CN106946310A - 磁性纳米材料在溶液中吸附大肠杆菌的应用 - Google Patents

磁性纳米材料在溶液中吸附大肠杆菌的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了磁性纳米材料在溶液中吸附大肠杆菌的应用。所述磁性吸附剂为纳米级四氧化三铁或磷酸盐与四氧化三铁形成的磁性磷酸盐纳米或微米复合材料。本发明首次发现所述的磁性纳米材料能够高效快速吸附水中的高含量大肠杆菌，并对其去除大肠杆菌的性能进行了研究，优化了反应条件。本发明中使用的磁性纳米材料是纳米尺度的粉末材料，制备简便，成本低廉，形貌规整，比表面积大，活性位点多，对溶液中大肠杆菌的去除速率快，去除率高，可快速磁性回收，多次循环使用，环境友好，无二次污染。

Description

磁性纳米材料在溶液中吸附大肠杆菌的应用
技术领域
本发明属于生物废水处理技术领域，具体涉及磁性纳米材料在溶液中吸附大肠杆菌的应用。
背景技术
纳米材料用于溶液中大肠杆菌的去除，在生物溶液处理技术领域中是研发中的技术。磁性纳米材料具有易回收的特点，可重复使用，节约成本，减少吸附剂的残留对水体造成的二次污染，因此磁性复合纳米吸附剂在科学研究和实际应用中受到了广泛关注。目前，已经有一些磁性复合纳米材料用于去除水中大肠杆菌的报道，如用聚酰胺修饰三嗪β-环糊精包裹的磁性纳米材料处理起始浓度大约在105CFU/mL的大肠杆菌，去除率达97％(Chem.Eng.J.309(2016)321-329)，0.5g/L的溴化十六烷基三甲铵修饰的磁性纳米材料对含有约1×107CFU/mL溶液的除菌率达99％(Colloids Surf.,B 136(2015)659-665)，疏水性壳聚糖包裹的磁性纳米材料可去除水中1.38×105Cells/mg的大肠杆菌(Ind.Eng.Chem.Res.54(2015)9270-9277)，十六烷基三甲基溴化铵修饰的磁性纳米球材料对约107CFU/mL的大肠杆菌的去除率达98％(Mater.Lett.134(2015)290-294)，聚(2-(二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯)包裹Fe3O4的磁性材料对大肠杆菌的吸附量为105-106cell/mg(Environ.Sci.Technol.44(2010)7908-7913)，羧酸基化/氨基化/硫醇化的四氧化三铁磁性纳米材料对大肠杆菌的去除率约50％(J.Hazard.Mater.192(2011)1539-1547)，Fe3O4/石墨烯磁性复合材料对水中大肠杆菌的去除率达93.09％(ACS Appl.Mater.Interfaces 7(2015)4290-4298)，Fe3O4-SiO2-NH2复合材料对10-102CFU/mL的大肠杆菌的去除率可达97.39％(Biomacromolecules 12(2011)1305-1311)。上述这些材料均对大肠杆菌表现出了一定的吸附能力，但吸附量不高，在实际使用中需要投入大量的吸附材料，可能会带来大量难处理废渣。另外，有些材料制备过程复杂，成本较高，材料中的有机成分在制备或使用过程中可能会对环境造成二次污染。因此，开发出廉价易得、能高效去除溶液中大肠杆菌、快速方便回收再利用的无机磁性纳米材料，将具有较高的研究价值和应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有磁性纳米吸附材料的制备复杂、成本高、含有机成分易二次污染、无法满足实际去除应用等不足，提供一系列无机磁性纳米材料在溶液中吸附大肠杆菌中的应用，磁性吸附剂原料廉价易得，制备简便，快速高效除菌，操作简单，可磁性回收，可循环使用，绿色环保，适合工业化大规模应用。
本发明的目的可通过以下技术方案实现：
磁性纳米材料在吸附大肠杆菌中的应用，所述磁性吸附剂为纳米级四氧化三铁或磷酸盐与四氧化三铁形成的磁性磷酸盐纳米或微米复合材料。所述的磁性磷酸盐复合材料优选磁性磷酸锶、磁性羟基磷酸锶、磁性磷酸钡、磁性磷酸锶钡、磁性羟基磷酸锶钡、磁性磷酸钙或磁性羟基磷酸钙中的任意一种或多种。
本发明所述的磁性吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将可溶性铁盐溶于常见有机醇类溶剂中，加入醋酸钠、表面活性剂和固体聚乙二醇，再装入反应釜中，在85℃-300℃下反应1h-48h，反应后的产物经过离心、过滤或者磁性分离、洗涤、干燥即得到磁性四氧化三铁纳米/微米材料。
(2)将可溶性金属盐溶解于水中，加入四氧化三铁纳米材料，表面活性剂、混合均匀得到溶液；
(3)将含磷酸根的可溶性盐溶解于水中，得到含磷酸根的可溶性盐水溶液，向步骤(1)得到的溶液中逐渐滴加，直到两者完全混匀，再装入反应釜中，在5℃-300℃反应1h-48h，反应后的产物经过离心、过滤或者磁性分离、洗涤、干燥即得到磁性磷酸盐类吸附剂。
本发明制备方法中所述的可溶性铁盐为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁等中的一种或两种以上。考虑到铁盐的溶解性和铁离子在溶液中的水解性，优选的可溶性铁盐为氯化铁。
所述的常见有机醇类溶剂为乙二醇、乙醇、异丙醇、甲醇等中的一种或两种以上。考虑到溶剂的极性和酸碱性，优选的溶剂为乙二醇。
所述的固体聚乙二醇的分子量可为400，2000，4000，6000，8000，12000等中的一种或两种以上。为了获得形貌较规整的产物，固体聚乙二醇优选的分子量为2000。
本发明制备方法中的水优选为去离子水，为了减少普通水中含有的微量离子对本发明制备的磷酸盐材料产生影响。
所述的可溶性金属盐与含磷酸根的可溶性盐的用量，一般根据所需制备的磷酸盐材料中金属阳离子与磷酸根的摩尔配比来计算可溶性金属盐与含磷酸根的可溶性盐的用量，或者某一原料过量，保证产物完全生成，所述的可溶性金属盐、表面活性剂和含磷酸根的可溶性盐的质量比为1∶0.1∶0.5-10。
所述的可溶性金属盐由金属阳离子和阴离子组成，所述的金属阳离子与磷酸盐材料中的金属阳离子具有相同的含义，可选用Sr2+、Ba2+、Ca2+中的一种或两种，可溶性金属盐中对阴离子没有特别的要求，只需要满足与Sr2+、Ba2+、Ca结合后为可溶性的盐即可。
所述的阴离子可选用有机酸根离子、无机酸根离子中的一种或者两种。
所述的无机酸根离子优选氯离子、硝酸根离子中一种或两种以上。
所述的含磷酸根的可溶性盐可选用磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸一氢钠、磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸一氢铵、磷酸钾、磷酸二氢钾、磷酸一氢钾中的一种或两种以上。
所述的表面活性剂可起到软模板的作用，辅助产物形成规整的形貌，可选用本领域常用的表面活性剂，优选十二烷基苯磺酸钠、二乙烯三胺、季铵化合物、硬脂酸、甜菜碱、氨基酸、脂肪酸甘油酯、卵磷脂、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯中的一种或两种以上。
所述的含磷酸根的可溶性盐浓度、所述的可溶性金属盐的浓度可以影响产物磷酸盐的形貌，在浓度较高的条件下，产物规整度变差，尺寸变小，从而影响产物的性能。为了得到较规整的产物，所述的含磷酸根的可溶性盐浓度优选为0.02mol/L-1.2mol/L，所述的可溶性金属盐的浓度优选为0.03mol/L-0.8mol/L。
步骤(1)中，混合均匀后最好调整pH至6-7。太酸防止四氧化三铁被化学腐蚀，太碱防止金属离子锶或钡水解，产生氢氧化锶或氢氧化钡干扰后续磷酸盐的生成。通常采用常见的酸性pH调节剂进行调节，如稀盐酸、稀硝酸等。
步骤(2)中，反应条件优先选择为：在5℃-300℃反应1h-48h。温度太低或者时间太短，产物形貌不好。温度太高容易烧结，产物比表面积小，有效活性位点减少，不利于性能。时间可以适当延长，产物形貌不会有太大变化，但是耗能不经济，大量延长时间，溶剂可能慢慢挥发，产物烧结。
洗涤条件优先选择为：洗涤的溶剂为水或醇中的一种或两种，洗涤3-7次。一般是先是水洗3-5次，然后醇洗3-5次。
干燥条件优先选择为：在30℃-60℃下真空干燥1-24h，真空是为了防止四氧化三铁中二价铁被氧化。
所述的高效去除溶液中大肠杆菌的磁性纳米材料具有快速、高去除率、溶液不需要预处理等优点。
一种利用所述的磁性纳米材料吸附溶液中大肠杆菌的方法，包括以下步骤：
(1)调节溶液中大肠杆菌的含量至2×108CFU/mL-1.25×109CFU/mL，pH至5.0-10.0；
(2)将权利要求1中所述的磁性纳米材料均匀分散在步骤(1)调节pH的溶液中，于20℃-40℃下搅拌反应10min-60min，处理完成后在磁力作用下使磁性纳米材料聚集，实现固液分离；其中磁性纳米材料的投加量为每升含有大肠杆菌的溶液中投加0.4g-4g。
作为本发明的一种优选，调节含大肠杆菌溶液中大肠杆菌的含量至2×108CFU/mL-5×109CFU/mL。
作为本发明的一种优选，调节溶液pH至6.5-8。
作为本发明的一种优选，所述的磁性纳米材料的投加量为每升溶液中投加0.4g-3g。
作为本发明的一种优选，30℃-40℃下搅拌反应20min-60min。
去除率的计算方法如下：
去除率(％)＝(反应前大肠杆菌的浓度-反应后大肠杆菌浓度)/反应前大肠杆菌溶液浓度×100％
上述计算方法中，反应前或反应后大肠杆菌溶液浓度(即吸附后的溶液中大肠杆菌溶液的浓度)可采用紫外可见分光光度计在600纳米波长处来测量。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：
1、本发明首次发现所述的磁性纳米材料能够吸附水中的大肠杆菌，并对其吸附溶液中的大肠杆菌方法进行了研究，优化了处理方法。本发明中使用的磁性纳米材料是纳米尺度范围的粉末材料，比表面积大，活性位点多，因此可快速去除大肠杆菌，且具有较高饱和吸附量，对上述大肠杆菌的去除率高。
2、本发明中的磁性磷酸盐纳米材料形貌规整，纯度高，杂质少，比天然含磷酸盐的材料含有更多的有效的成分，同时用料少，产生较少的污泥，减少后续处理。
3、本发明中的磁性磷酸盐材料廉价易得，具有环境友好的特性，不易造成二次污染，加入少量的吸附剂即可快速、高效去除上述大肠杆菌。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的磁性羟基磷酸锶纳米棒的扫描电子显微镜图；
图2为本发明实施例1制备的磁性羟基磷酸锶纳米棒的X射线衍射谱图；
图3为本发明实施例2制备的磁性磷酸钡纳米材料、磁性羟基磷酸锶纳米材料、磁性磷酸锶钡的复合纳米材料在不同酸碱度(pH值)条件下对大肠杆菌去除率的变化关系图；其中FB代表磁性磷酸钡纳米材料，FS代表磁性羟基磷酸锶纳米材料，FSB代表磁性磷酸锶钡的复合纳米材料，下同。
图4为本发明实施例3制备的磁性磷酸钡纳米材料、磁性羟基磷酸锶纳米材料、磁性磷酸锶钡复合纳米材料在不同温度(Temperature,℃)条件下对大肠杆菌去除率的变化关系图；
图5为本发明实施例4的磁性磷酸钡纳米材料、磁性羟基磷酸锶纳米材料、磁性磷酸锶钡复合纳米材料对不同初始大肠杆菌浓度(C,CFU/mL)去除率的变化关系图；
图6为本发明实施例5的磁性磷酸钡纳米材料、磁性羟基磷酸锶纳米材料、磁性磷酸锶钡复合纳米材料在不同吸附时间(Time,min)与大肠杆菌去除率的变化关系图；
图7为本发明实施例6制备的磁性磷酸钡纳米材料、磁性羟基磷酸锶纳米材料、磁性磷酸锶钡的复合纳米材料在不同固体材料投入量(dosage,g)条件下对大肠杆菌去除率的变化关系图。
图8为本发明实施例6制备的磁性磷酸钡纳米材料、磁性羟基磷酸锶纳米材料、磁性磷酸锶钡的复合纳米材料循环次数(cycle)五次后对大肠杆菌去除率的变化关系图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
将0.03mol硝酸锶加入40mL的去离子水中溶解，再加入0.06g四氧化三铁纳米颗粒，充分搅拌至均匀分散，即为溶液1，将0.01mol磷酸钠加入20mL的去离子水中溶解，即为溶液2，将溶液2缓慢滴入溶液1中，并将该混合溶液置于40℃水浴锅中，充分搅拌30min，将该混合溶液倒入100mL高温反应釜中，180℃下反应12h，冷却至室温，用去离子水清洗3次，然后用乙醇洗3次，60℃下真空烘干4h，即得到淡粉色的磁性羟基磷酸锶纳米材料，其扫描电子显微镜图如图1所示，从图1可见，制得的磁性羟基磷酸锶是直径为20-50nm，长度为200-400nm的棒状纳米材料；该磁性羟基磷酸锶纳米颗粒的X射线衍射谱图如图2所示。
实施例2
将0.03mol硝酸钡加入40mL的去离子水中溶解，再加入0.06g四氧化三铁纳米，充分搅拌至均匀分散，即为溶液1，将0.01mol磷酸钠加入20mL的去离子水中溶解，即为溶液2，将溶液2缓慢滴入溶液1中，并将该混合溶液置于40℃水浴锅中，充分搅拌30min，将该混合溶液倒入100mL高温反应釜中，180℃下反应12h，冷却至室温，用去离子水清洗3次，然后用乙醇洗3次，60℃真空下烘干4h，得到淡粉色的磁性磷酸钡纳米材料。
将0.015mol硝酸钡和0.015mol硝酸锶加入40mL的去离子水中溶解，再加入0.06g四氧化三铁纳米材料，充分搅拌至均匀分散，即为溶液1，将0.01mol磷酸钠加入20mL的去离子水中溶解，即为溶液2，将溶液2缓慢滴入溶液1中，并将该混合溶液置于40℃水浴锅中，充分搅拌30min，将该混合溶液倒入100mL高温反应釜中，180℃下反应12h，冷却至室温，用去离子水清洗5次，再用乙醇清洗2次，60℃下真空烘干4h，得到淡粉色的磁性磷酸锶钡复合纳米材料。
在5个100mL的烧杯中分别配制50mL的大约5×108CFU/mL的大肠杆菌水溶液，用HCl和NaOH来调整溶液的pH值，使得pH分别为6.0、6.5、7.0、7.5、8.0；然后分别向这5个烧杯中加入0.1g本实施例中制备得到的磁性磷酸钡纳米材料，在35℃下搅拌反应30min，30min后，利用磁性作用，使固液分离，然后用注射器取上层液体3mL，用紫外可见分光光度计对大肠杆菌浓度进行测量，最后计算去除率，具体结果如图3所示，图3为不同pH值条件下磁性磷酸钡纳米材料对大肠杆菌溶液的去除率的变化关系图。由图可见在含大肠杆菌水溶液的pH在6.0-8.0，尤其是pH6.5-8.0的范围，磁性纳米材料对大肠杆菌有更好的去除效果。
把上述的0.1g的制备得到的磁性磷酸钡纳米材料换成0.1g制备得到的磁性羟基磷酸锶纳米材料或磁性磷酸锶钡复合纳米材料，按照上述的步骤继续操作。实验发现所采用的磁性磷酸钡纳米材料的吸附量受pH值影响较小，其中在pH为6.5时去除率最好。
实施例3
在5个100mL的烧杯中分别配制50mL的大约5×108CFU/mL的大肠杆菌水溶液，然后分别向这5个烧杯中加入0.1g本实施例中制备得到的磁性磷酸钡纳米材料。分别放入温度为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃的水浴锅中，搅拌反应30min；磁性作用使固液分离之后，用注射器从5个烧杯的上层液体中分别取3mL溶液，用紫外可见分光光度计对大肠杆菌浓度进行测量，并进行去除率计算。把上述的0.1g的制备得到的磁性磷酸钡纳米材料分别改成0.1g的制备得到的磁性羟基磷酸锶纳米材料或磁性磷酸锶钡纳米材料，按照上述的步骤继续操作。
具体结果如图4所示，图4为不同温度下磁性复合纳米材料对大肠杆菌的去除率的变化关系图。由图可见当搅拌水温在20℃-40℃，尤其是在30-40℃时磁性纳米材料对大肠杆菌有更好的去除效果。
实施例4
在5个100mL的烧杯中配制50mL的大肠杆菌水溶液，浓度分别为2.5×108CFU/mL、5×108CFU/mL、7.5×108CFU/mL、1×109CFU/mL、1.25×109CFU/mL。然后分别将0.1g实施例2中制备得到的磁性磷酸钡材料加入到这5个烧杯中。在35℃下搅拌反应30min，磁性作用使固液分离之后，分别用注射器从烧杯中取3mL溶液，用紫外可见分光光度计对大肠杆菌的浓度进行测量，并进行去除率计算，把上述的0.1g的制备得到的磁性磷酸钡纳米材料改成0.1g的制备得到的磁性羟基磷酸锶纳米材料或磁性磷酸锶钡纳米材料，按照上述的步骤继续操作。具体结果如图5所示，图5为磁性纳米材料的吸附曲线，即大肠杆菌的初始溶液浓度(CFU/mL)与大肠杆菌的去除率的变化关系图。由图可见大肠杆菌在水溶液中的初始浓度为2.5×108CFU/mL-1.25×109CFU/mL，尤其是初始浓度为2.5×108CFU/mL-5×108CFU/mL时磁性纳米材料对大肠杆菌有更好的去除效果。
可见，本发明制备出来的磁性复合材料对大肠杆菌就有很好的吸附效果。与其他技术相比，可以处理大肠杆菌的初始浓度更高。Fe3O4-SiO2-NH2的复合材料吸附大肠杆菌的菌液浓度10-102CFU/mL(Biomacromolecules 12(2011)1305-1311)，正离子化的磁性材料吸附大肠杆菌的菌液浓度大约100CFU/mL(Appl.Environ.Microbiol.82(2016)3599-3604)，聚酰胺修饰三嗪β-环糊精包裹的磁性纳米材料吸附大肠杆菌的菌液浓度大约在105CFU/mL(Chem.Eng.J.309(2016)321-329)等。而本发明磁性材料或磁性复合材料可处理大大肠杆菌的初始浓度达108-109CFU/mL。
实施例5
在5个100mL的烧杯中配制50mL的大约5×108CFU/mL的大肠杆菌水溶液，然后将0.1g磁性磷酸钡纳米材料分别加入烧杯中。在35℃的条件下，分别搅拌10min、20min、30min、40min、50min，然后利用磁力作用使固液分离后，分别用注射器从烧杯的上层液体中取3mL溶液，再用紫外可见分光光度计对滤液中大肠杆菌的浓度进行测量。把上述的0.1g的制备得到的磁性磷酸钡纳米材料改成0.1g的制备得到的磁性羟基磷酸锶纳米材料或磁性磷酸锶钡纳米材料，按照上述的步骤继续操作。具体结果如图6所示，图6为磁性复合纳米材料的吸附曲线，即时间与大肠杆菌的去除率的变化关系图。实验发现该磁性纳米材料能快速的吸附大肠杆菌，30min即可达到吸附平衡。可见，本发明制备的磁性复合材料快速吸附水中的大肠杆菌，而且除去量也比较高，相对比较已有的技术，溴化十六烷基三甲铵修饰的磁性纳米材料在60min处理细菌后，除菌率达99％(Colloids Surf.,B136(2015)659-665)，十六烷基三甲基溴化铵附载到磁性纳米球材料在24h处理大肠杆菌后，去除率可达98％(Mater.Lett.134(2015)290-294)等。
实施例6
在5个100mL的烧杯中配制50mL的大约5×108CFU/mL的大肠杆菌水溶液，在35℃的条件下，分别向5个烧杯中加入0.02g、0.05g、0.08g、0.1g、0.15g的磁性磷酸钡材料，电动搅拌60min后，利用磁力作用是固液分离之后，分别用注射器从烧杯的上层液体中取3mL溶液，再用紫外可见分光光度计对滤液中大肠杆菌的浓度进行测量。把上述的制备得到的磁性磷酸钡纳米材料改成制备得到的磁性羟基磷酸锶纳米材料或磁性磷酸锶钡纳米材料，按照上述的步骤继续操作。具体结果如图7所示，图7为磁性复合纳米材料的吸附曲线，即固体投入量与大肠杆菌的去除率的变化关系图。由图可见磁性纳米材料的加入量在每升含有大肠杆菌的溶液中投加0.4g-4g，尤其是每升溶液中投加0.4g-3g时磁性纳米材料对大肠杆菌有更好的去除效果。
在5个100mL的烧杯中配制50mL的大约5×108CFU/mL的大肠杆菌水溶液，在35℃的条件下，分别向5个烧杯中加入0.1g的磁性磷酸钡材料，电动搅拌60min后，利用磁力作用是固液分离之后，分别用注射器从烧杯的上层液体中取3mL溶液，再用紫外可见分光光度计对滤液中大肠杆菌的浓度进行测量，吸附结束之后回收后的材料不经过任何处理在相同反应条件，进行后续循环的吸附实验，重复循环5次，分别测得每次循环使用后的去除率。把上述的制备得到的磁性磷酸钡纳米材料改成制备得到的磁性羟基磷酸锶纳米材料或磁性磷酸锶钡纳米材料，按照上述的步骤继续操作。具体结果如图8所示，图8为磁性复合纳米材料不同循环次数后材料对大肠杆菌的去除率对比图。由图可见，即便循环使用5次，磁性纳米材料对大肠杆菌依然有很好的去除效果。

Claims (7)

1.磁性纳米材料在溶液中吸附大肠杆菌的应用，其特征在于所述磁性吸附剂为纳米级四氧化三铁或磷酸盐与四氧化三铁形成的磁性磷酸盐纳米或微米复合材料。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于所述的磁性磷酸盐复合材料选自磁性磷酸锶、磁性羟基磷酸锶、磁性磷酸钡、磁性磷酸锶钡、磁性羟基磷酸锶钡、磁性磷酸钙或磁性羟基磷酸钙中的任意一种或多种。
3.一种利用权利要求1中所述的磁性纳米材料去除溶液中大肠杆菌的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)调节溶液中大肠杆菌的含量至2×108CFU/mL-1.25×109CFU/mL，pH至5.0-10.0；
(2)将权利要求1中所述的磁性纳米材料均匀分散在步骤(1)调节pH的溶液中，于20℃-40℃下搅拌反应10min-60min，处理完成后在磁力作用下使磁性纳米材料聚集，实现固液分离；其中磁性纳米材料的投加量为每升含有大肠杆菌的溶液中投加0.4g-4g。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于调节含大肠杆菌溶液中大肠杆菌的含量至2×108CFU/mL-5×108CFU/mL。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于调节溶液pH至6.5-8。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的磁性纳米材料的投加量为每升溶液中投加0.4g-3g。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于30℃-40℃下搅拌反应20min-60min。
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