CN109825494A - 一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用，属于有机物降解技术领域。所述制备方法包括：将无机盐液体培养基与生物炭混合，得到混合物，将苯酚降解菌接种于混合物中培养45～50h，对得到的培养物进行真空抽滤，得到吸附有苯酚降解菌的生物炭；将所述吸附有苯酚降解菌的生物炭经生理盐水重悬后，得到悬浊液，将所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，得到生物炭炭基材料。采用本发明提供的制备方法制备得到的生物炭基材料，大大提高了苯酚的降解率，对于浓度高达600～1200mg·L^‑1范围内的苯酚污染废水，生物炭能够显著提高苯酚降解菌对苯酚毒性的耐受力，使其最终降解率最高接近100％。

Description

一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用

技术领域

本发明涉及有机物降解技术领域，具体涉及一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用。

背景技术

苯酚污染废水是一类常见的工业废水，污染浓度从低到高不等，范围在50～1500mg·L^-1。现有的处理技术主要有化学法如催化降解、物理法如活性炭吸附和生物降解法等(程雯等,2018，化工环保，38(3):282～287)。如吉芳英等(2018，环境化学，37(7):1599～1608)采用介孔yolk-shell型Co₃O₄@mSiO₂纳米反应器处理苯酚废水，其处理的浓度范围在50mg·L^-1左右；吴彦霞等(2017，环境科学与技术，40(S2):126～130)采用类Fenton催化剂处理苯酚废水，其处理的浓度范围在100mg·L^-1左右；微生物降解技术能够处理浓度较高的苯酚污染废水，但由于微生物对高毒性物质的耐受度有限，因此常规的降解方法往往导致菌体生长受阻。师永健等(2013，环境科学学报，33(1):30～35)采用了移动床生物膜反应器可以将苯酚进水浓度从200mg·L^-1提高到1400mg·L^-1，但工艺较为复杂；魏霞(2016，环境科学学报，36(9):3193～3199)和张海涛(2016，环境科学学报，36(9):3200～3207)等均采用了分离、筛选并鉴定耐盐高效苯酚降解菌的方式，得到了特效菌株，分别对500mg·L^-1和800mg·L^-1的苯酚得到了90％以上的降解率。但筛选特征菌毕竟需要较高的操作技术以及保存条件，需要开发工艺简洁、成本低廉的工艺。

现有的处理苯酚废水的技术大多为高级氧化法或催化材料法，也有电化学方法，不仅需要大量的化学药剂投入使用，也需要耗能。而环境友好的微生物降解技术，则因为微生物的环境适应性较差而难以得到推广应用，而且达到的降解苯酚的效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用，采用本发明提供的制备方法制备得到的生物炭基材料，大大提高了苯酚的降解率。

本发明提供了一种生物炭基材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将无机盐液体培养基与生物炭混合，得到混合物，将苯酚降解菌接种于混合物中培养45～50h，对得到的培养物进行真空抽滤，得到吸附有苯酚降解菌的生物炭；

2)将所述吸附有苯酚降解菌的生物炭经生理盐水重悬后，得到悬浊液，将所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，得到生物炭基材料。

优选的，所述无机盐液体培养基以水为溶剂，每升包括：KH₂PO₄0.05～0.15g，Na₂HPO40.4～0.5g，NH₄Cl0.25～0.35g，MgSO₄·7H2O0.04g，CaCl20.0045 g，苯酚500～700mg。

优选的，所述苯酚降解菌包括香茅醇假单胞菌Pseudomonas citronellolis。

优选的，所述步骤1)混合物中生物炭的质量百分含量为0.5～0.7％。

优选的，所述步骤2)悬浊液中吸附有苯酚降解菌的生物炭的浓度为0.05～0.10g/mL。

优选的，所述步骤2)悬浊液与海藻酸钠溶液、氯化钙溶液的体积比为1:4:5。

优选的，所述海藻酸钠溶液的浓度为2～3％。

优选的，所述氯化钙溶液的浓度为2～3％。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的生物炭基材料。

本发明还提供了上述技术方案所述的生物炭基材料在降解苯酚中的应用。

本发明提供了一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用，所述制备方法包括以下步骤：1)将无机盐液体培养基与生物炭混合，得到混合物，将苯酚降解菌接种于混合物中培养45～50h，对得到的培养物进行真空抽滤，得到吸附有苯酚降解菌的生物炭；2)将所述吸附有苯酚降解菌的生物炭经生理盐水重悬后，得到悬浊液，将所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，得到生物炭基材料。本发明将苯酚降解菌固定在生物炭上，能够提高苯酚降解菌抵御高浓度苯酚的能力，通过所述悬浊液与海藻酸钠溶液的混合，再与氯化钙溶液的反应，生成的海藻酸钙凝胶将苯酚降解菌固定在生物炭上，大大提高了苯酚降解菌对高浓度苯酚的耐受能力，大大提高苯酚降解菌对苯酚的降解率。

附图说明

图1为苯酚降解菌在不同浓度苯酚下的生长及对苯酚的降解；

图2-a为不同生物炭添加量对微生物降解苯酚的影响；

图2-b为不同生物炭添加量对微生物降解苯酚的体系pH的影响；

图3为不同热解温度生物炭对微生物降解苯酚的影响，其中a、b分别为不同温度生物炭对苯酚的吸附对照(无微生物接种)，c和d分别为不同热解温度生物炭对微生物降解苯酚的影响和pH变化；

图4为生物炭添加对高浓度苯酚污染模拟废水中微生物降解效果的影响；

图5为不同浓度苯酚下，生物炭-海藻酸钙固定微生物(生物炭基材料)对苯酚的降解效果；

图6为菌体附着于生物炭之上的表面形态的扫描电镜图，其中a为放大65,000倍；b为放大10,000倍)。

具体实施方式

本发明提供了一种生物炭基材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将无机盐液体培养基与生物炭混合，得到混合物，将苯酚降解菌接种于混合物中培养45～50h，对得到的培养物进行真空抽滤，得到吸附有苯酚降解菌的生物炭；

2)将所述吸附有苯酚降解菌的生物炭经生理盐水重悬后，得到悬浊液，将所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，得到生物炭基材料。

在本发明中，所述无机盐液体培养基以水为溶剂，每升优选包括：KH₂PO₄0.05～0.15g，Na₂HPO₄0.4～0.5g，NH₄Cl0.25～0.35g，MgSO₄·7H₂O0.04g，CaCl₂0.0045 g，苯酚500～700mg；更优选包括KH₂PO₄0.1 g，Na₂HPO₄0.45g，NH₄Cl0.3g，MgSO₄·7H₂O0.04g，CaCl₂0.0045 g，苯酚600mg。

在本发明中，所述步骤1)混合物中生物炭的质量百分含量优选为0.5～0.7％，更优选为0.6％。

本发明对所述生物炭的来源没有特殊限定，采用常规市售产品即可。在本发明实施例中，所述生物炭的制备方法优选包括：将花生壳在氮气氛围下进行热解，将得到的热解物球磨、过筛，得到生物炭。

在本发明中，所述花生壳优选经过清洗、烘干、粉碎、过筛后再进行热解；所述烘干的温度优选为60℃；所述过筛使用的目数优选为10目。在本发明中，所述花生壳优选置于管式炉中进行热解，所述管式炉的型号为GSL-1100X-6-S，厂家为合肥科晶材料技术有限公司。

在本发明中，所述热解的程序优选包括：5℃/min升温至100℃并保温1h，再10℃/min继续升温至550℃后维持2h。

在本发明中，所述生物炭的比表面积优选为100～200m²/g，pH值为10.46，灰分含量为7.83％，含有C、H、N、O、K、Ca、Mg和Fe元素。

在本发明中，所述苯酚降解菌优选为香茅醇假单胞菌Pseudomonascitronellolis，所述香茅醇假单胞菌优选购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，保藏编号为ACCC02839；所述香茅醇假单胞菌为革兰氏阴性，好氧生长，能以苯酚为唯一碳源和能源。

本发明优选将苯酚降解菌培养成菌液后再进行接种，所述接种用菌液的OD₆₀₀优选为0.1，所述菌液的接种量优选为4％。

在本发明中，将所述苯酚降解菌接种于混合物中培养45～50h，优选培养48h。

在本发明中，对得到的培养物进行真空抽滤，所述真空抽滤使用的滤膜的孔径优选为5μm。

在本发明中，所述步骤1)吸附有苯酚降解菌的生物炭上的苯酚降解菌的数量优选为6.4×10¹⁰ CFU/g。

在本发明中，所述步骤2)悬浊液中吸附有苯酚降解菌的生物炭的浓度优选为0.05～0.15g/mL，更优选为0.1g/mL。

本发明将所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，得到生物炭基材料。在本发明中，所述滴加优选在不断搅拌氯化钙溶液下进行，以快速形成黑色球状凝胶。在本发明中，所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，会生成海藻酸钙凝胶，所述海藻酸钙凝胶将苯酚降解菌固定在生物炭上。

在本发明中，所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合的温度优选为40℃，所述混合优选在磁力搅拌和水浴下进行。

在本发明中，所述悬浊液与海藻酸钠溶液、氯化钙溶液的体积比优选为(1～1.5):(3.5～4.5):(5～10)，更优选为1:4:5。

在本发明中，所述海藻酸钠溶液的浓度优选为2～3％。

在本发明中，所述氯化钙溶液的浓度优选为2～3％。

在本发明中，所述生物炭基材料的制备优选在无菌环境下进行。

在本发明中，所述生物炭基材料为小球状，黑色，柔软具有弹性，平均直径为3.6mm，每个生物炭基材料中生物炭的质量百分含量为3.2％，每克生物炭基材料的苯酚降解菌的负载量为2.0×10⁹ CFU/g。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的生物炭基材料。

本发明还提供了上述技术方案所述的生物炭基材料在降解苯酚中的应用。

在本发明中，所述应用优选包括：将所述生物炭基材料与含有苯酚的污染废水混合，实现除去污染废水中的苯酚。在本发明中，所述生物炭基材料与污染废水的质量比优选为0.1～0.3:100，更优选为0.2:100。

下面结合具体实施例对本发明所述的一种生物炭基材料的制备方法、生物炭基材料及其应用做进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

实验材料

(1)生物炭制备与表征

所用生物炭采用花生壳制备，为避免杂质影响，先用自来水将其表面冲洗干净，再于60℃烘干。经粉碎、过筛(10目)后，置于管式炉(GSL-1100X-6-S,合肥科晶材料技术有限公司)中氮气氛围下热解。热解程序为：5℃·min^-1升温至100℃并保温1h，使物料充分干燥；10℃·min^-1继续升温至350℃、550℃或750℃并维持2h，使其充分热解。最后所得生物炭经球磨，过200目标准筛后保存备用。

生物炭C、H、O、N含量由元素分析仪(vario EL cube,德国ElementarAnalysensysteme公司)测得。用比表面积分析仪(ASAP2020 Plus,美国MicromeriticsInstrument公司)做N₂吸附(77 K)，在相对压力为0.05～0.18之间应用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法计算生物炭比表面积。将生物炭在富氧、900℃下煅烧2h，测定其灰分含量。对生物炭消解后使用等离子发射光谱仪(5110 ICP-OES,美国Agilent公司)测定矿物质含量。

(2)苯酚降解菌的准备

所用苯酚降解菌Pseudomonas citronellolis购自中国农业微生物菌种保藏管理中心(编号ACCC02839)。该菌为革兰氏阴性，好氧生长，能以苯酚为唯一碳源和能源。培养基如下：

LB培养基：胰蛋白胨10g·L^-1，酵母膏5g·L^-1，NaCl10g·L^-1，pH调节为7.0，经121℃高压蒸汽灭菌20min。固体培养基另加16g·L^-1琼脂。

无机盐培养基：KH₂PO₄0.1 g·L^-1，Na₂HPO₄0.45 g·L^-1，NH₄Cl0.3g·L^-1，MgSO₄·7H₂O0.04g·L^-1，CaCl₂0.0045 g·L^-1，同样高压蒸汽灭菌后使用(Chen etal.,2013，Bioresource Technology，139:87～93)。

用于后续实验接种的菌液，采自培养对数期末期，在清洗并重悬后，其OD₆₀₀＝0.1。

(3)生物炭-海藻酸钙固定化微生物(生物炭基材料)的制备

在含有600mg·L^-1苯酚的无机盐培养基中添加0.6％550℃热解生物炭，接种苯酚降解菌后培养48小时。之后用5μm滤膜真空抽滤截留吸附有微生物的生物炭，生理盐水冲洗后重悬得到0.1g·mL^-1悬浊液。将此悬浊液以1:4(v/v)比例混合于海藻酸钠的水溶液中，海藻酸钠的水溶液中海藻酸钠的浓度为2％，并在40℃恒温水浴中磁力搅拌均匀，然后用蠕动泵以6mL·min^-1流速使其滴入浓度为2％的CaCl₂溶液当中，CaCl₂溶液与海藻酸钠溶液的体积比为5:4。形成的生物炭-海藻酸钙小球继续静置半小时后经生理盐水冲洗，即可于4℃保存备用(得到生物炭基材料)。所有操作在无菌环境下进行。

实验方法

(1)苯酚降解菌对不同浓度苯酚的降解

使用加有不同浓度苯酚的无机盐培养基培养该菌，得出苯酚降解菌的苯酚降解性能。用菌液按4％接种量接种到100mL含苯酚无机盐培养基中，苯酚浓度设定为110、220、420mg·L^-1。接种后的培养液在30℃、160r·min^-1条件下培养，每隔几小时取样1mL，分成两份，分别测定OD₆₀₀值和苯酚浓度。

OD₆₀₀值使用酶标仪(MultiskanFC,美国Thermo Fisher公司)于600nm波长处测定200μL样品吸光度，以无机盐培养基为零点。

苯酚浓度使用高效液相色谱(Breeze HPLC,美国Waters公司)测定。将所取样品12000r·min^-1离心10min后，取上清液过0.22μm滤膜，然后用乙腈稀释一定倍数后待测。色谱条件：色谱柱C18反向硅胶柱；进样量20μL；流动相乙腈：水＝6：4；流速0.8mL·min^-1；波长280nm。

(2)生物炭对微生物降解苯酚的影响

向含有430mg·L^-1苯酚的无机盐培养基中分别添加0.2％、0.4％、0.6％(W/V)的550℃热解的生物炭。由于生物炭略显碱性，故使用适量0.2 M盐酸调节初始pH到7.0。接种后按照上述培养条件在摇床上培养，每3～4小时取样测定液相中苯酚浓度，并在实验结束后测定体系pH值。另外设置不接种微生物的对照组来考察生物炭对苯酚的吸附作用。

进行生物炭负载微生物的形态观察所需样品取自实验32小时后，已确定液相中苯酚被完全去除的样品。在经生理盐水清洗、2％戊二醛于4℃固定2h、乙醇梯度脱水、CO₂临界点干燥和喷金等处理后，用扫描电镜(TESCAN GAIA3,捷克TESCAN公司)作形态观察(Songetal.,2005)。

使用不同热解温度(350℃、550℃、750℃)的生物炭按0.6％(W/V)的比例添加到无机盐培养基，苯酚浓度提高到800mg·L^-1，同样调节初始pH值，接种后与上述同样条件下培养。每隔一段时间取样，测定苯酚浓度的同时，跟踪体系pH值的变化。

生物炭对微生物降解苯酚的促进作用可能受限于苯酚的初始浓度。将上述制得的吸附有微生物的生物炭按0.2％(W/V)比例添加至含有更高苯酚浓度(600～1200mg·L^-1)的无机盐培养基，与未添加生物炭的游离微生物组进行对照。同样摇床培养，每2～4小时后取样，测水相中苯酚浓度。

(3)生物炭-海藻酸钙固定化对微生物降解苯酚的影响

将生物炭-海藻酸钙固定化微生物小球(生物炭基材料)按0.2％(以生物炭量计)比例添加至含苯酚(600～1200mg·L^-1)无机盐培养基中，并用仅海藻酸钙固定(无生物炭)的微生物作对照，其余操作同上。

数据分析

苯酚去除率：η＝(1-C_t/C₀)×100％

其中，η为苯酚去除率，C_t为时刻t液相中苯酚浓度(mg·L^-1)，C₀为苯酚添加初始浓度(mg·L^-1)。

所有实验均做3个平行样，采用Excel2016及Originlab9.0完成标准偏差分析与作图，SPSS23.0进行单因素ANOVA差异性检验(p<0.05)。

实验研究数据和分析讨论

(1)不同初始浓度苯酚的微生物降解效果

在未添加生物炭的情况下，在初始苯酚浓度为110～420mg·L^-1的模拟废水中，微生物的生长曲线都为典型的“S”形，即按照时间呈现出滞后期、对数期和稳定期(图1)。但随着苯酚浓度的升高，微生物在对数期的生长速率逐渐降低，说明相对较高的苯酚浓度对微生物生长有明显抑制效应。但苯酚对微生物既有毒性效应，也是“营养食物”，在苯酚浓度为110mg·L^-1的模拟废水系统中，微生物生长速率最快，但其最终达到的菌浓度(0.06 OD₆₀₀值)却明显低于苯酚浓度为220mg·L^-1、420mg·L^-1的系统，说明此苯酚浓度不能满足微生物生长的营养需要。但苯酚浓度为420mg·L^-1时，并没有使菌的最终浓度超过220mg·L^-1系统，说明此时微生物已经达到了最大生长极限，苯酚浓度的提高并不能继续被微生物所利用(图1)。

微生物的生长伴随着系统中苯酚浓度的降低，两者在时间上有较强的一致性(图1)。微生物处于对数生长期时，苯酚的降解速度也最快，在微生物生长达到稳定期后，苯酚的浓度也不再下降。除了初始浓度为110mg·L^-1的苯酚被完全降解外，220mg·L^-1和420mg·L^-1的苯酚均未被完全降解，且苯酚浓度越高，剩余越多。高浓度的苯酚虽然提供了充足的代谢底物，但苯酚的毒性也会随之增强，最终抑制微生物对其的进一步利用。

(2)不同生物炭添加量对微生物降解苯酚的影响

选取初始浓度为430mg·L^-1的苯酚污染模拟废水，将550℃条件下热解制备的花生壳生物炭，按照0.2％、0.4％、0.6％(W/V)的比例添加到系统中，与微生物共培养，得到苯酚降解曲线(图2a)及pH变化曲线(图2b)。与上一节结果一致，单独微生物菌体仍未能完全降解苯酚，其降解率为36.3％。而添加了生物炭的系统中，苯酚的去除率有大幅提高。在0～6h内，生物炭促进苯酚浓度快速降低(去除率12.0～39.3％)，且这种降低效应与生物炭添加量明显成正比。说明该时间段内的去除机制主要为生物炭的吸附作用。在6～16h时间段内，添加了生物炭的系统中苯酚浓度快速降低，表明微生物进入对数生长期。三种添加比均可使苯酚在16h之内被微生物降解完全，去除率达到100％。而单独微生物存在的系统中，微生物生长缓慢，在第16～25h的对数生长期，由于苯酚毒性的抑制，其最高降解率仅为38.2％。生物炭添加量增大意味着其吸附了更多的苯酚，这使得溶液中的苯酚含量降低，从而减少了对微生物的毒性抑制。另外，更多的生物炭能够提供更多的供微生物吸附的表面，从而使微生物的生物量能够达到更大值。因此，在本系统中，生物炭作为微生物的载体作用效果显著。

通过测定实验开始前和终止后的溶液pH，得出550℃热解的生物炭呈碱性，其添加量越多，使培养液的pH升高越多，最大能达到7.58。在实验开始时，用适量的盐酸调节pH，使其在7.0左右，有利于微生物的生长。实验结束后，游离微生物实验组，pH降低到4.27，而添加0.2％生物炭的实验组则降低到3.74。结合之前的实验可以得出，由于添加0.2％生物炭，苯酚被完全降解，因而产生了比游离微生物组更多的酸性中间产物，少量的生物炭又不足以中和其酸性，因此其溶液pH最低。随着生物炭量的增多，溶液pH又逐渐变大。

为了得出生物炭的吸附作用能够去除的苯酚量，进行了单独添加生物炭而不接种微生物的无菌环境下的苯酚吸附实验(图2a)。由图可见，0.2％、0.4％和0.6％(W/V)的生物炭添加量分别获得了17.2％、34.1％和53.8％的苯酚去除率，去除率与添加量成正比倍数关系，表明单纯依靠生物炭的吸附作用去除苯酚，效果远低于吸附作用结合微生物的降解作用。

(3)不同热解温度生物炭对微生物降解苯酚的影响

上述表明，生物炭添加可以显著促进微生物降解苯酚，其机制涉及生物炭的吸附和pH缓冲能力等，为了进一步深入研究生物炭的多重作用机制，选取更高浓度的模拟苯酚污染废水，800mg·L^-1。选取不同温度下制备的生物炭，350℃、550℃和750℃，按0.6％添加到苯酚降解系统中，得到图3所示的降解曲线。由图可见，350℃热解制备的生物炭，其吸附作用低于550℃、750℃热解的生物炭，后两者之间的吸附作用又相差不大。表1中，350℃热解的生物炭的比表面积(11m²·g^-1)比另外两种生物炭(143m²·g^-1和304m²·g^-1)低很多，但是其吸附作用并没有表现出巨大差异，这是因为生物炭对苯酚的吸附作用不仅受比表面积的影响，还会受分配作用的影响，低温生物炭由于具有更多的表面含氧官能团和脂肪碳而表现出更明显的分配作用。

三种生物炭对于微生物进入对数生长期开始降解苯酚的过程表现出显著的差异。游离微生物仍具有一定的降解能力，其最终降解率约为25.4％。550℃下制备的生物炭表现了最高的强化作用，使微生物进入对数生长期的时间(约在20h左右)大大提前；350℃下制备的生物炭也表现出较好的促进作用，其微生物进入对数生长期的时间约在27h。但750℃热解生物炭对微生物生长表现出了抑制作用，除了约25％的吸附去除外，未能使微生物正常生长。这可能是高温下制备的生物炭具有较强的碱性(本体pH达11.24，在此体系中溶液pH短时间内回升到7.6以上)，以致实验开始时接种的少量微生物未能存活，说明该苯酚降解菌是对碱性pH有较高的敏感性。

实验所用假单胞菌Pseudomonas citronellolis对苯酚的降解为邻位开环路径，主要生成一些如顺，顺-已二烯二酸、β-酮酯、琥珀酸等小分子有机酸。在菌体的对数生长期，酸性中间产物迅速累积，造成pH的快速降低，最低到4以下，反过来抑制菌体的生长，使苯酚降解出现停滞。如果在pH降低到微生物能承受的最低限度之前，苯酚尚未被完全降解，那么在pH降低到此最低限度值后，剩余的苯酚将不再能被微生物降解掉。因此，具有更好pH缓冲能力的材料能够解除这种酸性抑制作用。相比于常规的活性炭等材料，生物炭通常呈碱性，其pH随热解温度的升高而升高。这一方面是因为生物质原料中原生生物酸在热解过程中不断分解；另一方面是因为随着热解温度的升高，生物炭产率下降，而其所含的无机矿物难以挥发并逐渐累积。生物炭含有的碱度，其无机体系主要是碱性矿物质如CaCO₃或Na、K、Mg等碱金属和碱土金属盐类。在苯酚降解过程中，H⁺被生物炭中碱性组分中和，在更大酸性中间产物浓度范围内维持了pH的相对稳定，从而保障了微生物的活性和降解速率。

(4)生物炭对高浓度苯酚降解的影响

为了得出本系统中生物炭对微生物的载体作用和pH缓冲作用，采用了更高浓度的苯酚初始浓度进行对比。由图4可见，当苯酚初始浓度为600mg·L^-1和800mg·L^-1时，未加生物炭的系统中微生物经历12h的停滞期后开始降解苯酚，最终降解率约25％。但当初始浓度高达1000mg·L^-1和1200mg·L^-1时，其毒性效应使微生物难以存活，苯酚未得到任何降解。然而，添加0.2％的吸附有微生物的生物炭，可将四种浓度的苯酚去除率明显提高到46.9％、36.9％、35.1％和33.7％。在苯酚浓度升高的前提下，其苯酚降解率却保持了相当的稳定性，只是微生物的降解速率有较明显的减慢。这表明生物炭对于苯酚降解菌的保护作用，使其对高浓度的苯酚具有了较强的耐受力。

(5)生物炭凝胶固定微生物对高浓度苯酚降解的影响

通过简单的生物炭吸附负载微生物，可以在400～800mg·L^-1的浓度范围内大大促进模拟废水中苯酚的降解，但如果浓度继续升高，尽管有生物炭的辅助作用，微生物仍难以抵抗高浓度苯酚的毒害作用。因此采用海藻酸钙凝胶固定化方法将微生物包埋固定于生物炭之上。生物炭-海藻酸钙凝胶固定微生物小球(生物炭基材料)呈黑色，柔软具有弹性；其平均直径为3.6mm，每个小球中生物炭含量约占3.2％，所含降解菌负载量约为2.0×10⁹CFU/(g小球)。由图5可见，生物炭-海藻酸钙凝胶固定微生物明显表现出对高浓度苯酚更强的耐受性。在600mg·L^-1苯酚浓度下，降解率达到100％，远远高于未加生物炭，以及未凝胶固定化的情况。对比单纯采用游离微生物制作的凝胶固定化小球，与以生物炭作为载体的凝胶固定化小球的降解效果，发现当苯酚浓度达到1200mg·L^-1时，前者没有表现出降解作用，仅有些许降低是因为凝胶小球对苯酚的吸附作用，而后者则表现出了62.5％的降解率。观察未加生物炭制备的凝胶固定小球颜色，发现其在较低浓度下变成灰白色，微生物有显著生长，但在极端高浓度下，颜色未变化，说明菌体未发生生长。另外，在较低浓度的苯酚下，生物炭-海藻酸钙凝胶固定微生物对苯酚的降解速率要高于单纯海藻酸钙凝胶固定微生物。固定化过程中，海藻酸钠中的古罗糖醛酸阴离子与Ca²⁺络合形成疏水性离子交联结构，将微生物限制在一个个“网格”之中，从而起到保护菌体免受外部环境冲击的作用。但是这样一种结构亦是一把“双刃剑”，其负面效应即是会明显阻碍氧、营养物及有机污染物向微生物的传质，从而降低其降解速率。随着表面粗糙多孔的生物炭的加入，凝胶小球的孔隙势必会有明显增大，因而传质阻碍得到一定程度的缓解。另一方面，前文所述生物炭的pH缓冲作用及对苯酚的吸附固定，进一步减轻了高浓度苯酚对微生物的毒性胁迫，体现了其保护作用。

(6)生物炭的性质及负载微生物的微观形态

为了得到生物炭添加对于强化模拟废水中高浓度苯酚的降解效果的机理，对生物炭的基础性质包括元素分析、矿物质组分和比表面积进行了测试。由表1可见，随着热解温度的升高，得到的生物炭产物含C量增高，而O、H和N含量降低。生物炭的pH显著升高，当热解温度为750℃的时候，生物炭pH高达11.24，呈现强碱性，因此导致了微生物生长受到抑制，系统失去对苯酚的降解能力。而热解温度为350℃时，其生物炭碱度较低，难以缓冲高浓度苯酚降解过程中产生的大量酸性中间产物。生物炭比表面积随着温度升高显著增加，三种温度下的生物炭的比表面积分别为11m²·g^-1、143m²·g^-1和304m²·g^-1，并且主要是孔径为2nm～30nm的介孔，而微孔不够发达，这样的物理结构对有机污染物具有一定的吸附能力，能够使菌体附着其上，但又不至于像活性炭这样的高比表面积的材料，对污染物吸附能力过强，导致其反而降低了污染物生物可利用性。从图6的扫描电镜图中，也可以很明显看到微生物菌体不仅可以附着在生物炭的孔径内部，也在其表面大量附着。因此，生物炭可作为微生物良好的载体，提高微生物抵御高浓度苯酚的能力。

表1生物炭的基本性质

由本实施例可以得出，本发明将生物炭作为一种微生物菌体的负载材料，再通过海藻酸钠凝胶将微生物包埋固定于生物炭上，将其加入苯酚污染废水中，能够大大强化苯酚的微生物降解效果。尤其对于浓度高达600～1200mg·L^-1范围内的苯酚污染废水，生物炭能够显著提高微生物对苯酚毒性的耐受力，使其最终降解率最高接近100％。

苯酚对于降解菌既是一种抑制菌体活性的毒性物质，又是菌体赖以生存的代谢物。苯酚浓度过低(≤110mg·L^-1)时不能使菌体达到最大浓度；过高(≥420mg·L^-1)则使菌体生长受抑制，难以达到高效的降解效果。生物炭的添加具有一定吸附效应，可以将初始苯酚浓度部分降低，缩短微生物停滞期，快速进入对数生长期，产生高效降解。

生物炭的碱度较大，中温(500℃左右)制备的生物炭具有较高pH，能够对苯酚降解过程中产生的酸性中间产物起到中和作用，给微生物的生长提供较适pH，大大提高了其降解能力。但过高温度(700℃左右)热解的生物炭pH过高(>10.0)，则反而不利于微生物生长。

通过海藻酸钙凝胶将菌体固定在生物炭之上，制成包埋小球，可以大大提高菌体耐受高浓度苯酚(1200mg·L^-1)的能力，降解率也大大提升。这主要是因为凝胶小球内苯酚的传质减慢，微生物直接接触的苯酚浓度降低。生物炭-海藻酸钙凝胶固定微生物的降解效率要显著高于单独海藻酸钙固定的微生物。

以上所述仅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 (10)

1.一种生物炭基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将无机盐液体培养基与生物炭混合，得到混合物，将苯酚降解菌接种于混合物中培养45～50h，对得到的培养物进行真空抽滤，得到吸附有苯酚降解菌的生物炭；

2)将所述吸附有苯酚降解菌的生物炭经生理盐水重悬后，得到悬浊液，将所述悬浊液与海藻酸钠溶液混合后滴加到氯化钙溶液中，得到生物炭基材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机盐液体培养基以水为溶剂，每升包括：KH₂PO₄ 0.05～0.15g，Na₂HPO₄ 0.4～0.5g，NH₄Cl 0.25～0.35g，MgSO₄·7H₂O0.04g，CaCl₂ 0.0045g，苯酚500～700mg。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述苯酚降解菌包括香茅醇假单胞菌Pseudomonas citronellolis。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)混合物中生物炭的质量百分含量为0.5～0.7％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)悬浊液中吸附有苯酚降解菌的生物炭的浓度为0.05～0.10g/mL。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)悬浊液与海藻酸钠溶液、氯化钙溶液的体积比为(1～1.5):(3.5～4.5):(5～10)。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液的浓度为2～3％。

8.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述氯化钙溶液的浓度为2～3％。

9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的生物炭基材料。

10.权利要求9所述的生物炭基材料在降解苯酚中的应用。