CN109569500A

CN109569500A - 负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN109569500A
Application number: CN201811527697.2A
Authority: CN
Inventors: 路建美; 陈冬赟
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109569500B

Abstract

本发明公开了一种负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料及其制备方法与应用，本发明公开的生物复合材料对苯酚污染物具有良好的吸附和降解能力，可以将其用于有害有机化合物的去除。此外，本发明能将吸附与生物处理实现完美结合，充分发挥二者的优势，使有机污染物达到完全去除。

Description

负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于纳米材料制备及其应用领域，具体涉及负载微生物的改性海泡石和金属有机框架复合材料及其制备方法及其在处理苯酚污染水溶液中的应用。

背景技术

最近，由于近代工业的快速发展，各种有害有机化合物（如抗生素，杀虫剂和酚类）被排放到水资源中，其中苯酚就占据了很大一个比重，这已造成大量的环境问题并威胁到人类健康。而且随着城市化和人口的快速增长，探究更有效的技术和更环保的材料来保护我们的水资源变得愈加重要，所以怎样处理酚类化合物已成为人们的研究热点。目前已经开发了诸如吸附，化学氧化和生物处理的技术来去除这些污染分子。吸附法虽然操作简单，但是成本较高并且伴有二次污染和循环利用率低等问题，同样化学方法也有二次污染这一问题的困扰。因此，寻找一种友好型、可持续的处理方法成为国内外研究的热点。

发明内容

本发明是介绍一种利用改性海泡石生物复合材料及其制备方法，并将其用于有害有机化合物处理，将金属有机框架修饰到改性海泡石上，并结合微生物，从而实现对有害化合物苯酚的局部富集和分离效果，从而去除苯酚污染物。

为了达到上述目的，本发明具体技术方案如下：

一种负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：

（1）将水洗后的海泡石依次用HNO₃、HCl与H₂SO₄进行酸活化，得到酸改性海泡石；

（2）将酸改性海泡石依次浸入硅烷偶联剂溶液、对苯二甲酸溶液中，得到羧酸化海泡石；

（3）将羧酸化海泡石与乙酸锌、2-甲基咪唑在溶剂中混合，然后过滤、干燥，得到酸改性海泡石纳米复合材料；

（4）将微生物负载到酸改性海泡石纳米复合材料表面，得到负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料。

一种负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

一种酸改性海泡石纳米复合材料，所述酸改性海泡石纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：

（3）将羧酸化海泡石与乙酸锌、2-甲基咪唑在溶剂中混合，然后过滤、干燥，得到酸改性海泡石纳米复合材料。

一种酸改性海泡石纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

一种处理有机物污染水的方法，包括以下步骤：

（4）将微生物负载到酸改性海泡石纳米复合材料表面，得到负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料；

（5）将负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料置入有机物污染水中，完成有机物污染水的处理。

本发明制备的负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料处理水污染尤其是苯酚污染具有经济、环保、可持续的优势，同时解决了微生物降解污染物耗时较长的缺点，从而在去除有机污染方面可以得到了广泛的应用。

本发明中，海泡石原料加入去离子水中形成浓度为20 g/L的悬浮液，搅拌24小时后于105 ℃干燥2小时，得到水洗后的海泡石。该步骤用去离子水洗主要是将原始海泡石表面的杂质洗去，从而完成对海泡石的纯化，去除杂质的影响，以便用于下一步的酸活化和吸附。

本发明中，进行酸活化时，水洗后的海泡石与每种酸的固液比都为1:15，温度为348k，时间为24小时；酸化后的海泡石依次记为HNO₃活化海泡石、HCl活化海泡石与H₂SO₄活化海泡石，并且在每次酸活化完成后，经过过滤收集混合物、并用去离子水洗涤3次，然后于393k干燥3小时，得到最终酸改性海泡石。酸活化后的海泡石基本形貌未发生改变，但表面的稀疏度有明显的变化，表面稀疏程度相对未活化海泡石更稀，这有利于对苯酚溶液的吸附。相对于未活化的海泡石，酸活化海泡石稀疏程度更大，比表面积更高，对苯酚的吸附能力更强，具有较明显的优势。

本发明中，硅烷偶联剂溶液中，溶剂为乙醇；对苯二甲酸溶液中，溶剂为DMF；浸泡的时间为8小时，从而完成对酸改性海泡石的羧酸化，以便于后续金属框架的负载，进一步加强对苯酚污染物的吸附能力。

本发明中，羧酸化海泡石与乙酸锌、2-甲基咪唑的质量比为200∶178∶263；溶剂为甲醇。

本发明中，将酸改性海泡石纳米复合材料用NHS、DCC、DMAP活化后再将微生物负载到酸改性海泡石纳米复合材料表面。将酸改性海泡石纳米复合材料用NHS、DCC、DMAP活化后与微生物一同分散在PBS中，恒温摇床振荡，得到负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料；微生物为现有材料，P. putida。

本发明公开了上述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料或者上述酸改性海泡石纳米复合材料在处理有机物污染水中的应用，优选的，所述有机物为苯酚。

本发明的优点：

1、本发明公开制备的新型酸改性海泡石生物纳米复合材料的制备方法简单、原材料海泡石价格低廉，容易获到。并且实验过程中采用的测试方法和所用仪器较为普通，比较常见。

2、本发明方法制备的有机纳米复合材料能有效的实现对水溶液中苯酚污染物的吸附，而且所用的原材料海泡石具有高稳定性、良好的生物相容性和低毒性，在环境处理方面具有很好的应用前景。

3、本发明所制备的生物纳米复合材料对苯酚有机污染物具有良好的吸附能力，能达到100%的降解率，并能将吸附与生物处理实现完美结合，充分发挥二者的优势，使有机污染物达到完全去除。

附图说明

图1为预处理后海泡石（a）、HCl活化海泡石（b）、HNO₃活化海泡石（c）和H₂SO₄活化海泡石（d）的扫描电镜图（SEM）；

图2 （a）为酸改性海泡石纳米复合材料的扫描电镜图（SEM）和（b）透射电镜图（TEM）；

图3 （a）为负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料的扫描电镜图（SEM）和（b）透射电镜图（TEM）；

图4为酸改性海泡石纳米复合材料的吸光度（10mg/L）；

图5为酸改性海泡石纳米复合材料的吸光度（20mg/L）；

图6为酸改性海泡石纳米复合材料、负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料对苯酚污染物的降解效果图（10mg/L）；

图7为酸改性海泡石纳米复合材料、负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料对苯酚污染物的降解效果图（20mg/L）。

具体实施方式

实施例一海泡石的纯化，具体步骤如下：

首先，将海泡石原料加入去离子水中以形成海泡石悬浮液（20 g/L），随后搅拌24小时，之后将上述悬浮液过滤并用去离子水漂洗三次。将得到的粉末在105°C下干燥2小时，再通过60目筛子筛分，取筛下物以用于以下实施例。

实施例二海泡石酸活化，具体步骤如下：

将实施例一处理后的海泡石依次分别加入HNO₃、HCl、H₂SO₄进行酸化，每种酸的固液比均为1:15，每种酸活化都在348k下机械搅拌24小时。同时在进行3种酸活化时，每次用酸活化后，过滤后所得的沉淀物均用蒸馏水进行多次洗涤，以除去样品表面所附着的杂质和表面吸附的溶剂，并在393k下干燥3小时，最后所得到的样品即为酸改性海泡石。

三种酸活化完成后将酸化后的混合物过滤，

图1（a）-（d）分别为预处理后海泡石、HCl活化海泡石、HNO₃活化海泡石和H₂SO₄活化海泡石的扫描电镜图（SEM），通过图片可以看出酸活化后的海泡石基本形貌未发生改变，但表面的稀疏度有明显的变化，表面稀疏程度相对未活化海泡石更稀。

实施例三酸改性海泡石的羧酸化，具体步骤如下：

将酸活化后的海泡石加入1mL KH550 溶液中，然后将30毫升乙醇溶液加入到该混合物中，置于摇晃床中8h，所得产物用乙醇和去离子水洗涤后放入0.45g的对苯二甲酸溶液中，并加入30mlDMF，同样置于摇晃床中8h后取出，用乙醇和去离子水洗涤三次，由此制得羧酸化海泡石。

实施例四酸改性海泡石纳米复合材料的制备，具体步骤如下：

在合成之前，首先将乙酸锌二水合物在110°C下加热6个小时以去除盐的结晶水。然后将精确量的乙酸锌（178 mg）和2-甲基咪唑（263 mg）分别溶解在20mL的甲醇中，然后将两种溶液进行混合，加入200mg羧酸化海泡石并进一步搅拌10分钟得到混合体系，之后将混合体系在室温下老化24小时，然后过滤收集混合物，用甲醇进行多次洗涤并干燥过夜，干燥后的产物即为酸改性海泡石纳米复合材料。

图2 为酸改性海泡石纳米复合材料的扫描电镜图（a）和透射电镜图（b），通过SEM和TEM图可以看出金属框架已经均匀地与改性海泡石结合在一起，而且负载的金属框架大小均一且数量繁多，证明酸改性海泡石纳米复合材料已成功合成。

实施例五负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料的制备，具体步骤如下：

将 100 mg 干燥的酸改性海泡石纳米复合材料和 100 mg NHS 分散在盛有50 mL DMF的 100 mL 圆底烧瓶中，并加入 300 mg DCC 和 178 mg DMAP，在室温下搅拌 24 小时进行活化，随后离心并用 PBS 洗涤 3次。将恶臭假单胞菌P. putida在 50 mL LB 培养基扩大培养后离心，用PBS洗涤 3次。将菌体和经活化后的酸改性海泡石纳米复合材料一同分散在 50 mL PBS 中，在 30 ^oC，150 rpm 条件下，置于恒温摇床振荡 24 小时，通过上表面大量的羧基官能团与细菌表面的氨基通过化学键连接，将细菌牢固地负载在材料表面，得到负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料。

图3 为负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料的扫描电镜图（a）和透射电镜图（b），从图中可以看出P. putida已牢牢的负载到酸改性海泡石纳米复合材料表面上，这证明了负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料已成功制备。

实施例六酸改性海泡石纳米复合材料吸附苯酚污染物，具体步骤如下：

在吸附实验中，分别称取 100 mg酸改性海泡石纳米复合材料，加入 50 mL不同初始浓度的苯酚溶液（10 mg/L、20mg/L），每隔一段时间取样，通过紫外-可见分光光度计，在波长505 nm 处测定溶液中苯酚的浓度，直到达到吸附平衡浓度不再变化，图4、图5分别为10mg/L、20mg/L体系中酸改性海泡石纳米复合材料的吸光度。

图6和7分别为酸改性海泡石纳米复合材料（改性海泡石金属有机框架）对苯酚有机污染物的吸附效果图（10mg/L、20mg/L），从图中可以看出在初始阶段酸改性海泡石纳米复合材料可以对苯酚进行快速吸附，随后吸附速度逐渐减慢直至达到吸附平衡，其中到达吸附平衡所需要的时间为150分钟，如果不酸活化处理，达到平衡是的降解效率很低，只有18%左右。

实施例七负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料降解苯酚，具体步骤如下：

在降解实验中，分别称取 100 mg负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，加入50 mL不同初始浓度的苯酚溶液（10 mg/L、20mg/L），每隔一段时间取样，通过紫外-可见分光光度计，在波长 505 nm 处测定溶液中苯酚的浓度，直到达到吸附平衡浓度不再变化。

图6和7分别为负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料（负载微生物的改性海泡石金属有机框架）对苯酚污染物的降解效果图（10mg/L、20mg/L），通过图片可以看出整个处理过程有效结合吸附降解，其中对浓度为10mg/L和20mg/L的苯酚溶液大概需要11和21个小时降解完全，并且降解效率达到了100%，从而实现对苯酚有害污染物的完全去除；如果将乙酸锌替换为硝酸镍，得到的负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料处理10mg/L苯酚水溶液，18小时达到平衡，降解效率在83%左右。

总结：

通过以上分析，本发明通过酸活化法成功改性了海泡石，并获得了新型酸改性海泡石生物纳米复合材料，同时本发明公开的生物复合材料对苯酚污染物具有良好的吸附和降解能力。此外，本发明能将吸附与生物处理实现完美结合，充分发挥二者的优势，使有机污染物达到完全去除。

Claims

1.一种负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，其特征在于，所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，其特征在于，海泡石原料加入去离子水中形成浓度为20 g/L的悬浮液，搅拌24小时后于105 ℃干燥2小时，得到水洗后的海泡石。

3.根据权利要求1所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，其特征在于，进行酸活化时，固液比为1:15。

4.根据权利要求1所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，其特征在于，硅烷偶联剂溶液中，溶剂为乙醇；对苯二甲酸溶液中，溶剂为DMF；浸泡的时间为8小时。

5.根据权利要求1所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，其特征在于，羧酸化海泡石与乙酸锌、2-甲基咪唑的质量比为200∶178∶263；溶剂为甲醇。

6.根据权利要求1所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，其特征在于，将酸改性海泡石纳米复合材料用NHS、DCC、DMAP活化后再将微生物负载到酸改性海泡石纳米复合材料表面。

7.根据权利要求6所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料，其特征在于，将酸改性海泡石纳米复合材料用NHS、DCC、DMAP活化后与微生物一同分散在PBS中，恒温摇床振荡，得到负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料。

8.一种酸改性海泡石纳米复合材料，其特征在于，所述酸改性海泡石纳米复合材料的制备方法包括以下步骤：

9.权利要求1所述负载微生物的酸改性海泡石生物纳米复合材料或者权利要求8所述酸改性海泡石纳米复合材料在处理有机物污染水中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述有机物为苯酚。