CN110433872A - 一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌 - Google Patents

一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含金属污泥炭基催化材料的制备方法及用于催化过氧化氢高效灭菌的应用。制备方法是以污泥作为原料通过烘干、研磨、过筛步骤后与增稠剂混合，采用热解技术制备出污泥炭基材料，经酸洗后烘干得到污泥炭基催化载体；将含金属离子的溶液加入到污泥炭基催化载体中，搅拌均匀后热解得到表面改性的污泥炭基催化材料粗产物；最后采用去离子水清洗、烘干、研磨和过筛制得含金属污泥炭基催化材料；其应用为将含金属污泥炭基催化材料、过氧化氢和环境病原微生物共培养，含金属污泥炭基催化材料催化过氧化氢产生的羟基自由基能够高效杀灭环境病原微生物，实现了固体废弃物的资源化利用。

Description

一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌
技术领域
本发明涉及一种含金属污泥炭基催化材料的制备方法和应用，适用于催化过氧化氢产生羟基自由基高效灭菌，属于病原微生物处理和固体废弃物资源化处置领域。
背景技术
抗生素是在低浓度下就能选择性地抑制某些生物生命活动的微生物次级代谢产物，及其化学半合成或全合成的衍生物。抗生素对环境病原微生物具有抑制或杀灭作用，是防治感染性疾病的重要药物。自从将磺胺类药物和青霉素引入应用以来，已经开发出大量的抗生素应用于杀灭环境病原微生物，显著降低了其引起的感染发病率和死亡率。但是随着抗生素的大量使用，多药耐药和耐药菌株的出现(特别是病原性微生物爆发)引起的相关感染已成为公众健康的新威胁。随着全球对抗生素滥用造成的危害逐渐达成共识，抗生素的地位及作用遭受怀疑，同时抗生素的使用也遭到严格的控制。因此，亟待寻求一种代替抗生素的药物来对抗环境病原微生物。
氧既是维系生命不可缺少的物质，同时有可能成为生命的杀手。活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)对生物有机体具有两面性，当少量的ROS存在时能够刺激微生物体内环氧化酶等一些酶的活性；但是当ROS大量存在时，过于强烈的氧化作用会氧化破坏蛋白质、核酸和脂质等生物小分子，达到杀灭微生物的目的。过氧化氢以其较低的生态毒性和无色无味等特点应用于污水处理和消毒等方面。过氧化氢属于活性氧自由基能够被用于消毒灭菌，但是微生物具有ROS响应性防御机制，低浓度的外源性过氧化氢会被病原微生物降解清除。过氧化氢能够被催化剂催化产生羟基自由基(·OH)，羟基自由基具有比过氧化氢更强的氧化活性，能够非特异性杀灭细菌而不引起细菌的耐药性。
随着我国城镇化建设的步伐越来越快，我国城镇污水处理量不断提高，城镇污水处理厂污泥产量急剧增加。污泥是污水生化处理中的副产物，目前污泥常规的处理方式有填埋、堆肥、焚烧和建材利用等。污泥热解技术是一种有效的污泥处理方式并且能回收得到有用的产物。污泥热解技术具有减少污泥体积、不产生二噁英和回收生物油等特点，从可持续发展角度考虑，污泥热解技术能最大限度的将污泥重复利用并且尽量减少有毒有害物质残留。
本发明通过相关的物理和化学方法处理污泥可以制备出含有金属元素的污泥炭基催化材料，将此催化材料应用于催化过氧化氢产生羟基自由基，可以高效的杀灭环境病原微生物，实现了固体废弃物资源化利用。
发明内容
1.所要解决的技术问题
本发明通过热解技术等物理和化学方法处理污泥可以制备出含有金属元素的污泥炭基催化材料。将此催化材料应用于催化过氧化氢，高效产生羟基自由基，羟基自由基能非特异性地氧化破坏蛋白质、核酸和脂质等生物小分子来杀灭环境病原微生物，实现了固体废弃物资源化利用。
2.技术方案
一种含金属污泥炭基催化材料的制备方法步骤如下：
步骤一：将污泥在90-150℃空气环境下烘干粉碎，经100-300目筛分后得到污泥粉末；
步骤二：上一步骤得到的污泥粉末与增稠剂聚阴离子纤维素(PAC)、羟甲基纤维素钠(CMC)或海藻酸钠混合后加入30-65wt.％蒸馏水，搅拌后挤出成型，得到直径5-8mm柱状体；
步骤三：上一步骤得到的污泥柱状体在30-120mL/min的氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率升至120-150℃干燥1-3h，再以10-15℃/min的升温速率升至500-900℃进行3-6h持续热解，冷却至室温后得到污泥炭基催化材料；
步骤四：在10-45wt.％硫酸内浸泡上一步骤得到的污泥炭基催化材料，浸泡温度30-50℃，浸泡时间12-24h，污泥炭催化剂与硫酸的体积比为1∶2-1∶6，用去离子水清洗浸泡后的污泥炭基催化材料至清洗液的pH为6-7，放置烘箱中在50-100℃下烘干，研磨，经200-400目筛分后得到污泥炭基催化材料载体；
步骤五：将上一步骤得到的污泥炭基催化材料载体，加入含金属离子的溶液，污泥炭基催化材料载体与含金属离子的溶液的体积比为1∶5-1∶10，搅拌并在30-120mL/min的氮气气氛下以2-10℃/min的速率升温至100-120℃干燥2-4h，然后以10-20℃/min的速率升温至400-800℃，热解4-8h后冷却至室温，得到污泥炭基表面改性粗产物；
步骤六：用去离子水清洗上一步得到的污泥炭基表面改性粗产物至电导率恒定，放入烘箱中在50-100℃下烘干，研磨后经200-400目筛分得到含金属污泥炭基催化材料；
进一步地，按照上述方法制备得到的含金属污泥炭基催化材料，其用于催化过氧化氢高效灭菌的实验技术方案为：
步骤一：在环境温度为20-40℃，摇床转速为100-300r/min的条件下培养菌株12-24h；
步骤二：将上一步骤培养后的菌株用0.1-1mol/L，pH为6-8的磷酸氢二钠和磷酸二氢钾缓冲液(PBS)重复清洗三次，最后用PBS重悬并稀释到菌悬液浓度为107-109CFUs/mL；
步骤三：将上一步骤稀释后的菌液、过氧化氢(H2O2)和不同浓度的含金属污泥炭基催化材料加入到10-20mL新鲜牛肉膏蛋白胨(LB)培养基中，在温度20-40℃，摇床转速100-300r/min的条件下培养，H2O2的最终浓度为1-300ppm，含金属污泥炭基催化材料的最终浓度为1-200μg/mL，最终灭菌后的培养基中细菌浓度的对数值低于1；
3.有益效果
本发明通过相关的物理和化学方法处理污泥，制备出尺寸均一、大小稳定的含金属污泥炭基催化材料。将此催化材料应用于催化过氧化氢，高效产生羟基自由基，羟基自由基通过氧化破坏蛋白质、核酸、脂质等生物小分子来杀灭病原微生物，实现了环境病原微生物的治理以及固体废弃物资源化利用。
附图说明
图1为含金属污泥炭基催化材料的制备方法及应用流程图；
图2为含金属污泥炭基催化材料粒径图；
图3为含金属污泥炭基催化材料电位图；
图4为含金属污泥炭基催化材料催化过氧化氢产生羟基自由基测定图；
图5为含金属污泥炭基催化材料催化过氧化氢产生羟基自由基灭菌效果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的说明。
1)将脱水后的污泥110℃干燥12h，并机械粉碎，研磨过300目筛。
2)所得污泥粉末与增稠剂CMC(使用量为2wt.％)充分混合，加入去离子水(水含量为25wt.％)，搅拌均匀，充分混捏后挤成圆柱形，挤出直径为4mm。
3)将挤出的柱状污泥以3℃/min升温至120℃干燥4h，然后以10℃/min升温至600℃煅烧4h后，冷却至室温，得到污泥炭。
4)将上述污泥炭用20wt.％的硫酸浸泡并搅拌12h，处理温度为40℃，污泥炭与硫酸的体积比为1∶5，用去离子水清洗浸泡后的污泥炭至出水pH值为6，然后用超声清洗器清洗，放置烘箱中在60℃下烘干，过300目筛，即得到污泥炭基催化材料载体。
5)将污泥炭基催化材料载体浸渍0.5wt.％硫酸亚铁溶液，污泥炭基催化材料载体与硫酸亚铁溶液之间用量体积比为1∶5，浸渍，搅拌，以2℃/min的速率升温至120℃干燥4h，然后以10℃/min的速率升温至600℃，热解4h后，冷却至室温，得到表面改性的污泥炭基催化材料粗产物。实验过程中通N2保护。
6)用去离子水清洗表面改性的污泥炭基催化材料粗产物至电导率保持不变。放入烘箱中在60℃下烘干，研磨，过300目筛，即得到含金属污泥炭基催化材料，将含金属污泥炭基催化材料重新分散于水中，超声0.5h后测粒径(图1)和电位(图2)。
图3为本实施例的含金属污泥炭基催化材料催化过氧化氢产生羟基自由基测定图。图3采用对苯二甲酸(TA)来检测羟基自由基的生成，TA是一种羟基自由基的清除剂，其本身没有荧光性质，TA能够与羟基自由基反应产生具有荧光性质的2-羟基对苯二甲酸(2-OH-TA)，并且不与单线态氧等其他自由基反应；2mL TA、0.5mL过氧化氢和0.5mL含金属污泥炭基催化材料混合后放入60℃水浴，分别于0min、5min、10min和20min取样，在315nm激发光下测定荧光强度，检测体系中产生的羟基自由基。
图4为本实施例中含金属污泥炭基催化材料催化过氧化氢产生羟基自由基灭菌效果图。100μL稀释菌液，100μL H2O2和100μL不同浓度的含金属污泥炭基催化材料加入到10mL新鲜LB培养基中共培养；H2O2的终浓度为20ppm，含金属污泥炭基催化材料的最终浓度分别为0，10，50μg/mL，培养温度为37℃，摇床转速为200r/min，每隔两个小时取样测OD600绘制生长曲线，检测羟基自由基灭菌效果。
通过附图1-4可以明确地看出本方法产生的含金属污泥炭基催化材料的粒径比较均一，且带正电，有利于含金属污泥炭基催化材料通过静电相互作用附着到环境微生物的表面，对于环境微生物具有较好的靶向性，更有利于含金属污泥炭基催化材料催化过氧化氢产生的羟基自由基到达微生物表面或内部；含金属污泥炭基催化材料能高效的催化过氧化氢产生羟基自由基，从而高效杀灭大肠杆菌等病原微生物。

Claims (5)

1.一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌，其特征在于：所述含金属污泥炭基催化材料的制备方法包括以下步骤：
步骤一：将污泥在90-150℃空气环境下烘干粉碎，经100-300目筛分后得到污泥粉末；
步骤二：上一步骤得到的污泥粉末与增稠剂混合后加入30-65wt.％蒸馏水，搅拌后挤出成型，得到直径5-8mm柱状体；
步骤三：上一步骤得到的污泥柱状体在30-120mL/min的氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率升至120-150℃干燥1-3h，再以10-15℃/min的升温速率升至500-900℃进行3-6h持续热解，冷却至室温后得到污泥炭基催化材料；
步骤四：在10-45wt.％硫酸内浸泡上一步骤得到的污泥炭基催化材料，浸泡温度30-50℃，浸泡时间12-24h，污泥炭催化剂与硫酸的体积比为1∶2-1∶6，用去离子水清洗浸泡后的污泥炭基催化材料至清洗液的pH为6-7，放置烘箱中在50-100℃下烘干，研磨，经200-400目筛分后得到污泥炭基催化材料载体；
步骤五：将上一步骤得到的污泥炭基催化材料载体，加入含金属离子的溶液，污泥炭基催化材料载体与含金属离子的溶液的体积比为1∶5-1∶10，搅拌并在30-120mL/min的氮气气氛下以2-10℃/min的速率升温至100-120℃干燥2-4h，然后以10-20℃/min的速率升温至400-800℃，热解4-8h后冷却至室温，得到污泥炭基表面改性粗产物；
步骤六：用去离子水清洗上一步得到的污泥炭基表面改性粗产物至电导率恒定，放入烘箱中在50-100℃下烘干，研磨后经200-400目筛分得到含金属污泥炭基催化材料；
所述含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌，包括以下步骤：
步骤一：在环境温度为20-40℃，摇床转速为100-300r/min的条件下培养菌株12-24h；
步骤二：将上一步骤培养后的菌株用0.1-1mol/L，pH为6-8的磷酸氢二钠和磷酸二氢钾缓冲液(PBS)重复清洗三次，最后用PBS重悬并稀释到菌悬液浓度为107-109CFUs/mL；
步骤三：将上一步骤稀释后的菌液、过氧化氢(H2O2)和不同浓度的含金属污泥炭基催化材料加入到10-20mL新鲜牛肉膏蛋白胨(LB)培养基中，在温度20-40℃，摇床转速100-300r/min的条件下共培养，最终灭菌后的培养基中细菌浓度的对数值低于1。
2.根据权利要求1所述的一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌，其特征在于：所述含金属污泥炭基催化材料制备方法步骤五中的含金属离子的溶液为硫酸亚铁溶液、硫酸铝溶液或硫酸铜溶液中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌，其特征在于：所述含金属污泥炭基催化材料的应用中的菌种为大肠杆菌、枯草芽孢杆菌、炭疽杆菌、金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌、鳗弧菌、产气荚膜梭菌、链球菌、肠球菌、肺炎双球菌、肺炎克雷伯菌、李斯特菌、志贺氏菌、伤寒沙门氏菌或表皮葡萄球菌。
4.根据权利要求1所述的一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌，其特征在于：所述含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢，过氧化氢的用量为1-300ppm。
5.根据权利要求1所述的一种含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢高效灭菌，其特征在于：所述含金属污泥炭基催化材料用于催化过氧化氢，含金属污泥炭基催化材料用量为1-200μg/mL。
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