CN110860216B - 一种微孔无机滤膜的制备工艺和制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微孔无机滤膜，为脲酶活性微生物碳酸钙复合体系制备无机滤膜，通过制备脲酶活性微生物碳酸钙复合体系，促进复合体系中的脲酶水解尿素反应，生成碳酸钙浆状悬浮液，在混合体系中加入一定量的纸浆纤维，将混合固相沉淀物经多孔介质过滤后形成无强度浆状层；将浆状层置于矿化胶结液中进一步矿化，形成具有一定强度的微生物碳酸钙纸浆纤维复合无机滤膜。本发明的工艺简单，原材料获取方便，所采用的脲酶活性微生物，对人体无害，在新陈代谢产生碳酸钙的过程中不会产生有害物质，无机滤膜在污水处理、细菌过滤等方面的利用中，不会发生副反应或对细菌有毒害作用，属于环境友好型滤膜，过滤效果好，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种微孔无机滤膜的制备工艺和制备方法
技术领域
本发明涉及一种微孔无机滤膜，具体涉及一种脲酶活性微生物碳酸钙复合体系制备无机滤膜的工艺和方法，属于微生物化学、生物无机非金属材料和膜分离技术领域。
背景技术
膜分离技术由于其能耗低、处理效率高、自动化程度高等优点，广泛用于食品饮料、医疗制药、市政工水处理、工业用高纯水、锅炉补水、海水淡化、电子行业超纯水、废水处理与回用、物料浓缩提纯等多种行业。特别在污水处理方面，通过在滤膜一侧施加一定的压力，使污水从膜的一侧流到另一侧，污水中含有的有害物质、细菌等被截留在膜面上，从而达到污水净化的目的。相比与传统的化学处理方法，膜分离技术更加简便、有效。
根据滤膜孔径的不同，可将其分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜。
膜分离技术的应用在各行各业都有了显著的效益，但依然存在着一些限制发展的问题。其中，最显著的问题是膜污染，工业废水含有大量的有害污染物且种类成分多样，利用膜分离技术截留的效果不理想，而且存在着膜面堵漏、化学破坏、细菌生长等污染问题；其次，在长期的使用中，滤膜易发生破损导致分离性能降低的现象。
目前对于膜污染、膜耐久性低等问题的解决方法尚未成熟；因此，亟需研究出一种环境友好、耐久性高且具有自清洁性的新型滤膜。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种脲酶活性微生物碳酸钙复合体系制备无机滤膜的工艺和方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种微孔无机滤膜，制备工艺如下反应式：
尿素+Ca2++n(CaCO3-脲酶菌)→NH4 ++(CaCO3-CaCO3)n。
上述的一种微孔无机滤膜，制备方法包括以下步骤：
S1、把脲酶微生物置于含有钙源和尿素的环境下发生生物矿化反应，制得具有脲酶活性的碳酸钙浆状悬浮液；
S2、往碳酸钙浆状悬浮液中加入一定量的纸浆纤维，制得混合固相沉淀物；
S3、利用多孔介质过滤上述沉淀物，制得浆状层；
S4、将浆状层压实并放置在矿化胶结液中进一步固化，形成具有多孔结构的微生物碳酸钙纸浆纤维复合无机滤膜。
上述步骤S1中含有钙源和尿素的环境包括含有钙源和尿素的水溶液，脲酶微生物与水溶液的体积比为1:10-10:1。
上述步骤S1中的尿素和钙源的浓度相等，且均为0.05-1.5mol/L。
上述步骤S1的生物矿化反应的时间为2-24h；还包括以100-600rpm的转速搅拌。
上述步骤S1中的脲酶微生物的光密度(OD600)为0.1-5，脲酶活性为1-30U/ml。
上述步骤S1中的钙源包括氯化钙、醋酸钙、硝酸钙。
上述步骤S2中的碳酸钙浆状悬浮液的脲酶活性为10-1000U/g，加入纸浆纤维的量为0.1-10g/L。
上述步骤S3中的多孔介质可为沙柱、滤纸等孔径小于1mm的扩孔材料。
上述步骤S4中的矿化胶结液，包括等摩尔的钙源和尿素混合的水溶液，钙源和尿素的浓度为0.1-2mol/L。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种微孔无机滤膜，是一种利用脲酶活性微生物碳酸钙复合体系制备的无机滤膜，具有以下优点：
(1)孔隙小、孔密集且孔径可控：可根据工艺目的调节矿化胶洁液中尿素和氯化钙的浓度来控制孔径的大小，因此其在污水处理、细菌过滤等方面可以发挥较好的效益；
(2)自修复能力：无机滤膜在破损、开裂之后，可通过给复合体系上的活跃细菌提供胶结溶液，进行矿化反应来修补缺口，因此本发明的无机滤膜具有一定的自修复能力；
(3)自清洁能力：在无机滤膜膜面堵塞的情况下，可直接给膜面滴加稀盐酸或者在无氧环境中给膜面滴加葡萄糖的方法，利用盐酸或细菌无氧呼吸产生的乳酸溶解膜表层碳酸钙，释放堵塞物，因此本无机滤膜具有一定的自清洁性；
(4)、耐久性：本发明的无机滤膜，在干湿交替以及温度常变的环境下，依然具有较好的耐久性；
本发明的工艺简单，原材料获取方便，所采用的脲酶活性微生物，对人体无害，在新陈代谢产生碳酸钙的过程中不会产生有害物质，而且制备出的无机滤膜在污水处理、细菌过滤等方面的利用中，不会发生副反应或者对细菌有毒害作用，属于环境友好型滤膜，过滤效果好，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明的脲酶活性微生物碳酸钙复合体系在反应阶段(a左)和静置阶段(a右)的试验图。
图2和图3为无机滤膜的孔径的电镜图。
图4为试验一的过滤前后细胞浓度对比图。
图5为试验一的过滤前后细菌截留效率对比图。
图6为试验二的过滤前后EPS干重与细胞浓度之比图。
图7为试验二的过滤前后EPS细胞干重比图。
图8为试验二的过滤前后EPS截留效率对比图。
图9为试验三的过滤前后蛋白多糖比例图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种微孔无机滤膜，为脲酶活性微生物碳酸钙复合体系制备无机滤膜，制备工艺为：制备脲酶活性微生物碳酸钙复合体系，促进复合体系中的脲酶水解尿素反应，生成碳酸钙浆状悬浮液，在该混合体系中加入一定量的纸浆纤维，将混合固相沉淀物经多孔介质过滤后形成无强度浆状层；将该浆状层置于矿化胶结液中进一步矿化，进而形成具有一定强度的微生物碳酸钙纸浆纤维复合无机滤膜。
工艺反应如下式：
尿素+Ca2++n(CaCO3-脲酶菌)→NH4 ++(CaCO3-CaCO3)n。
制备方法，包括以下步骤：
S1、按1:10-10:1的体积比，把光密度(OD600)为0.1-5、脲酶活性为1-30U/ml的脲酶微生物，置于含有等摩尔且浓度均为0.05-1.5mol/L的钙源(氯化钙、醋酸钙、硝酸钙)和尿素的混合水溶液中，然后以100-600rpm的转速搅拌混合溶液2-24h，使得脲酶微生物持续水解尿素产生碳酸根，并与溶液中的钙离子反应，从而进行持续的生物矿化反应，制得具有脲酶活性为10-1000U/g的碳酸钙浆状悬浮液；即由碳酸钙和附着在碳酸钙晶体上的脲酶活性微生物组成的脲酶活性微生物碳酸钙复合体系；
S2、往碳酸钙浆状悬浮液中加入0.1-10g/L的纸浆纤维，制得由碳酸钙晶体沉淀、附载在碳酸钙晶体表面的微生物、以及纸浆纤维共同组成的混合固相沉淀物；
S3、利用孔径小于1mm的多孔介质过滤上述沉淀物，制得浆状层；优选为沙柱、滤纸等扩孔材料；
S4、将浆状层压实，并放置在由等摩尔且浓度均为0.1-2mol/L钙源和尿素的混合水溶液组成的矿化胶结液中，进一步固化3-48h，形成具有多孔结构的微生物碳酸钙纸浆纤维复合无机滤膜。
实施例：
脲酶活性微生物碳酸钙复合体系的制备。
以从污水处理厂的活性污泥中分离出来的巴氏芽孢杆菌作为基本菌源，在好氧无菌的条件下置于培养基中培养。培养基由10g/L氯化铵、20g/L酵母提取物、0.01g/L氯化镍组成，初始pH值设为9。细菌培养温度为28℃，同时在轨道振动筛上以200转/分的速度振动培养基。培养48小时后收取细菌培养物，并在4℃的条件下保存。收获的细菌培养物的光密度(OD600)从2到3不等，使用前用电导率仪测量尿素酶活性并调整到大约10U/ml(1U＝1μmol尿素水解/分钟)左右。
往1L的调配好的细菌培养物中加入44.4g氯化钙和24g尿素，然后以200rpm的速度搅拌混合液24h。随着生物矿化反应，逐渐生成具有脲酶活性微生物的碳酸钙浆状悬浮液，如图1。
向上述的碳酸钙浆状悬浮液中加入2克纸浆纤维，用普通滤纸过滤碳酸钙纸浆纤维浆状悬浮液，制成具有3mm的碳酸钙纸浆纤维滤渣，然后将该滤渣压实并且放置在1摩尔每升的尿素-氯化钙矿化胶结液中固化48小时，获得3mm厚的孔径在30-100纳米左右的无机滤膜(图2和图3)。
试验一：
使用本实施例的无机滤膜和普通微滤膜滤纸(孔径在1-3微米)进行细菌过滤试验：
试验中采用的细菌有三种：革兰氏阴性大肠杆菌(Gram-negative E.coli)、革兰氏阳性短杆菌(Gram-positive Brachybacterium sp.)、以醋酸盐形式从活性污泥中呼吸富集的混合联合体(Mixed consortium in form of acetate respiring enrichmentfrom activated sludge)，过滤前的初始细胞密度均保持在约1010cfu/ml。
过滤前后溶液中的菌落浓度差异结果，见如图4和图5。
如图4所示的过滤前后细胞浓度对比图，基于脲酶活性微生物碳酸钙复合体系制备的无机滤膜在过滤方面表现出了更优的效率。经其过滤后的液体中含有的三种菌落浓度在对数坐标上约为106CFU/mL，比用普通滤纸过滤后的菌落浓度低104倍，这说明本专利的无机滤膜具有更小的孔隙，截留细菌的效果更优，过滤效率更高。
如图5所示的过滤前后细菌截留效率对比图，说明了用普通滤纸过滤，细菌的去除效果只能达到20～30％，明显低于无机滤膜对于细菌的去除效率。
试验二：
使用本实施例的无机滤膜和通微滤膜滤纸(孔径在1-3微米)对从细菌中提取出的胞外聚合物(EPS)进行过滤试验，比较两种滤膜的过滤性能。
分别对初始细胞密浓度0D600为2.0的革兰氏阴性大肠杆菌、革兰氏阳性短杆菌和以醋酸盐形式从活性污泥中呼吸富集的混合联合体进行离心，并收集不含细胞而有胞外聚合物的上清液。
过滤前后E干重对比以及EPS去除效率的结果，见图6、图7、图8。
图6以过滤前后EPS干重与细胞浓度比来体现过滤效率。
图7以过滤前后EPS干重与细胞总干重之比来体现过滤效率。
图6、图7中，三种细菌的胞外聚合物经本发明的无机滤膜过滤后，滤液中剩余的EPS量明显低于经由普通滤纸过滤的剩余量。
图8中，对比实施例的无机滤膜和普通微滤膜滤纸(孔径在1-3微米)对EPS的截留效率，本发明的无机滤膜以50％～60％的截留效率占据优势。
试验三：
利用苯酚-硫酸法测定过滤前后EPS中的多糖含量以及用BCA法测定蛋白质的组分，可得到过滤提取蛋白多糖比例图，如图9所示。
过滤提取蛋白多糖比等于过滤前的蛋白多糖比减去过滤后的蛋白多糖比，可以体现在滤膜过滤过程中，EPS主要组分被截留的总量。
用本发明的无机滤膜提取的蛋白多糖比明显高于普通滤纸，约增加了4～5倍的效率。
以上结果说明，对于比细菌尺寸更小的物质如EPS等，本发明的无机滤膜由于其孔径小、孔隙密的特点，在蛋白质提取提纯、污水处理等工艺上可以发挥较大的效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种微孔无机滤膜，其特征在于，制备工艺如下反应式：
尿素+Ca2++n(CaCO3-脲酶菌)→NH4 ++(CaCO3-CaCO3)n；
制备方法，包括以下步骤：
S1、把脲酶微生物置于含有钙源和尿素的环境下发生生物矿化反应，制得具有脲酶活性的碳酸钙浆状悬浮液；
S2、往碳酸钙浆状悬浮液中加入一定量的纸浆纤维，制得混合固相沉淀物；
S3、利用多孔介质过滤上述沉淀物，制得浆状层；
S4、将浆状层压实并放置在矿化胶结液中进一步固化，形成具有多孔结构的微生物碳酸钙纸浆纤维复合无机滤膜。
2.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S1中含有钙源和尿素的环境包括含有钙源和尿素的水溶液，
所述脲酶微生物与水溶液的体积比为1:10-10:1。
3.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S1中的尿素和钙源的浓度相等，且均为0.05-1.5mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S1的生物矿化反应的时间为2-24h；还包括以100-600rpm的转速搅拌。
5.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S1中的脲酶微生物的光密度(OD600)为0.1-5，脲酶活性为1-30U/ml。
6.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S1中的钙源包括氯化钙、醋酸钙、硝酸钙。
7.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S2中的碳酸钙浆状悬浮液的脲酶活性为10-1000U/g，加入纸浆纤维的量为0.1-10g/L。
8.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S3中的多孔介质可为沙柱、滤纸等孔径小于1mm的扩孔材料。
9.根据权利要求1所述的一种微孔无机滤膜，其特征在于，所述步骤S4中的矿化胶结液，包括等摩尔的钙源和尿素混合的水溶液，钙源和尿素的浓度为0.1-2mol/L。
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