CN102533715A - 一种具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，具体步骤为：以天然鳞片石墨为原料，采用氧化插层法使钛酸丁酯进入到石墨层间隙中，利用溶胶-凝胶法使插层后的石墨在氨水的醇溶液中水解达到氮掺杂的目的，进行烘干和高温膨胀得到N-TiO₂膨胀石墨，以N-TiO₂膨胀石墨为载体，在好氧和恒温培养条件下，进行混合菌的培养和增殖，得到具有可见光催化活性的生物膨胀石墨。本发明制备的可见光催化活性生物膨胀石墨具有疏水性强、可见光催化活性高、孔隙合适、吸附和生物降解性能好等特点。使用时可直接投加于石油污染水体的水面上，生物膨胀石墨可长期漂浮于油-水界面，实现对水面浮油的高效去除，且便于回收，不存在二次污染风险。

Description

一种具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种具有可见光催化活性生物膨胀石油的制备方法。

背景技术

世界石油资源分布的不平衡性催生和繁荣了现在的石油航运业，但是频繁发生的船舶溢油事故，又使海洋环境面临着前所未有的严峻挑战。突发性的溢油事件具有性质复杂、发生突然、危害严重、处理处置困难等特性，不但严重损害了海洋以及海岸的自然生态环境，也给当地渔业、水产养殖业、旅游业等造成巨大经济损失，防控海洋溢油污染已经到了刻不容缓的地步。

目前，海洋溢油处理技术有物理处理、化学处理和生物处理等。物理法除油如清污船清油、围油、吸油等技术最大的缺点就是除油不彻底，要求的操作条件高，处理效果只停留在降低表观色度水平上。化学法处理主要是喷洒化学消油剂，其弊端在于可能引起二次污染，只能用于清理少量油污。20世纪90年代以来，石油污染的微生物修复技术因具有成本低廉、不产生二次污染、应用范围广和可在原位进行彻底矿化等突出的优点，受到了世界各国的普遍重视，成为石油污染治理的核心技术之一。然而，石油污染物的微生物降解是一个复杂的过程，由于受石油组分与理化性质、环境条件以及微生物群落组成等多方面因素的制约，目前仍存在效率较低，所需时间较长等缺点，有待加强生物修复技术与其它修复技术的联合使用。中国发明专利申请“一种用于石油污染水体原位修复的生物膨胀石墨制备方法”（申请号为201010299071.8），公开了一种以膨胀石墨为载体，采用吸附固定法，将筛选的高效石油降解混合菌进行固定，制备生物膨胀石墨，使用时，将生物膨胀石墨喷洒于受石油污染的水面上，通过生物膨胀石墨对浮油污染物的高效吸附降解作用，实现污染水体的净化。近年来，随着可见光催化技术的发展，其在用于水面浮油的吸附和降解取得了一定成效。因此，研究开发具有可见光催化活性的生物膨胀石墨，有望实现进一步提升该技术对石油污染水体原位修复的性能。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，用于石油污染水体的原位高效修复。

本发明提出的具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，具体步骤为：将15~30mL石油降解混合菌种液和0.1~0.5gN-TiO₂膨胀石墨加入到含石油的培养基中，在搅拌条件下，好氧条件下恒温培养3~5天，取出30~50mL菌悬液，然后补充相同体积的含石油的培养基，在搅拌条件下恒温培养1~3天，即为一次增值，共增值2~3次，得到固定有石油降解混合菌的可见光催化活性生物膨胀石墨。(恒温，温度范围)使用时，将其直接投加到受石油污染水面上，即可通过吸附、可见光催化和生物降解作用，实现对石油污染水体的净化。

本发明中，所述N掺杂TiO₂（N- TiO₂）膨胀石墨的制备方法为：将一定质量天然鳞片石墨加入50~100mL含有双氧水和钛酸丁酯的乙醇溶液中，其中石墨（质量/g）:双氧水（体积/mL）:钛酸丁酯（体积/mL）为1:0.1~0.3:3~5，搅拌均匀后于50~90℃的条件下反应15~30min，反应结束后过滤，然后按石墨（质量/g）:氨水（体积/mL）为1:5~7的比例将石墨加入到乙醇溶液中搅拌，水解完全后水洗至pH为6~8，于105℃烘箱烘干，将石墨转移至马弗炉中于800~1000℃条件下反应10~30s，即制得具有可见光催化性的N- TiO₂膨胀石墨。

本发明中，所述石墨为50～100目的天然鳞片石墨；所述双氧水浓度为30%；所述氨水浓度为25%。

本发明中，所述培养基为NaCl 0.5%，(NH₄)₂SO₄ 0.1%，MgSO₄ 0.01%，NaNO₃ 0.2%，KH₂PO₄ 0.4%，K₂HPO₄·3H₂O 1.0%，pH 7.0~7.3。

本发明中，所述含石油的培养基中的石油，可根据处理对象需要选原油、柴油、机油或其他不同石油成分，浓度为500~2000mg/L。

本发明中，所述石油降解混合菌种液为食烷菌（Alcanivorax sp.）、产碱菌 (Alcal igenes sp.)、不动杆菌(Acinetobacter sp.)、戈登氏茵(Gordonia sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)、铜绿假单胞茵(Pseudomonas aeruginosa.)、海杆菌（Marinobacter）按重量分数计为0.5~1.5:0.5~1.5:0.5~1.5:1~3:1~3:2~4:2~5，在含石油浓度为1000mg/L的培养基中恒温培养4~7天得到混合菌种液。所述石油可根据处理对象需要选原油、柴油、机油及其他不同石油成分。

原理：以天然鳞片石墨为原料，采用氧化插层法使钛酸丁酯进入到石墨层间隙中，利用溶胶-凝胶法使插层后的石墨在氨水的醇溶液中水解达到氮掺杂的目的，而后将烘干后的石墨进行高温膨胀得到N-TiO₂膨胀石墨，N-TiO₂可使TiO₂的吸收波长发生红移从而具有可见光催化性；以N-TiO₂膨胀石墨为载体，采用吸附固定法，将筛选的高效石油降解混合菌进行固定，制备具有可见光催化活性的生物膨胀石墨。使用时，将可见光催化性生物膨胀石墨喷洒于受石油污染的水面上，即可通过可见光催化-吸附-降解的协同作用，实现石油污染水体的原位高效净化。

与已有的石油污染处理技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明将膨胀石墨与N-TiO₂的制备相结合，制备的膨胀石墨具有膨胀体积大、疏水性强、吸附性能好和可见光催化活性高等特点。

2、本发明将可见光催化活性的膨胀石墨与疏水性石油烃降解菌相结合，使用时可直接投加于石油污染水体的水面上，漂浮于油-水界面的可见光催化活性膨胀石墨对石油类污染物具有特异吸附能力，为可见光催化降解作用提供了良好的条件，而可见光的催化降解作用有助于石油烃降解菌降解性能的提高，上述的吸附、可见光催化和生物降解的协同作用，极大提升了该技术对石油污染水体的原位修复能力。

具体实施方式

以下实施例将对本发明作进一步说明。

实施例1

（1）    N-TiO₂膨胀石墨的制备

将1.5mL的双氧水（30%）、15mL钛酸丁酯与50mL无水乙醇混合，搅拌均匀，制得氧化插层溶液，加入5g天然鳞片石墨（50目）于50°C的水浴锅中反应20min。反应结束后过滤，将石墨加入25mL氨水与25mL无水乙醇的混合溶液中进行水解掺氮，搅拌30min，水洗至清洗液pH为6.8，在105℃烘箱中烘干取出，在800°C下的马弗炉中反应30s制得N-TiO₂膨胀石墨，待用。

（2）    石油降解菌混合菌液的制备

将菌种食烷菌（Alcanivorax sp.）、产碱菌 (Alcal igenes sp.)、不动杆菌(Acinetobacter sp.)、戈登氏茵(Gordonia sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)、铜绿假单胞茵(Pseudomonas aeruginosa.)、海杆菌（Marinobacter）（上述菌种均可通过市购得到）按重量分数计为0.5:1:1:1.5:1.5:2:2.5，取2g接种在50mL的含原油浓度为1000mg/L无机盐培养基中，于30℃、120 r/min恒温培养箱中震荡培养5天，待用。

所述的无机盐培养基为NaCl 0.5%，(NH₄)₂SO₄ 0.1%，MgSO₄ 0.01%，NaNO₃ 0.2%，KH₂PO₄ 0.4%，K₂HPO₄·3H₂O 1.0%，其余为蒸馏水，pH 7.2。灭菌条件为0.1Mpa湿热灭菌30min。

（3）    膨胀石墨的微生物固定

取20mL 上述混合菌种液和0.2g上述制备的可见光催化活性膨胀石墨（粒径0.1~0.8mm）加入盛有80mL的培养基溶液（原油浓度为500mg/L）的250mL的烧杯中，在30°C条件下恒温静止培养5天。从烧杯中取出50mL残余菌体悬浮液，然后加入相同体积的新鲜培养基以及0.06g原油，使原油的浓度为600mg/L，在30°C条件下恒温静止培养3天即为增殖一次，连续增殖3次，过滤得生物膨胀石墨。

（4）    原油污染的净化效果

在盛有500mL自来水的1L的烧杯中，加入0.5g原油，使原油浓度为1000mg/L，投加0.2g上述制备的生物膨胀石墨，在正常光照和常温（18~25°C）条件下静止放置。经过4天处理，水中的原油含量为未检出，生物膨胀石墨的颜色由深褐色逐步变为淡黄色，表明原油被膨胀石墨吸附后，在光催化氧化和微生物降解协同作用下被降解去除。

实施例2

（1）N-TiO₂膨胀石墨的制备

将1mL双氧水（30%）、20mL钛酸丁酯与60mL无水乙醇混合制得氧化插层溶液，加入5g天然鳞片石墨（50目）搅拌均匀，于80°C的水浴锅中反应30min。反应结束后过滤，将石墨加入30mL氨水和30mL无水乙醇的混合溶液中进行水解掺氮，搅拌30min，水洗至清洗液pH为7.4，于105℃烘箱中放置18h，取出后在1000°C马弗炉中反应20s制得N-TiO₂膨胀石墨，待用。

（2）石油降解菌混合菌种液的制备

将菌种食烷菌（Alcanivorax sp.）、产碱菌 (Alcal igenes sp.)、不动杆菌(Acinetobacter sp.)、戈登氏茵(Gordonia sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)、铜绿假单胞茵(Pseudomonas aeruginosa.)、海杆菌（Marinobacter）按重量分数计为0.5:0.5:1:1.5:2:2:3，取2g接种在50mL的含0号柴油浓度为1000mg/L无机盐培养基中，于30°C，120 r/min恒温培养箱中震荡培养5天，待用。

所述的无机盐培养基为NaCl 0.5%，(NH₄)₂SO₄ 0.1%，MgSO₄ 0.01%，NaNO₃ 0.2%，KH₂PO₄ 0.4%，K₂HPO₄·3H₂O 1.0%，其余为蒸馏水，pH 7.2。灭菌条件为0.1Mpa湿热灭菌30min。

（3）膨胀石墨的微生物固定

取15mL 上述混合菌种液和0.2g上述制备的膨胀石墨（粒径0.1~0.8mm）加入盛有85mL的培养基溶液（0号柴油浓度为600mg/L）的250mL的烧杯中，在30°C条件下恒温静止培养5天。从烧杯中取出50mL 残余菌体悬浮液，然后加入相同体积的新鲜培养基以及0.08g0号柴油，使柴油的浓度为800mg/L，在30°C条件下恒温静止培养3天即为增殖一次，连续增殖3次，过滤得生物膨胀石墨。

（4）0号柴油污染的净化效果

在盛有500mL自来水的1L的烧杯中，加入0.6g0号柴油，使柴油浓度为1200mg/L，投加0.2g上述制备的可见光催化活性生物膨胀石墨，在常温（18~25°C）条件下静止放置。在正常光照和常温（18~25°C）条件下静止放置。经过3天处理，水中的柴油含量为未检出，表明具有可见光催化活性的生物膨胀石墨对原油具有良好降解去除性能。

Claims (6)

1.一种具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，其特征在于具体步骤为：将15~30mL石油降解混合菌种液和0.1~0.5gN-TiO₂膨胀石墨加入到含石油的培养基中，在搅拌和20~30℃恒温条件下培养3~5天，取出30~50mL菌悬液，然后补充相同体积的含石油的培养基，在搅拌和20~30℃恒温条件下培养1~3天，即为一次增值，共增值2~3次，得到固定有石油降解混合菌的可见光催化活性生物膨胀石墨。

2.根据权利要求1所述的具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，其特征在于所述N-TiO₂膨胀石墨的制备方法为：将石墨加入到50~100mL含有双氧水和钛酸丁酯的乙醇溶液中，其中石墨（质量/g）:双氧水（体积/mL）:钛酸丁酯（体积/mL）为1:(0.1~0.3):(3~5)，搅拌均匀后于50~90℃温度下反应15~30min，反应结束后过滤，然后按石墨（质量/g）:氨水（体积/mL）为1:5~7的比例将石墨加入到乙醇溶液中搅拌，水解完全后水洗至pH为6~8，于105℃烘箱烘干，再转移至马弗炉中于800~1000℃条件下反应10~30s，即得N-TiO₂膨胀石墨。

3.根据权利要求2所述的具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，其特征在于所述石墨为50～100目的天然鳞片石墨；所述双氧水浓度为30%；所述氨水浓度为25%。

4.根据权利要求1所述的具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，其特征在于所述培养基为NaCl 0.5%，(NH₄)₂SO₄ 0.1%，MgSO₄ 0.01%，NaNO₃ 0.2%，KH₂PO₄ 0.4%，K₂HPO₄·3H₂O 1.0%，pH 7.0~7.3。

5.根据权利要求1所述的具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，其特征在于所述含石油的培养基中的石油，为原油、柴油、机油或其他不同石油成分，浓度为500~2000mg/L。

6.根据权利要求1所述的具有可见光催化活性生物膨胀石墨的制备方法，其特征在于所述的石油降解混合菌种液为食烷菌、产碱菌、不动杆菌、戈登氏菌、无色杆菌属、铜绿假单胞菌和海杆菌按重量分数计为0.5~1.5:0.5~1.5:0.5~1.5:1~3:1~3:2~4:2~5的混合菌种液，在含石油浓度为1000mg/L的培养基中恒温培养4~7天得到，所述石油为原油、柴油、机油或不同石油中任一种。