CN109928510B - 一种基于zvi还原耦合微生物的施氏矿物制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于ZVI还原耦合微生物的施氏矿物制备方法，包括如下步骤：(1)菌株培养得到的菌液和FeSO₄·7H₂0进行混合，搅拌溶解得混合液；(2)将步骤(1)所得混合液在容器1中曝气充氧至Fe²⁺氧化完全为Fe³⁺时，将部分混合液转移至另一容器2中，并投加ZVI混合搅拌，进行Fe³⁺还原；(3)步骤(2)中Fe³⁺还原一定时间后，固液分离ZVI和还原后的混合液；将分离后的混合液转移回容器1中曝气充氧氧化；(4)按步骤(2)、(3)进行循环，至整个体系中总铁TFe沉淀完全，将容器1中合成的矿物过滤收集，水洗烘干得施氏矿物。此方法不仅提高铁利用率与总铁沉淀率，还能持续不断地生产施氏矿物。

Description

一种基于ZVI还原耦合微生物的施氏矿物制备方法

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及一种基于零价铁(ZVI)还原耦合生物法高效制备施威特曼石矿物的方法。

背景技术

施威特曼石矿物(简称施氏矿物)是一种表面基团活性强且形貌特殊的次生羟基硫酸高铁矿物，广泛存在于以酸性矿山废水与酸性硫酸盐土壤为主的富含硫酸盐的酸性环境中。施氏矿物对环境中重金属、多环芳烃等有毒有害物质具有较强的吸附能力。生物合成施氏矿物对As(III)的吸附量高达113.9mg/g，对Cr(VI)的最大吸附量高达55mg/g，且竞争阴离子与离子强度对其吸附效率影响不大。相比于化学沉降法、反渗透法、离子交换法，施氏矿物用于吸附废水中Cr(VI)具有去除率高、操作方便、运行成本等优点。另外，施氏矿物可替代Fe²⁺作为类芬顿催化剂高效催化H₂O₂降解苯酚、多环芳烃等有机物污染物，且催化活性相对较强。生物合成的施氏矿物具有较好的稳定性与重复利用性，经过多次循环使用，其催化性能几乎未发生明显下降，对苯酚的降解率皆能保持在98％左右。除此外，生物合成施氏矿物可应用于高盐度(含Cl^-、NO^3-或SO₂ ^4-)废水中甲基橙等有机污染物的氧化降解，降解效果几乎不受废水中其他阴离子的竞争干扰。

目前最常用的施氏矿物合成方法为化学法和生物法，且都在摇瓶中进行。两种合成的施氏矿物都为无定形沉淀。单一的化学法是利用H₂O₂与FeSO₄·7H₂0在容器(如摇瓶)中振荡合成，合成的施氏矿物呈细小球状，颗粒轮廓圆滑，颜色呈黄棕色。而生物法是采用A.ferrooxidans LX5休止细胞与FeSO₄·7H₂0在容器(如摇瓶)中先振荡培养，制得的施氏矿物也呈小球状，为红棕色均匀分散颗粒，与施氏矿物标准品颜色一致，且表面明显具有施氏矿物毛刺针状结构的特征。化学法合成过程相对于生物法虽较快速，但在收集矿物时可发现矿物极易结块，不便磨成均匀的粉末(以增大吸附降解能力)；而生物法合成施氏矿物较化学合成矿物相比，具有较高的比表面积、规则的微孔-介孔结构、颗粒均匀等特点，因此后者吸附效果显著地强于前者。另外，生物法合成的施氏矿物能在较宽的pH范围(3～7.5)保持较高的催化效率，而化学法合成矿物在pH＝6.0条件下催化性能就会大幅下降，这说明生物合成施氏矿物在实际应用中相对于法学合成矿物能够大大降低成本。然而，无论化学法还是生物法，利用目前在实验室内采用摇瓶法的合成过程中最终达到稳定时的铁沉淀率与合成矿物量都较低，分别只能达到43.1％、36.7％和4g/L、3.2g/L，有大量Fe³⁺未被利用生成矿物，存在总铁沉淀率低、摇瓶批次合成矿物量少的缺陷。

如上所述，施氏矿物的环境学意义十分明显，但是目前尚无与提高Fe³⁺利用率和施氏矿物合成效率有关的连续生产方法。

发明内容

本发明目的是针对上述现有缺陷，提供一种基于零价铁(ZVI)还原耦合微生物的施氏矿物的高效的连续制备方法。此方法使用ZVI与未被利用的Fe³⁺发生氧化还原反应生成Fe²⁺，再将Fe²⁺循环至氧气成矿体系中继续通过微生物氧化成矿，不仅提高铁利用率与总铁沉淀率，还能持续不断地生产施氏矿物。

为达到上述目的，本发明采用以下方案：

一种基于ZVI还原耦合微生物的施氏矿物的制备方法，包括如下步骤：

(1)菌株培养得到的菌液和FeSO₄·7H₂0进行混合，搅拌至FeSO₄·7H₂0完全溶解，得混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液在容器1中持续进行曝气充氧至Fe²⁺氧化完全为Fe³⁺时，将部分混合液转移至另一容器2中，并投加ZVI混合搅拌，进行Fe³⁺还原；

(3)步骤(2)中Fe³⁺还原一定时间后，固液分离ZVI和还原后的混合液；将分离后的混合液转移回容器1中曝气充氧氧化；

(4)按步骤(2)、(3)不断进行循环，至整个体系中总铁TFe沉淀完全，将容器1中合成的矿物过滤收集，水洗烘干得施氏矿物。

在一种实施方式中，本发明提供一种具体的步骤(1)的菌株培养方法：将菌株接种于9K培养基，置于往复式摇床中振荡培养，得到菌液。

本发明所述的菌株可以为生物法制备施氏矿物的常用菌株，如A.ferrooxidansLX5，可通过市面进行购买。

进一步优选的，步骤(1)中所述A.ferrooxidans LX5和改进型9K培养基的接种体积比是1:8～10。

在一种实施方式中，本发明提供一种改进型9K培养基，配比为：

(NH₄)₂SO₄ 3.5g/L、KCI 0.119g/L、K₂HPO₄ 0.058g/L(或K₂HPO₄·3H₂O 0.076g/L)、MgSO₄·7H₂O 0.583g/L、Ca(NO₃)₂·4H₂O 0.0168g/L、能源物质FeSO₄·7H₂0 44.2g/L，用1:1H₂SO₄调节pH至2.5。

进一步的，所述往复式摇床振荡条件为转速170～190r/min，温度27～29℃，振荡时间2～4天。

进一步的，步骤(1)中所述菌液菌密度为(1.5～2.5)×10⁸cells/mL。

进一步的，步骤(1)得到的混合液中FeSO₄·7H₂0浓度为20～25g/L，优选22.24g/L，发明人发现，混合液中初始Fe/K会影响矿物形态，在上述浓度范围内不仅可以保证生成矿物为施氏矿物，且用量较少。

在一种实施方式中，本发明步骤(2)为：将步骤(1)所得混合液在容器1中持续进行曝气充氧至Fe²⁺氧化完全时，将部分混合液以流速v₁连续不间断地流动到另一容器2中，并投加ZVI混合搅拌，进行Fe³⁺还原；

在一种实施方式中，本发明步骤(3)为：每间隔时间t₁，用电磁铁吸住ZVI实现固液分离，然后将分离后所得的还原后的混合液在流动时间t₂内以流速v₂流回至容器1中曝气充氧氧化。

步骤(2)与步骤(3)的曝气氧化在同一个容器中进行。

在一种优选的实施例中，步骤(2)、(3)中所述曝气条件为溶解氧浓度保持6mg/L以上，优选为6-8mg/L。

在一种优选的实施例中，步骤(2)中所述ZVI投加条件为投加周期1～3天，优选2天，投加量为当时容器1内Fe³⁺质量浓度的1/3～2/3，优选1/2。

进一步的，步骤(2)中所述流速v₁为混合液总体积/HRT。

进一步优选地，步骤(3)中所述时间t₁为0.5～1.5小时，优选1小时。

进一步优选地，步骤(3)中所述时间t₂为2～5分钟，优选3分钟。

进一步优选的，步骤(3)中所述流速v₂＝v₁(t₁+t₂)/t₂。

进一步优选地，步骤(2)中所述混合搅拌转速为280～320r/min，优选300r/min。

进一步优选的，步骤(4)过滤所用滤膜为0.3～0.5μm，优选0.45μm。

本发明HRT表示水力停留时间，优选为1～5天，如1.5天、3天、4.5天。

本发明的优选参数，不仅可以实现零价铁、二价铁和三价铁之间最佳的转化效果，从而进一步提高本法的成矿速率和成矿效率(即单位时间单位容积的成矿量)，而且也能进一步提高施氏矿物的环境处理能力。

本发明还提供本发明所述方法制备的施氏矿物。

本发明还提供本发明所述方法制备的施氏矿物在环境工程领域中的应用，例如砷吸附或苯酚、抗生素等污染物催化降解的应用。

本技术相比于现有技术具备以下优点：

(1)本方法可提高体系中总铁沉淀率即单位时间内总铁减少浓度，持续不断增加矿物合成量，避免了序批次产矿以及后续处理对大量人力物力的消耗。

(2)本发明所述方法制备的施氏矿物，相对于现有方法制备的施氏矿物具有更好的稳定性和很好的砷吸附和苯酚、抗生素、硝基苯等污染物催化降解的效果。

附图说明

图1为采用本方法制备的施氏矿物XRD谱图。

图2为采用本方法制备的施氏矿物SEM谱图。

具体实施方法

为更具体说明本发明的方法，下面结合附图给出本发明实施例进行详细描述，但本发明应用不限于以下体系的大小。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。

以下实施例用到的菌株A.ferrooxidans LX5为中国专利02112924.X公开的菌株。

实施例1

HRT＝1.5天条件下制备施氏矿物：

将购买的A.ferrooxidans LX5(中国专利：02112924.X)以10％比例接种于改进型9K培养基(组成成分：(NH₄)₂SO₄ 3.5g/L、KCI 0.119g/L、K₂HPO₄ 0.058g/L(或K₂HPO₄·3H₂O0.076g/L)、MgSO₄·7H₂O 0.583g/L、Ca(NO₃)₂·4H₂O 0.0168g/L、能源物质FeSO₄·7H₂044.2g/L)，用1:1H₂SO₄调节pH至2.5，保持体系总体积为3L，置于往复式摇床中以转速180r/min、温度28℃振荡培养3天。将经3天扩培后的菌液置于容器1(本实例采用的是3L烧杯)中，加入22.24g/L FeSO₄·7H₂0搅拌至完全溶解后，在保持溶解氧浓度不低于6mg/L的条件下持续曝气氧化。当容器1内Fe²⁺经曝气完全氧化后，将混合液以1.39mL/min的流速不间断地流动到另一容器2(本实例采用的是3L烧杯)中，并向容器2中加入此时容器1内Fe³⁺浓度1/2量的零价铁(ZVI)，用机械搅拌器以300r/min的转速搅拌，进行Fe³⁺还原。其中，每2天向容器2内投加当时容器1内Fe³⁺浓度1/2量的ZVI，补充容器2中的ZVI的消耗。每1小时开启电磁铁将ZVI与混合液固液分离，并以29.19mL/min的流速将还原容器2内混合液循环流回曝气烧杯，历时3分钟。混合液在上述容器1和容器2之间的连续不断地循环，直至总体系中TFe完全沉淀，将曝气容器1中的矿物经0.45μm滤膜过滤收集，用去离子水洗后烘干、储存，循环15d，总铁沉淀率达约78.5％。从图1可看出，采用此法合成的矿物XRD特征衍射峰能与标准施氏矿物(PDF47-1775)各衍射峰一一对应地相似，且表面具有明显的施氏矿物针状毛刺特征(如图2的2-a所示)，这说明此实施例所合成矿物确实为施氏矿物。

实施例2

HRT＝3天条件下制备施氏矿物：

将A.ferrooxidans LX5以10％比例接种于改进型9K培养基(组成成分：(NH₄)₂SO₄3.5g/L、KCI 0.119g/L、K₂HPO₄ 0.058g/L(或K₂HPO₄·3H₂O 0.076g/L)、MgSO₄·7H₂O0.583g/L、Ca(NO₃)₂·4H₂O 0.0168g/L、能源物质FeSO₄·7H₂0 44.2g/L)，用1:1H₂SO₄调节pH至2.5，保持体系总体积为3L，置于往复式摇床中以转速180r/min、温度28℃振荡培养3天。将经3天扩培后的菌液置于容器1(本实例采用的是3L烧杯)中，加入22.24g/L FeSO₄·7H₂0搅拌至完全溶解后，在保持溶解氧浓度不低于6mg/L的条件下持续曝气氧化。当容器1内Fe²⁺经曝气完全氧化后，将混合液以0.69mL/min的流速不间断地流动到另一容器2(本实例采用的是3L烧杯)中，并向容器2中加入此时容器1内Fe³⁺浓度1/2量的ZVI，用机械搅拌器以300r/min的转速搅拌，进行Fe³⁺还原。其中，每2天向容器2内投加当时容器1内Fe³⁺浓度1/2量的ZVI，补充容器2中的ZVI的消耗。每1小时开启电磁铁将ZVI与混合液固液分离，并以14.58mL/min的流速将容器2内混合液循环流回容器1，历时3分钟。混合液在上述容器1和容器2之间的连续不断地循环，直至总体系中TFe完全沉淀，将容器1中的矿物经0.45μm滤膜过滤收集，用去离子水洗后烘干、储存，循环15d，总铁沉淀率均达约90％。从图1可看出，矿物XRD特征衍射峰能与标准施氏矿物(PDF47-1775)各衍射峰一一对应地相似，且表面具有明显的施氏矿物针状毛刺特征(如图2的2-b所示)，这说明此实施例所合成矿物确实为施氏矿物。

实施例3

HRT＝4.5天条件下制备施氏矿物：

将A.ferrooxidans LX5以10％比例接种于改进型9K培养基(组成成分：(NH₄)₂SO₄3.5g/L、KCI 0.119g/L、K₂HPO₄ 0.058g/L(或K₂HPO₄·3H₂O 0.076g/L)、MgSO₄·7H₂O0.583g/L、Ca(NO₃)₂·4H₂O 0.0168g/L、能源物质FeSO₄·7H₂0 44.2g/L)，用1:1H₂SO₄调节pH至2.5，保持体系总体积为3L，置于往复式摇床中以转速180r/min、温度28℃振荡培养3天。将经3天扩培后的菌液置于容器1中，加入22.24g/L FeSO₄·7H₂0搅拌至完全溶解后，在保持溶解氧浓度不低于6mg/L的条件下持续曝气氧化。当容器1内Fe²⁺经曝气完全氧化后，将混合液以0.46mL/min的流速不间断地流动到另一容器2中，并向容器2中加入此时容器1内Fe³⁺浓度1/2量的ZVI，用机械搅拌器以300r/min的转速搅拌，进行Fe³⁺还原。其中，每2天向容器2内投加当时容器1内Fe³⁺浓度1/2量的ZVI，补充容器2中的ZVI的消耗。每1小时开启电磁铁将ZVI与混合液固液分离，并以9.72mL/min的流速将容器2内混合液循环流回容器1内，历时3分钟。混合液在上述容器1和容器2之间的连续不断地循环，直至总体系中TFe完全沉淀，将容器1中的矿物经0.45μm滤膜过滤收集，用去离子水洗后烘干、储存，循环15d，总铁沉淀率均达约90％。从图1可看出，矿物XRD特征衍射峰能与标准施氏矿物(PDF47-1775)各衍射峰一一对应地相似，且表面具有明显的施氏矿物针状毛刺特征(如图2的2-c所示)，这说明此实施例所合成的矿物确实为施氏矿物。

无论是HRT为多少时间采用本发明所述方法合成施氏矿物，与利用化学方法合成施氏矿物或矿山环境中自然形成的施氏矿物相比结构更为稳定，在pH6和pH8.5的境中90天内其矿相均未发生任何变化。

实施例4

实施例2的HRT＝3天合成施氏矿物的砷吸附实验：

取40mL质量浓度10mg·L^-1As(Ⅲ)(As₂O₃)溶液于100mL玻璃瓶中，加入实施例2的HRT＝3天合成的施氏矿物与化学合成施氏矿物各0.010g，用0.1mol·L^-1NaOH调节pH＝7.0，置于25℃、180r·min^-1摇床中振荡6h，取样后过0.45μm滤膜得上清液，测定总砷浓度，并用常规化学制备法获得的施氏矿物作对比实验。效果对比见表1。

实施例5

实施例2的HRT＝3天合成施氏矿物的苯酚催化降解实验：

称取实施例2的0.15g施氏矿物于150mL超纯水三角瓶中，平衡2h，用HClO调节初始pH＝3，苯酚初始浓度＝100mg/L，加入30％的H₂O₂溶液，使其浓度达200mg/L。将三角瓶置于180r/min、28℃摇床中避光反应。每隔20min，均匀取样过0.45μm材质为水系聚醚砜的滤膜，检测苯酚浓度，并用常规化学制备法获得的施氏矿物作对比实验。效果对比见表1。

实施例6

实施例2的HRT＝3天合成施氏矿物的磺胺二甲基嘧啶催化降解实验：

称取实施例2的0.25g施氏矿物于250mL超纯水的三角瓶中，用HClO调节初始pH＝3，磺胺二甲基嘧啶初始浓度＝5mg/L，加入30％的H₂O₂溶液，使其浓度达200mg/L。将三角瓶置于180r/min、28℃摇床中避光反应。每隔10min，均匀取样过0.45μm材质为水系聚醚砜的滤膜，检测磺胺二甲基嘧啶浓度，并用常规化学制备法获得的施氏矿物作对比实验。效果对比见表1。

实施例7

实施例2的HRT＝3天合成施氏矿物对硝基苯的催化降解实验：

称取实施例2的0.25g施氏矿物于250mL超纯水的三角瓶中，用HClO调节初始pH＝3，硝基苯初始浓度＝50mg/L，加入30％的H₂O₂溶液，使其浓度达500mg/L。将三角瓶置于180r/min、28℃摇床中避光反应。每隔5min，均匀取样过0.45μm材质为水系聚醚砜的滤膜，检测硝基苯的浓度，并用常规化学制备法获得的施氏矿物作对比实验。效果对比见表1。

表1.本方法制备的施氏矿物与化学合成施氏矿物性能对比

Claims (15)

1.一种基于ZVI还原耦合微生物的施氏矿物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)菌株培养得到的菌液和FeSO₄·7H₂0进行混合，搅拌至FeSO₄·7H₂0完全溶解，得混合液；

(2)将步骤(1)所得混合液在容器1中持续进行曝气充氧至Fe²⁺氧化完全时，将部分混合液以流速v₁连续不间断地流动到另一容器2中，并投加ZVI混合搅拌，进行Fe³⁺还原；流速v₁为混合液总体积/HRT，所述HRT表示水力停留时间，为1～5天；

(3)每间隔时间t₁，用电磁铁吸住ZVI实现固液分离，然后将分离后所得的还原后的混合液在流动时间t₂内以流速v₂流回至容器1中曝气充氧氧化；时间t₁为0.5～1.5小时；时间t₂为2～5分钟；流速v₂＝v₁(t₁+t₂)/t₂；

(4)按步骤(2)、(3)不断进行循环，至整个体系中总铁TFe沉淀完全，将容器1中合成的矿物过滤收集，水洗烘干得施氏矿物。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)得到的混合液中FeSO₄·7H₂0浓度为20～25g/L。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)得到的混合液中FeSO₄·7H₂0浓度为22.24g/L。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述ZVI投加条件为投加周期1～3天，投加量为当时容器1内Fe³⁺质量浓度的1/3～2/3。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述ZVI投加条件为投加周期为2天。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述ZVI投加量为当时容器1内Fe³⁺质量浓度的1/2。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，混合搅拌转速为280～320r/min。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，混合搅拌转速为300r/min。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，时间t₁为1小时。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，时间t₂为3分钟。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中所述曝气条件为溶解氧浓度保持6mg/L以上。

12.权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中所述曝气条件为溶解氧浓度为6-8mg/L。

13.权利要求1～12任一项所述的制备方法制备的施氏矿物。

14.权利要求13所述的施氏矿物在环境工程领域中的应用。

15.权利要求14所述的施氏矿物在砷吸附、苯酚或抗生素污染物催化降解中的应用。

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