢原毛平革菌孢子悬浮液。
作为对上述技术方案的优化，所述黄孢原毛平革菌液体培养基中吐温80的体积分数优选为0.05%～1.0%。
作为对上述技术方案的优化，所述Fe3O4纳米粒子优选通过以下方法得到：强烈非磁性搅拌条件下，将酸性铁盐溶液逐滴滴加到1.5mol/L的NaOH溶液中，所述的酸性铁盐溶液与NaOH溶液的体积比为1∶（5～6），于80℃温度下搅拌30min～45min，得到Fe3O4悬浮液，让其自然沉降并伴随磁力分离，然后倒去上清液，再经超纯水洗涤，倒去上清液，于4000rpm～5000rpm转速（温度一般为20℃）下离心分离5min～10min，真空冷冻干燥24h～48h，制备得到Fe3O4纳米粒子。
作为对上述技术方案的优化，所述酸性铁盐溶液是指Fe3+、Fe2+和HCl的混合溶液，所述混合溶液中的Fe3+、Fe2+和HCl的摩尔比优选为（2.5～3）∶1∶1。
作为一个总的发明构思，本发明还提供上述的吸附剂的应用，利用所述吸附剂去除染料废水中的中性红和铅，包括以下步骤：将所述吸附剂加入至染料废水中，然后进行振荡吸附，完成去除。
作为对上述应用的优化，所述染料废水中的中性红和铅的浓度均优选为10mg/L～20mg/L，所述染料废水的 PH值优选为5.3～5.8，振荡吸附的温度优选为30℃～35℃，振荡吸附的转速优选为120rmp～150rmp,振荡吸附的时间优选为16h～24h。
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的吸附剂由黄孢原毛平革菌表面包裹Fe3O4纳米粒子构成，结构特殊，存在稳定，能有效去除染料废水中的中性红和铅，对中性红去除率都在85%以上，而对Pb2+去除率更可高达99.81%，在处理染料废水中有广阔的应用前景；本发明的吸附剂的制备方法原料配比合理，处理工艺简单，操作简便，成本低廉，提高了吸附剂的处理效果和吸附容量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
本发明采用的黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium），购自中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC BKMF-1767，菌种转接保藏在土豆蔗糖斜面培养基上。
实施例1：
一种本发明的固定化生物吸附剂，该吸附剂包括黄孢原毛平革菌，黄孢原毛平革菌表面均匀包裹一层Fe3O4纳米粒子，Fe3O4纳米粒子作为载体固定黄孢原毛平革菌。
上述固定化生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
1、 制备Fe3O4纳米粒子
（1）制备酸性铁盐溶液：称取4.16g的FeCl3·6H2O和1.6g的FeCl2·4H2O，与0.68ml浓度为12mol/L的HCl混合，其中，Fe3+、Fe2+和HCl的摩尔比为3：1：1，然后将混合溶液加入到20ml超纯水中（使用前水充氮气10min），搅拌均匀，得到酸性铁盐溶液；
（2）生成Fe3O4悬浮液：将上述酸性铁盐溶液逐滴滴加到120ml浓度为1.5mol/L的NaOH溶液中，强烈非磁性搅拌条件下搅拌30min，搅拌温度80℃，得到Fe3O4纳米粒子悬浮液；
（3）磁性分离：使上述Fe3O4纳米粒子悬浮液自然沉降并伴随磁力分离，倒去上清液，再用200mL超纯水洗涤4次，自然沉降伴随磁力分离，倒去上清液；
（4）离心分离：取上述经磁性分离后得到的Fe3O4纳米粒子悬浮液，在20℃、4000rpm转速下，离心5min，分离，真空冷冻干燥，制得 Fe3O4纳米粒子；
2、制备黄孢原毛平革菌孢子悬液
（1）菌种活化：将保存于-4℃土豆斜面固体培养基中培养7天的菌种转移至30℃恒温恒湿培养箱中活化24h备用；
（2）灭菌：取5只BIOLOG管，每只盛2/3容积的蒸馏水，115℃温度下灭菌30min，紫外灯照射下冷却至常温；
（3）制备孢子悬浮液：无菌条件下用灭菌过的棉签沾取适量黄孢原毛平革菌菌种，转移至BIOLOG 管中，混合均匀，直至浊度调节60%（浊度仪使用前需先调零），孢子浓度为2.0×106 CFU/mL，制得黄孢原毛平革菌制备孢子悬浮液；
3、Fe3O4纳米粒子固定黄孢原毛平革菌
称取上述步骤1中制备的Fe3O4纳米粒子0.05g加入到100ml含0.05 ml吐温80的黄孢原毛平革菌培养基（PH值为5.5）中，115℃下灭菌30min，孢子悬液接种量为2ml～3ml（孢子个数为4.0×106个～6.0×106个），然后于150rpm转速下恒温振荡培养4～5天，培养温度35℃～37℃，完成固定化培养，将菌球滤出，超纯水洗涤3次备用。
将上述制备的吸附剂按1.5g湿重加入到50ml中性红和Pb2+均为10mg/L的模拟染料废水中，废水pH值为5.3～5.8，30℃、150rpm条件下进行振荡吸附，待吸附24h后，直接过滤，分离水及吸附剂，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的中性红，利用火焰原子吸收分光光度计测定溶液中未被吸附的铅离子，结果表明，本实施例的吸附剂对中性红的去除率为86.95%，对Pb2+的去除率为99.81%。
实施例2：
一种本发明的固定化生物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
1、Fe3O4纳米粒子的制备同实施例1；
2、黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的制备同实施例1；
3、Fe3O4纳米粒子固定黄孢原毛平革菌
称取上述步骤1中制备的Fe3O4纳米粒子0.2g加入到100 ml黄孢原毛平革菌培养基（PH值为5.5）中，115℃下灭菌30min，孢子悬液接种量为2ml（孢子个数为4.0×106个），然后于150rpm转速下恒温振荡培养4～5天，培养温度35℃～37℃，将菌球滤出，超纯水洗涤3次备用。
将上述制备的吸附剂按1.5g湿重加入到50ml中性红和Pb2+浓度均为10mg/L的模拟染料废水中，废水pH值为5.3～5.8，35℃、150rpm条件下进行振荡吸附，待吸附24h后，直接过滤，分离水及吸附剂，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的中性红，利用火焰原子吸收分光光度计测定溶液中未被吸附的铅离子，结果表明，本实施例的吸附剂对中性红的去除率为89.88%，对Pb2+的去除率为99.62%。
将上述制备的吸附剂按1.5g湿重加入到50ml中性红和Pb2+浓度均为20mg/L的模拟染料废水中，废水pH值为5.3～5.8，35℃、150rpm条件下进行振荡吸附，待吸附24h后，直接过滤，分离水及吸附剂，利用紫外分光光度计测定溶液中剩余的中性红，利用火焰原子吸收分光光度计测定溶液中未被吸附的铅离子，结果表明，本实施例的吸附剂对中性红的去除率为87.29%，对Pb2+的去除率为94.37%。
由上述实施例1和实施例2可见，本发明的吸附剂去除效率高，吸附容量大，有着独特的吸附优势，在染料废水处理中有很好的应用前景。
Claims (9)
1.一种固定化生物吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先在含吐温80的黄孢原毛平革菌液体培养基中添加Fe3O4纳米粒子，每100ml黄孢原毛平革菌液体培养基中添加Fe3O4纳米粒子0.05g～0.20g，然后在无菌条件下对添加有Fe3O4纳米粒子的黄孢原毛平革菌液体培养基接种黄孢原毛平革菌孢子悬浮液，每升黄孢原毛平革菌液体培养基中孢子接种量为4.0×107个～6.0×107个，最后将混合液恒温振荡培养4～5天，完成固定化培养，得到固定化生物吸附剂；所述固定化生物吸附剂包括黄孢原毛平革菌，所述黄孢原毛平革菌表面均匀包裹一层将其固定的载体Fe3O4纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述黄孢原毛平革菌选自中国典型培养物保藏中心，保藏号为CCTCC BKMF-1767，所述黄孢原毛平革菌的菌种转接保藏在土豆蔗糖斜面培养基上。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述黄孢原毛平革菌液体培养基的pH值为5.0～5.5，所述振荡培养的温度为35℃～37℃，所述振荡培养的转速为120rpm～150rpm，所述无菌条件是指对加入Fe3O4纳米粒子的黄孢原毛平革菌液体培养基在105℃～115℃条件下灭菌30min～45min。
4.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于：所述黄孢原毛平革菌孢子悬浮液的浊度为60%，孢子浓度为2.0×106 CFU/mL，每100ml黄孢原毛平革菌液体培养基中接种2ml～3ml黄孢原毛平革菌孢子悬浮液。
5.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于：所述黄孢原毛平革菌液体培养基中吐温80的体积分数为0.05%～1.0%。
6.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述Fe3O4纳米粒子通过以下方法得到：强烈非磁性搅拌条件下，将酸性铁盐溶液逐滴滴加到1.5mol/L的NaOH溶液中，所述的酸性铁盐溶液与NaOH溶液的体积比为1∶（5～6），于80℃温度下搅拌30min～45min，得到Fe3O4悬浮液，让其自然沉降并伴随磁力分离，然后倒去上清液，再经超纯水洗涤，倒去上清液，于4000rpm～5000rpm转速下离心分离5min～10min，真空冷冻干燥24h～48h，制备得到Fe3O4纳米粒子。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述酸性铁盐溶液是Fe3+、Fe2+和HCl的混合溶液，所述混合溶液中的Fe3+、Fe2+和HCl的摩尔比为（2.5～3）∶1∶1。
8.一种如权利要求1或2所述制备方法得到的吸附剂的应用，其特征在于，利用所述吸附剂去除染料废水中的中性红和铅，包括以下步骤：将所述吸附剂加入至染料废水中，然后进行振荡吸附，完成去除。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述染料废水中的中性红和铅的浓度均为10mg/L～20mg/L，所述染料废水的 PH值为5.3～5.8，所述振荡吸附的温度、转速和时间分别为30℃～35℃、120rmp～150rmp和16h～24h。
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