CN107058450A - 一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂及其制备方法，属于处理酸洗氧化石墨烯废水的生物絮凝剂及其制备方法。将乳酸球菌和肠球菌分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液，经纯化、烘干，将产物按照重量比(1.5‑3)：1进行配比。本发明优点在于絮凝率高、环境友好、热稳定性良好，在氧化石墨烯制备的酸洗废水中回收氧化石墨烯的过程中絮凝回收效果显著。

Description

一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种处理酸洗氧化石墨烯废水的生物絮凝剂及其制备方法。

背景技术

氧化石墨烯是近年来广受关注的一种新兴材料，由于其拥有非常良好的电化学性能，因此，在电子技术、生物传感器、纳米管、半导体等领域得到了广泛的应用。预计，以氧化石墨烯为基础的产品市场在2020年将达到近六亿七千五百万美元产值。由于生产发展和市场趋势导致了越来越大了的氧化石墨烯纳米材料被释放到环境中。尤其在制备氧化石墨烯的现行工艺中，酸洗氧化石墨烯的流程产生了大量含有氧化石墨烯浓度在10μg-50g/L的酸洗废水，这种废水不仅浪费了高昂的石墨烯制备成本，降低了氧化石墨烯产率，也产生了大量的含有氧化石墨烯废水。已经有研究表明，氧化石墨烯纳米材料在污水和活性污泥中的积累中表现出了急性毒性。在浓度为50-300mgL^-1的浓度下对于微生物种群的代谢活性，细菌的生存能力，和营养物的生物去除能力，如有机物的代谢，脱氮除磷活性都受到了显著影响。纯菌的培养实验也已经表明在40–80mgL^-1氧化石墨烯的浓度下，细菌致死率高达60-80％。众所周知，自然水生系统的工程依赖于良好的微生物群落、复杂的微生物生态系统和合理的天然有机物和悬浮颗粒，氧化石墨烯类新兴水污染物的出现无疑为净水工艺提出新的挑战。因此，在氧化石墨烯工业领域急需一种针对氧化石墨烯类污染物的快速、有效、安全的处理和回收的办法。

传统应急化学絮凝剂如聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、聚丙烯酰胺等也可以处理并絮凝一定比例的氧化石墨烯，但由于氧化石墨烯的良好极性，这类絮凝剂的去除效果并不理想，同时也被证实存在健康安全隐患，例如铝超标及丙烯酰胺单体能够危害人的神经系统和促发细胞癌变；同时也使水体引入了金属离子和次级污染物质，能够造成二次污染。而运用活性炭等吸附剂吸附或强化混凝的方法对于水溶性良好的纳米型氧化石墨烯污染物的吸附效果同样不好。因此，在絮凝剂研发领域急需一种能够应对高浓度氧化石墨烯水的可持续性强、价格经济的絮凝剂。而生物絮凝剂作为一种新兴絮凝剂具有适应性强、安全性高、来源广泛、价格低廉的特点，在处理氧化石墨烯废水方面具有传统处理方法所不具备的优势。

发明内容

本发明提供一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂及其制备方法，以解决现有氧化石墨烯的生产流程中存在的废水处理成本高、能耗高，回收困难的问题。

本发明采取的技术方案是：一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂，是由下列步骤得到的：

(a)将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)，NCBI编号：EU285587，和肠球菌(Enterococcus saccharominimus)，NCBI编号：AJ626902分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液；

(b)将步骤(a)得到的两种上清液分别和乙醇混合、4℃离心、烘干，分别得两种烘干产物；

(c)将烘干的两种产物按照重量比(1.5-3)：1进行配比。

本发明所述发酵培养的培养基包括：

葡萄糖1％-2％，(NH₄)₂SO₄ 0.01％-0.05％，K₂HPO₄ 0.1％-0.25％，KH₂PO₄0.05％-0.1％，MgSO₄·7H₂O 0.01％-0.02％，NaCl 0.005％-0.01％，酵母膏0.01％-0.05％，尿素0.01％-0.05％，pH6.0-8.0。

本发明所述发酵培养的菌株接种量按菌落离心后的湿重以发酵培养基总重量计为0.5-2％。

本发明所述发酵培养的菌株培养温度为20-35℃，培养时间为40-120小时。

本发明所述步骤(b)具体如下：

(1)将步骤(a)得到的两种上清液分别处理：先加2倍体积乙醇，4℃离心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去离子水，同时加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶CPC，震荡3小时；

(2)震荡后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5M的NaCl溶液，再加2倍体积的乙醇，离心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脱并溶于5ml的去离子水，真空干燥，分别得到两种干燥产物。

一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂的制备方法，包括下列步骤：

(a)将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)，NCBI编号：EU285587，和肠球菌(Enterococcus saccharominimus)，NCBI编号：AJ626902分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液；

(b)将步骤(a)得到的两种上清液分别和乙醇混合、4℃离心、烘干，分别得两种烘干产物；

(c)将烘干的两种产物按照重量比(1.5-3)：1进行配比。

本发明生物絮凝剂的红外光谱图显示在3431.7±50cm^-1和1739.9±50cm^-1处透过率为41.5-57.2％，紫外光谱图显示在260±5nm和280±5nm处的吸光度<0.05，生物絮凝剂的总重量计，多糖含量为80-95％；相对分子质量为9×10⁴-6×10⁵Da。

本发明生物絮凝剂具有广泛的应用，例如但不限于，处理畜牧场废水；改善污泥的沉降性能；去除废水中的悬浮颗粒；处理含有高悬浮物的建筑材料加工废水；处理瓦厂废水；对墨水、糖蜜废水、造纸黑液、颜料废水等进行处理，上清液呈无色透明；乳化液的油水分离；鞣革工业废水的处理；取代发酵工业和食品工业传统工艺中的离心和过滤分离细胞、回收发酵废液中有用的产品等；城市污水的处理。

优选处理为溶有氧化石墨烯废水。

将本发明生物絮凝剂和待处理的氧化石墨废水液混合，静置可以使氧化石墨烯絮凝率达到95％以上；以混合后的液体的总体积计，所述生物絮凝剂为0.5‰-2％(v/v)，待处理的氧化石墨烯酸洗废水，在浓度为1ug/L-50g/L均能达到95％以上的絮凝效率。

本发明的优点是，提供了一种由乳酸球菌和肠球菌制备的生物絮凝剂，在回收处理废水中的氧化石墨烯时，具有成本低、絮凝效率高、能耗低、速度快和操作简便的特点，生产工艺简单、发酵周期短，

具有高絮凝活性、使用无二次污染、适合大规模生产和工业应用，具有生物分解性和安全性、高效、无毒。

本发明生物絮凝剂已经被证明在处理含氧化石墨烯废水过程中具有独特的优势和广泛的应用前景，具体表现在：去除效率高：生物絮凝剂对于氧化石墨烯废水的处理表现为用量少，絮凝率达95％以上；絮凝过程无二次污染：尽管微生物产生的絮凝剂成分随菌种的不同而不同，目前已报到的生物絮凝剂物质多为糖蛋白、粘多糖、纤维素和DNA等物质，但生物絮凝剂都具有可降解性，因而絮凝氧化石墨烯以后不会带来二次污染；本发明所使用的肠球菌特异性生物絮凝剂易被微生物降解、无毒无害、安全性高：经小白鼠安全试验证明，生物絮凝剂完全能用于食品、医药等行业；本发明所应用的生物絮凝剂还具有不受温度影响、用量小等特点，在酸性和弱碱性条件下对于氧化石墨烯废水具有良好的絮凝效果。

附图说明

图1是本发明生物絮凝剂对5gL^-1和50gL^-1浓度的氧化石墨烯溶液的絮凝效果图；

图2是本发明生物絮凝剂的红外扫描吸收峰图谱；

图3是本发明生物絮凝剂回收得到的氧化石墨烯的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

(a)将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)，NCBI编号：EU285587，和肠球菌(Enterococcus saccharominimus)，NCBI编号：AJ626902分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液；其中：

培养基包括：

葡萄糖1％，(NH₄)₂SO₄ 0.01％，K₂HPO₄ 0.1％，KH₂PO₄ 0.05％，MgSO₄·7H₂O0.01％，NaCl 0.005％，酵母膏0.01％，尿素0.01％，pH6.0；

菌株接种量按菌落离心后的湿重以发酵培养基总重量计为0.5％；

菌株培养温度为20℃，培养时间为40小时；

(b)将步骤(a)得到的两种上清液分别和乙醇混合、4℃离心、烘干，分别得两种烘干产物；具体如下：

(1)将步骤(a)得到的两种上清液分别处理：先加2倍体积乙醇，4℃离心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去离子水，同时加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶CPC，震荡3小时；

(2)震荡后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5M的NaCl溶液，再加2倍体积的乙醇，离心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脱并溶于5ml的去离子水，真空干燥，分别得到两种干燥产物：乳酸球菌上清液干燥产物，肠球菌上清液干燥产物；

(c)将烘干的两种产物按照重量比，乳酸球菌上清液干燥产物：肠球菌上清液干燥产物＝1.5：1进行配比。

实施例2

(a)将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)，NCBI编号：EU285587，和肠球菌(Enterococcus saccharominimus)，NCBI编号：AJ626902分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液；其中：

培养基包括：

葡萄糖1.5％，(NH₄)₂SO₄ 0.03％，K₂HPO₄ 0.18％，KH₂PO₄ 0.08％，MgSO₄·7H₂O0.015％，NaCl 0.008％，酵母膏0.03％，尿素0.03％，pH7.0；

菌株接种量按菌落离心后的湿重以发酵培养基总重量计为1.2％；

菌株培养温度为28℃，培养时间为80小时；

(b)将步骤(a)得到的两种上清液分别和乙醇混合、4℃离心、烘干，分别得两种烘干产物；具体如下：

(1)将步骤(a)得到的两种上清液分别处理：先加2倍体积乙醇，4℃离心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去离子水，同时加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶CPC，震荡3小时；

(2)震荡后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5M的NaCl溶液，再加2倍体积的乙醇，离心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脱并溶于5ml的去离子水，真空干燥，分别得到两种干燥产物；(c)将烘干的两种产物按照重量比2.3：1进行配比。

实施例3

(a)将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)，NCBI编号：EU285587，和肠球菌(Enterococcus saccharominimus)，NCBI编号：AJ626902分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液；其中：

培养基包括：

葡萄糖2％，(NH₄)₂SO₄ 0.05％，K₂HPO₄0.25％，KH₂PO₄ 0.1％，MgSO₄·7H₂O 0.02％，NaCl 0.01％，酵母膏0.05％，尿素0.05％，pH8.0；

菌株接种量按菌落离心后的湿重以发酵培养基总重量计为2％；

菌株培养温度为35℃，培养时间为120小时；

(b)将步骤(a)得到的两种上清液分别和乙醇混合、4℃离心、烘干，分别得两种烘干产物；具体如下：

(1)将步骤(a)得到的两种上清液分别处理：先加2倍体积乙醇，4℃离心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去离子水，同时加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶CPC，震荡3小时；

(2)震荡后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5M的NaCl溶液，再加2倍体积的乙醇，离心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脱并溶于5ml的去离子水，真空干燥，分别得到两种干燥产物；

(c)将烘干的两种产物按照重量比3：1进行配比。

下边通过实验例来进一步说明本发明。

实验例1生物絮凝剂的组分鉴定

将实施例1得到的絮凝剂取少量配成5g/L的溶液，将其进行紫外扫描，并做糖的鉴定实验，同时用溴化钾压片法对絮凝剂干粉进行红外扫描，结果见图2：

所述红外光谱图是一个典型的多糖红外光谱图，在3423^-1附近均出现的吸收峰是N-H键伸缩振动造成的；在2930^-1附近均出现的吸收峰是C-H不对称伸缩振动造成的，此吸收峰是糖类的特征峰；在1595^-1附近均出现的吸收峰是酰胺基团(-NHC＝O-)中的C＝O键伸缩振动造成的，在1500^-1附近均出现的吸收峰是N-H的变角振动造成的，在1417^-1附近均出现的吸收峰是酰胺基团(-NHC＝O-)中的C-N键伸展振动和弯曲振动吸收峰，以上三个吸收峰是蛋白质特征峰；在1400^-1附近均出现的吸收峰是C-H的弯曲振动造成的；在1108^-1附近均出现的吸收峰是C-O的非对称振动造成的。

从紫外吸收光谱的结果可以得出，生物絮凝剂在260nm和280nm处均未发现吸收峰，而260nm和280nm分别是核酸和蛋白质的特征吸收峰，因此，可以推断本发明中的生物絮凝剂中不含或极少核酸和蛋白成分。

从紫外扫描以及显色反应来看，絮凝剂的主要成分是多糖，不含或含少量核酸与蛋白质类物质，进一步用苯酚硫酸法测得其多糖含量为87％左右。

实验例2菌种筛选方法

筛选流程中共使用两种培养基(gl^-1)：

①种子培养基(gl^-1)：蔗糖30g，NaN0₃2g，KCl 0.5g，K₂HPO₄1g，MgS0₄.7H₂O 0.5g，FeS0₄ 0.01g，pH7.2；

②产絮凝剂培养基(gl^-1)：葡萄糖10g，废藻生物质30g(湿重)，pH 7.0

以上培养基均在121℃，0.1MPa灭菌30min；

培养条件：将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)和肠球菌(Enterococcussaccharominimus)在种子培养基中过夜培养后离心收集菌丝，将两种菌株接种于产絮凝剂培养基，150rpm，30℃振荡培养3天，检测发酵液的絮凝活性。

筛选方法：取0.1ml发酵液加至装有100ml氧化石墨烯溶液烧杯中，加去离子水定容至刻度，上下混匀后，静置片刻，以紫外分光光度计检测氧化石墨烯的絮凝状况，将其中絮凝活性高的菌株作为复筛菌株。

复筛方法：选取2株初筛得到的具有最高絮凝活性菌株的发酵液，按照响应面法设计不同的配方进行试验，取1ml不同比例配方加至装有100ml氧化石墨烯溶液的100ml烧杯中，加去离子水定容至刻度，振荡后静置5min，取上清于SP-756PC型分光光度计260nm处测吸光度，对照用水代替发酵液。

(2)筛选结果

从活性污泥中分离得到的200株细菌中，如表1所示,挑选两株对氧化石墨烯废水絮凝效率最高的菌株(24号和156号)，其中两株编号为24号(氧化石墨烯絮凝效率为58.36％)和156号(氧化石墨烯絮凝效率为71.5％)的细菌的絮凝活性最高，因此将其作为目标菌。经过响应面模型实验得到二者絮凝氧化石墨烯的最佳絮凝剂配方，最终使氧化石墨烯的絮凝回收效率高达95％以上。

(3)目标菌种特征

为肠球菌属，大小0.6～0.8×2～2.5um,大多数成双或短链状排列，鞭毛运动。在丰富培养基上菌落大而光滑，灰白不透明，血平板上为α溶血或不溶血。

根据菌株的形态学特征以及16SrDNA序列分析，确定该菌株为乳酸球菌(Enterococcus faecalis),NCBI编号：EU285587,和肠球菌(Enterococcussaccharominimus),NCBI编号：AJ626902。

表1.200种不同种属细菌对应的氧化石墨烯絮凝效率

实验例3生物絮凝剂的应用

取实施例1中的生物絮凝剂，选用两种不同浓度的氧化石墨烯溶液，浓度为5gL^-1和50gL^-1，投加生物絮凝剂，投加量为量1％(V/V)加入，混合，搅拌3min，静置5min，吸取上清液于SP-756PC型分光光度计260nm处测定吸光度(A)，以不加絮凝剂的吸光度(A₀)为对照来确定絮凝剂的絮凝活性，以絮凝率(％)表示：

絮凝结果见图1，图1表示所得的生物絮凝剂对5gL^-1和50gL^-1浓度的氧化石墨烯溶液的絮凝效果均高于95％。

结果表明，本发明提供的生物絮凝剂在加量为0.5‰-2％(V/V)的范围内，对氧化石墨烯废水、细菌发酵液以及餐厨废水等均具有良好的絮凝效果，特别是在处理氧化石墨烯废水中，絮凝效果可以达到95％以上，回收得到的氧化石墨烯的扫描电镜照片见图3。

Claims (10)

1.一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂，其特征在于，是由下列步骤得到的：

(a)将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)，NCBI编号：EU285587，和肠球菌(Enterococcus saccharominimus)，NCBI编号：AJ626902分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液；

(b)将步骤(a)得到的两种上清液分别和乙醇混合、4℃离心、烘干，分别得两种烘干产物；

(c)将烘干的两种产物按照重量比(1.5-3)：1进行配比。

2.根据权利要求1所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂，其特征在于，所述发酵培养的培养基包括：

葡萄糖1％-2％，(NH₄)₂SO₄ 0.01％-0.05％，K₂HPO₄ 0.1％-0.25％，KH₂PO₄ 0.05％-0.1％，MgSO₄·7H₂O 0.01％-0.02％，NaCl 0.005％-0.01％，酵母膏0.01％-0.05％，尿素0.01％-0.05％，pH6.0-8.0。

3.根据权利要求1所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂，其特征在于：发酵培养的菌株接种量按菌落离心后的湿重以发酵培养基总重量计为0.5-2％。

4.根据权利要求1所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂，其特征在于：所述发酵培养的菌株培养温度为20-35℃，培养时间为40-120小时。

5.根据权利要求1所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂，其特征在于：步骤(b)具体如下：

(1)将步骤(a)得到的两种上清液分别处理：先加2倍体积乙醇，4℃离心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去离子水，同时加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶CPC，震荡3小时；

(2)震荡后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5M的NaCl溶液，再加2倍体积的乙醇，离心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脱并溶于5ml的去离子水，真空干燥，分别得到两种干燥产物。

6.如权利要求1所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(a)将乳酸球菌(Enterococcus faecalis)，NCBI编号：EU285587，和肠球菌(Enterococcus saccharominimus)，NCBI编号：AJ626902分别经发酵培养得到发酵液，离心除去菌丝体，分别得到两种上清液；

(b)将步骤(a)得到的两种上清液分别和乙醇混合、4℃离心、烘干，分别得两种烘干产物；

(c)将烘干的两种产物按照重量比(1.5-3)：1进行配比。

7.根据权利要求6所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述发酵培养的培养基包括：

葡萄糖1％-2％，(NH₄)₂SO₄ 0.01％-0.05％，K₂HPO₄ 0.1％-0.25％，KH₂PO₄ 0.05％-0.1％，MgSO₄·7H₂O 0.01％-0.02％，NaCl 0.005％-0.01％，酵母膏0.01％-0.05％，尿素0.01％-0.05％，pH6.0-8.0。

8.根据权利要求6所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂的制备方法，其特征在于：发酵培养的菌株接种量按菌落离心后的湿重以发酵培养基总重量计为0.5-2％。

9.根据权利要求6所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂的制备方法，其特征在于：所述发酵培养的菌株培养温度为20-35℃，培养时间为40-120小时。

10.根据权利要求6所述的一种从废水中回收氧化石墨烯的生物絮凝剂的制备方法，其特征在于：步骤(b)具体如下：

(1)将步骤(a)得到的两种上清液分别处理：先加2倍体积乙醇，4℃离心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去离子水，同时加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶CPC，震荡3小时；

(2)震荡后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5M的NaCl溶液，再加2倍体积的乙醇，离心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脱并溶于5ml的去离子水，真空干燥，分别得到两种干燥产物。