CN106362674B - 一种藻液中原位合成磁性纳米材料并高效采收油藻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种藻液中原位合成磁性纳米材料并高效采收油藻的方法，属于纳米材料及其应用技术领域。本发明于藻液中投加反应原料氯化铁及硼氢化钠原位合成磁性纳米材料，所述材料具有链状及膜片状结构。本发明于藻液中原位合成的磁性纳米材料用于油藻高效采收时，在原料摩尔配比5:1‑2:1，藻液浓度0.2‑1.0g/L，藻液pH值4.0‑12.0，反应体系温度25‑65℃，收获时间1‑5min时可实现95%以上的收获效率。本发明工艺简单，成本低廉，可在短时间内同步实现材料合成及油藻高效磁性采收，具备良好的应用前景。

Description

一种藻液中原位合成磁性纳米材料并高效采收油藻的方法
技术领域
本发明属于纳米材料及其应用技术领域，特别涉及一种藻液中原位合成磁性纳米材料并高效采收油藻的方法。
背景技术
生物质能源具有可再生性、替代性好、生物相容性高、碳收支平衡，被认为是解决能源危机、促进可持续发展并减少温室气体排放的最有潜力的新能源(纪占武,郑文范.关于发展生物能源化解能源危机的思考[J].东北大学学报(社会科学版),2009,11(6):490-495)。作为生物质能源的一种，微藻具有光合效率高，细胞增殖快，生产周期短，油脂含量高，不占用耕地，副产品价值高等优点，同时可以通过去除水中氮磷应用于污水处理过程，是制备生物柴油的理想原材料(蒋晓菲,周红茹,金青哲,等.微藻油脂制取技术的研究进展[J].中国油脂,2012,37(10):62-66)。微藻细胞体积小、含水量高、自然培养密度低，对于工业规模的微藻养殖，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈。絮凝法、过滤法、浮选法、离心法等传统采收方法存在成本高、能源使用量大、操作方法复杂、技术不完善、收获效率较低等缺陷，在应用上有一定的局限性。利用磁性纳米材料磁性分离收获微藻技术具备操作简单、分离迅速等优势，但目前制备磁性纳米材料工艺能耗仍相对较大，难以满足大规模工业化微藻采收的需要。于藻液中原位合成磁性纳米材料并同步实现高效磁性采收微藻可大大降低材料制备成本，通过外加磁场从水体中快速高效的分离微藻，是一种安全经济的微藻采收方法，具有巨大的应用前景与研究价值，但目前并没有相关报道涉及藻液中原位合成磁性纳米材料并高效采收产油藻的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种于藻液中原位合成的磁性纳米材料。
本发明的第二个目的是提供一种用于油藻高效采收的磁性纳米材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供任一所述的磁性纳米材料作为油藻高效采收材料的应用。
一种磁性纳米材料，该材料以氯化铁和硼氢化钠作为反应原料于藻液中原位合成。
在本发明中，所述的磁性纳米材料(以下称该材料)具备链状及膜片状结构、比表面积大、吸附性能好。该材料具备较好的磁学性能，可通过磁性分离提高对油藻的收获效率。该方法工艺简单，原料价格低廉，有效降低生产成本。
本发明中所述磁性纳米材料分散于水中在中性条件下具有6-40mV的正电位，于藻液中原位合成得到的絮凝体中性条件下具有-25-35mV的电位。
本发明提供的磁性纳米材料的制备方法包括以氯化铁和硼氢化钠作为反应原料，于藻液中原位合成磁性纳米材料。所述原料摩尔比控制为5:1-1:3。
所述藻液浓度控制为0.2-1.0g/L。所述反应体系温度控制为25-65℃。
本发明生产工艺简单，操作方便，成本低廉，高效经济，具备良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1-4中在藻液pH值为8.0，反应体系温度为25℃条件下不同浓度藻液中原位合成磁性纳米材料对油藻的收获效率图。
图2为实施例1-4中在初始藻液浓度为0.2g/L，反应体系温度为25℃条件下不同pH值藻液中原位合成磁性纳米材料对油藻的收获效率图。
图3为实施例1-4中在初始藻液浓度为0.2g/L，反应体系温度为25℃条件下不同pH值藻液中原位合成磁性纳米材料采收油藻后复合体的Zeta电位图。图4为实施例2中在初始藻液浓度为0.2g/L，藻液pH值为8.0，反应体系温度为25℃条件下，藻液中原位合成磁性纳米材料采收油藻后复合体的TEM图。
图5为实施例2中在初始藻液浓度为0.2g/L，藻液pH值为8.0条件下，不同温度反应体系中原位合成磁性纳米材料对油藻的收获效率图。
图6为实施例2中在初始藻液浓度为0.2g/L，藻液pH值为8.0，反应体系温度为25℃条件下，藻液中原位合成磁性纳米材料采收油藻的实际效果图。
图7为实施例5中不同原料摩尔配比条件下合成的磁性纳米材料的Zeta电位图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例中使用的藻种为前期分离筛选到的高产油小球藻HQ(保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏号为No.CGMCC7601)，进行自养培养初始藻液浓度以藻细胞干重计。建立藻细胞干重与波长690nm处吸光度的标准曲线，通过测量收获前后上清液的吸光值来计算藻液浓度，从而测定收获效率。
实施例1。
各取10mL藻液在锥形瓶中，初始藻液浓度设置为0.2/0.5/1.0g/L，用0.1M HCl和0.1M NaOH将藻液pH调为4.0/8.0/12.0，反应体系温度控制为25-65℃，每10℃为一个梯度。分别称取摩尔比为4:1的硼氢化钠和氯化铁投入藻液中进行磁性纳米材料的原位合成，同时用永磁铁于瓶外进行磁性收获，复合物从悬浮基质中分离出来，此时测定上清液在最大吸收波长处的吸光度，最后根据生物量-吸光度标准曲线计算收获效率。
实施例2。
各取10mL藻液在锥形瓶中，初始藻液浓度设置为0.2/0.5/1.0g/L，用0.1M HCl和0.1M NaOH将藻液pH调为4.0/8.0/12.0，反应体系温度控制为25-65℃，每10℃为一个梯度。分别称取摩尔比为2:1的硼氢化钠和氯化铁投入藻液中进行磁性纳米材料的原位合成，同时用永磁铁于瓶外进行磁性收获，复合物从悬浮基质中分离出来，此时测定上清液在最大吸收波长处的吸光度，最后根据生物量-吸光度标准曲线计算收获效率。
如图4所示，于藻液中原位合成的磁性纳米材料具有链状及膜片状结构，在材料合成的同时可有效捕获微藻形成复合体。
如图5所示，反应体系温度对收获过程无显著影响。
如图6所示，该方法可在短时间内同时实现材料的合成及油藻的收获过程，经济高效。
实施例3。
各取10mL藻液在锥形瓶中，初始藻液浓度设置为0.2/0.5/1.0g/L，用0.1M HCl和0.1M NaOH将藻液pH调为4.0/8.0/12.0，反应体系温度控制为25-65℃，每10℃为一个梯度。分别称取摩尔比为1:1的硼氢化钠和氯化铁投入藻液中进行磁性纳米材料的原位合成，同时用永磁铁于瓶外进行磁性收获，复合物从悬浮基质中分离出来，此时测定上清液在最大吸收波长处的吸光度，最后根据生物量-吸光度标准曲线计算收获效率。
实施例4。
各取10mL藻液在锥形瓶中，初始藻液浓度设置为0.2/0.5/1.0g/L，用0.1M HCl和0.1M NaOH将藻液pH调为4.0/8.0/12.0，反应体系温度控制为25-65℃，每10℃为一个梯度。分别称取摩尔比为1:2的硼氢化钠和氯化铁投入藻液中进行磁性纳米材料的原位合成，同时用永磁铁于瓶外进行磁性收获，复合物从悬浮基质中分离出来，此时测定上清液在最大吸收波长处的吸光度，最后根据生物量-吸光度标准曲线计算收获效率。
如图1所示，在摩尔比为4:1及2:1两种稳定的反应体系中，藻液浓度对收获效率无显著影响，在较不稳定的反应体系中，更高的藻液浓度更有利于收获过程的进行。
如图2所示，在摩尔比为4:1及2:1两种稳定的反应体系中，藻液pH值对收获效率无显著影响，在较不稳定的反应体系中，碱性条件更有利于收获过程的进行。
如图3所示，磁性纳米材料采收油藻后复合体的Zeta电位与图2中的收获效率变化趋势相一致。
实施例5。
各取10mL去离子水在锥形瓶中，用0.1M HCl和0.1M NaOH将溶液pH调为8.0，反应体系温度控制为25℃。分别称取摩尔比为4:1/2:1/1:1/1:2的硼氢化钠和氯化铁加入溶液中进行磁性纳米材料的合成，测定所得材料的Zeta电位值。
如图7所示，在水溶液中合成的磁性纳米材料在中性条件下带正电，说明磁性纳米材料可通过静电作用捕获微藻。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种藻液中原位合成的磁性纳米材料的制备方法，其特征在于，以氯化铁和硼氢化钠作为反应原料，于藻液中原位合成磁性纳米材料，控制所述原料摩尔比为5:1-2:1；
所述磁性纳米材料具有链状及膜片状结构；
所述磁性纳米材料分散于水中在中性条件下具有6-40mV的正电位，于藻液中原位合成得到的絮凝体中性条件下具有-25-35mV的电位。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，控制所述藻液浓度为0.2-1.0g/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，控制所述反应体系温度为25-65℃。
4.权利要求1至3任一所述的制备方法得到的磁性纳米材料作为同步油藻高效采收材料的应用。
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