CN106512954A - 一种生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法 - Google Patents

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李益飞
司艳晓
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Abstract

本发明提供一种生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，属于重金属生物修复领域。该方法首先进行菌体培养，然后提取胞外聚合物，最后，使用胞外聚合物在pH 3‑5.5的环境下，对含有Cu2+，Zn2+、Cr3+，Ni2+的被污染水体进行修复。最终，处理后水体中重金属离子的含量降至初始值的5％‑10％。该方法能大幅提高溶液中重金属去除率。

Description

一种生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法
技术领域
本发明涉及重金属生物修复领域，特别是指一种生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法。
背景技术
重金属污染是常见的环境污染，由于对土壤有机质中腐植酸的亲和力使得重金属往往会沉积在土壤中。而在环境中的重金属是难以通过化学或生物学手段除去的。有些重金属甚至在痕量水平通常都可能是有毒的，致癌或致突变的。
去除重金属的传统方法包括沉淀，氧化、还原，离子交换，过滤，电化学过程，膜分离和蒸发等。这些方法在处理重金属污染时都有一些缺点，如高的成本，不完全去除，选择性低，能耗高，而且它们产生的有毒泥浆是难以消除。特别是当金属的浓度低于100mg/L时这些方法是不适合的。离子交换，膜分离技术和活性炭对大量含有低浓度的重金属的废水的吸附处理过程是非常昂贵的，因此它们不能大规模使用。另一种方法是生物吸附，它利用各种生物来源的天然材料，包括细菌，真菌，酵母，藻类等作为生物吸附剂。这些生物吸附剂具有隔离金属离子的性能，并且将溶液中的重金属离子的浓度从ppm(毫克)级减少到ppb(微克)级。
微生物菌体生长过程中，随着新陈代谢的进行在菌体表面会产生主要由多糖、蛋白质、核酸、腐殖质等物质组合团聚而成的大分子聚合物，即胞外聚合物(ExtracellularPolymeric Substances,EPS)。根据EPS与微生物菌体结合的紧密程度，EPS分为三类：粘液层EPS(S-EPS)，松散附着EPS(LB-EPS)，紧密附着EPS(TB-EPS)。EPS具有抵抗干燥，抵御捕食者以及躲避紫外线等作用，因此EPS大多数以鞘状，胶囊状或粘液状的形式留在细胞表面来隔离或固定营养物质与金属离子，减少外界环境的不利影响。随着生物修复技术研究的发展，EPS在生物修复中的作用也日益受到人们的重视。很多研究表明EPS对重金属离子具有极强的吸附效果。
申请号为201510221237.7的专利采用微生物液体发酵产物对重金属的强吸附作用，解决了水体中的重金属污染问题。本发明人实验发现菌体本身对金属离子吸附效果较差，且有效吸附成分胞外聚合物并未被充分利用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法。
该方法具体步骤如下：
(1)菌体培养：培养Brevibacillus agri strain菌体的温度为30-45℃，培养时间为25-40小时；
(2)提取胞外聚合物：从步骤(1)培养的菌体中分离S-EPS溶液、LB-EPS溶液与TB-EPS溶液，并混合均匀，冷冻干燥后制成EPS吸附剂；
(3)向待处理的含有Cu2+，Zn2+、Cr3+，Ni2+的被污染水体中加酸调节至pH 3-5.5，温度调节至20-35℃；
(4)向步骤(3)中调节后的水体中加入由步骤(2)制得的EPS吸附剂，吸附15-30小时；
(5)向步骤(4)中吸附后的水体中加入絮凝剂，过滤后得到被净化的水体。
其中，步骤(2)中S-EPS溶液由步骤(1)中所得菌体培养液在室温下3000-5500rpm，离心10-25分钟，并透析20-36小时而制得。
步骤(2)中LB-EPS溶液由分离S-EPS溶液后的菌体再溶解至超纯水中，在20-50瓦特下超声处理1-8分钟，再将悬浮液置于离心机中于6000-10000rpm下离心10-25分钟，透析20-36小时而制得。
步骤(2)中TB-EPS溶液由分离S-EPS溶液与LB-EPS溶液后的菌体再溶解至超纯水中，并在60-85℃加热10-30分钟；将悬浮液在12000-18000rpm下离心10-25分钟，透析20-36小时而制得。
步骤(3)中用于调节pH值的酸为硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、醋酸(CH3COOH)的至少一种，均需配为浓度≤1.5mol/L稀溶液后加入。
在被污染水体中，每100mgCu2+、Zn2+、Cr3+、Ni2+，所对应的EPS吸附剂投加量分别为0.2-0.65g、0.30-0.55g、0.30-0.80g、0.15-0.85g。
步骤(5)中絮凝剂为硫酸铁(Fe2(SO4)3)、氯化铝(AlCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)、氯化铁(Fe2Cl3)、聚硅酸絮凝剂(PSAA)的至少一种，加入量为所投加EPS吸附剂质量的1.0％-10％，搅拌1-5小时。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，生物吸附剂制备过程简单，处理后水体中重金属离子的含量能够降至初始值的5％-10％，该方法能大幅提高溶液中重金属去除率。
附图说明
图1为本发明的生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法。如图1所示，该方法工艺流程图。
在锥形瓶中装入发酵培养基，灭菌后接种Brevibacillus agri strain菌体，用封口膜重新密封，在温度为30-45℃条件下培养25-40小时。将菌体培养液装入离心瓶中，在室温下3000-5500rpm，离心10-25分钟。将获得的上清液转移到离心瓶中，透析20-36小时以除去低分子量杂质，得到S-EPS溶液。将最初得到的沉淀物再溶解至超纯水中，在20-50瓦特下超声处理1-8分钟，再将悬浮液置于离心机中于6000-10000rpm下离心10-25分钟。透析20-36小时得到LB-EPS溶液。将上一步中获得的沉淀物再溶解至超纯水中，并在60-85℃加热10-30分钟；将悬浮液在12000-18000rpm下离心10-25分钟。透析20-36小时得到TB-EPS溶液。将S-EPS溶液、LB-EPS溶液与TB-EPS溶液混合均匀，冷冻干燥获得EPS吸附剂。待处理的含有Cu2+，Zn2+、Cr3+，Ni2+的被污染水体，加酸调节至pH 3-5.5，所加可为硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、醋酸(CH3COOH)的至少一种，均为稀溶液，浓度≤1.5mol/L。温度调节至20-35℃。在被污染水体中，每100mg Cu2+，Zn2+、Cr3+，Ni2+，所对应的EPS吸附剂投加量分别为0.2-0.65g，0.30-0.55g，0.30-0.80g，0.15-0.85g。15-30小时后添加絮凝剂，絮凝剂为硫酸铁(Fe2(SO4)3)、氯化铝(AlCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)、氯化铁(Fe2Cl3)、聚硅酸絮凝剂(PSAA)的至少一种，加入量为所投加EPS吸附剂质量的1.0％-10.0％，搅拌1-5小时。过滤后的水体中重金属离子的含量降至初始值的5％-10％。
实施例1：
某污水处理厂含4910mg Cu2+的污水中，加入浓度1.1mol/L的盐酸(HCl)溶液调节至pH值3，向污水中加入9.82gEPS吸附剂，15小时之后，向污水中加入EPS吸附剂质量1.0％的絮凝剂氯化铝(AlCl3)，搅拌1小时，过滤后的水体中Cu2+含量降至初始值的7.2％。
实施例2：
某污水处理厂含4487mg Zn2+的污水中，加入浓度1.3mol/L的醋酸(Ch3COOH)溶液调节至pH值5.5，向污水中加入24.68gEPS吸附剂，15时之后，向污水中加入EPS吸附剂质量1.0％的絮凝剂聚硅酸絮凝剂(PSAA)，搅拌5小时，过滤后的水体中Zn2+含量降至初始值的4.6％。
实施例3：
某污水处理厂含5492mg Cr3+的污水中，加入浓度0.9mol/L的硫酸(H2SO4)调节至pH值5.5，向污水中加入43.94gEPS吸附剂，30小时之后，向污水中加入EPS吸附剂质量10.0％的絮凝剂硫酸铁(Fe2(SO4)3)，搅拌5小时，过滤后的水体中Cr3+含量降至初始值的5.5％。
实施例4：
某污水处理厂含7865mg Ni2+的污水中，加入浓度1.5mol/L的硫酸(H2SO4)调节至pH值3，向污水中加入11.80gEPS吸附剂，15小时之后，向污水中加入EPS吸附剂质量1.0％的絮凝剂硫酸铝(Al2(SO4)3)，搅拌5小时，过滤后的水体中Ni2+含量降至初始值的2.8％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)菌体培养：培养Brevibacillus agri strain菌体的温度为30-45℃，培养时间为25-40小时；
(2)提取胞外聚合物：从步骤(1)培养的菌体中分离S-EPS溶液、LB-EPS溶液与TB-EPS溶液，并混合均匀，冷冻干燥后制成EPS吸附剂；
(3)向待处理的含有Cu2+，Zn2+、Cr3+，Ni2+的被污染水体中加酸调节至pH 3-5.5，温度调节至20-35℃；
(4)向步骤(3)中调节后的水体中加入由步骤(2)制得的EPS吸附剂，吸附15-30小时；
(5)向步骤(4)中吸附后的水体中加入絮凝剂，过滤后得到被净化的水体。
2.根据权利要求1所述的生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤(2)中S-EPS溶液由步骤(1)中所得菌体培养液在室温下3000-5500rpm，离心10-25分钟，并透析20-36小时而制得。
3.根据权利要求1所述的生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤(2)中LB-EPS溶液由分离S-EPS溶液后的菌体再溶解至超纯水中，在20-50瓦特下超声处理1-8分钟，再将悬浮液置于离心机中于6000-10000rpm下离心10-25分钟，透析20-36小时而制得。
4.根据权利要求1所述的生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤(2)中TB-EPS溶液由分离S-EPS溶液与LB-EPS溶液后的菌体再溶解至超纯水中，并在60-85℃加热10-30分钟；将悬浮液在12000-18000rpm下离心10-25分钟，透析20-36小时而制得。
5.根据权利要求1所述的生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤(3)中用于调节pH值的酸为硫酸(H2SO4)、盐酸(HCl)、磷酸(H3PO4)、醋酸(CH3COOH)的至少一种，均需配为浓度≤1.5mol/L稀溶液后加入。
6.根据权利要求1所述的生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，其特征在于：在被污染水体中，每100mgCu2+、Zn2+、Cr3+、Ni2+，所对应的EPS吸附剂投加量分别为0.2-0.65g、0.30-0.55g、0.30-0.80g、0.15-0.85g。
7.根据权利要求1所述的生物吸附剂制备及吸附重金属离子的方法，其特征在于：所述步骤(5)中絮凝剂为硫酸铁(Fe2(SO4)3)、氯化铝(AlCl3)、硫酸铝(Al2(SO4)3)、氯化铁(Fe2Cl3)、聚硅酸絮凝剂(PSAA)的至少一种，加入量为所投加EPS吸附剂质量的1.0％-10％，搅拌1-5小时。
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