CN111088294B - 一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，在常温常压下，以七水合硫酸亚铁为原料，以无机盐为营养物质，用硫酸调节反应体系的pH，采用中国微生物菌种保藏中心，菌株编号为ATCC 23270经过制备得到磁性微生物纳米颗粒，然后用所述颗粒对Fe2+的催化氧化作用，通过一系列反应制得聚合硫酸铁产品。本发明是一种经济节能、绿色环保、产品稳定性高、保存时间久、应用前景广阔的制备聚合硫酸铁的方法。

Description

一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法
技术领域
本发明涉及生物科技技术领域，具体涉及一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法。
背景技术
聚合硫酸铁是一种无机高分子絮凝剂，液体呈红褐色，固体为黄色粉末，广泛应用于饮用水、工业用水、各种工业废水、城市污水、污泥脱水等的净化处理。聚合硫酸铁与其他无机絮凝剂相比具有以下特点：混凝性能优良，矾花密实，沉降速度快；净水效果优良，水质好，不含铝、氯及重金属离子等有害物质，也没有铁离子的水相转移，无毒，无害，安全可靠；除浊、脱色、脱油、脱水、除菌、除臭、除藻、去除水中COD、BOD及重金属离子等功效显著；适应水体pH值范围宽，为4-11，最佳PH值范围为6-9，净化后原水的pH值与总碱度变化幅度小，对处理设备腐蚀性小；对微污染、含藻类、低温低浊原水净化处理效果显著，对高浊度原水净化效果尤佳；投药量少，成本低廉，处理费用可节省20％-50％。
目前，国内外生产聚合硫酸铁大多采用直接氧化法和催化氧化法。催化氧化法生产中以硫酸亚铁和硫酸为原料，通过催化剂的催化作用，在酸性介质中亚铁被加速氧化成三价铁离子，常用的催化剂主要是NaNO2，整个反应过程是在气液两相中进行的空气氧化，反应速度极其缓慢，使用催化剂NaNO2可以加快反应速度，但是当浓度较高时，仍存在反应时间过长、催化剂用量大、成本高、生产效率低、对环境造成二次污染等一系列问题。目前，我国己能进行的工业化生产，但是催化剂是致癌物质，投加量大，产品中的亚硝酸易超标，反应过程有有害气体排出，污染环境，后序处理工艺复杂，反应速率慢，而且采用这样的条件制备，设备要求高、技术难度大、生产成本高。而直接氧化法是直接采用氧化剂直接将亚铁离子氧化为三价铁离子，然后进行一系列水解、聚合得到聚合硫酸铁，常用的氧化剂为HNO3、KClO3、H2O2、NaClO等，直接氧化法具有工艺简单，操作方便的优点，不足之处在于生产需用大量氧化剂，还需要分离除去氧化剂引入的离子，对副产物有毒有害气体的吸收处理，成本太高，所以工业化生产普及和应用有很大的困难。
发明内容
本发明的目的在于提出一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，用以解决目前市面上化学方法制备聚合硫酸铁具有需要强氧化剂、需要高温高压的条件、经济投入大、生产条件要求高等问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，在常温常压下，以七水合硫酸亚铁为原料，以无机盐为营养物质，用硫酸调节反应体系的pH，采用中国微生物菌种保藏中心，菌株编号为ATCC 23270经过制备得到磁性微生物纳米颗粒，然后用所述颗粒对Fe2+的催化氧化作用，通过一系列反应制得聚合硫酸铁产品。
作为本发明的进一步改进，具体步骤如下：
(1)在反应槽中加入无机盐营养液和FeSO4·7H2O，得到营养液，用硫酸调节反应体系的pH到1.7；
(2)将嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒水溶液按照第一接种量加入反应槽；
(3)常温常压下，通气搅拌反应第一时间段，当溶液从草绿色变为红棕色时，将溶液按第二接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用硫酸调节反应体系的pH到1.5，以此类推，不断驯化，直到反应体系的pH到1.2-1.3、反应周期稳定后，得到的溶液作为接种种子液；
(4)将(3)中的种子液按第三接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用硫酸调节反应体系的pH为1.2-1.3，通气搅拌反应数天，每天测一次亚铁离子含量，直到亚铁离子全部氧化为铁离子时停止反应；
(5)反应结束后，将溶液置于阴凉干燥通风的地方静置熟化第二时间段，然后滤去沉淀，得到液态产品。
作为本发明的进一步改进，所述的无机盐营养液成分为：(NH4)2SO40.5-1.0g/L，KCl 0.10-0.15g/L，K2HPO40.3-0.5g/L，MgSO40.4-0.6g/L，所述营养液中FeSO4·7H2O的含量为100-300g/L。
作为本发明的进一步改进，所述硫酸为20wt％稀硫酸。
作为本发明的进一步改进，所述第一接种量为整个反应体系的10-30％，接种菌液的菌体密度为107-109cfu/mL，第二接种量为整个反应体系的10-30％，第三接种量为整个反应体系的10-30％。
作为本发明的进一步改进，所述常温常压为28±3℃和一个标准大气压。
作为本发明的进一步改进，所述第一时间段为2-7天，所述第二时间段为2-4周。
作为本发明的进一步改进，所述第一时间段为2-7天，所述第二时间段为2-4周。
作为本发明的进一步改进，所述嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备方法如下：
S1.磁性纳米粒子的制备：将六水合氯化钴溶于水中，升温到反应温度后滴加氨水，恒温反应第三时间段，不断搅拌，降至室温，将合成的磁性纳米粒子用去离子水洗涤多次，磁铁分离，待用；
S2.嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备：将磁性纳米粒子和氨水分别加入到去离子水中，升温至反应温度后滴加硅烷偶联剂KH550，氮气保护恒温反应第四时间段，加入1010-1012cfu/mL嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌液，继续反应第五时间段，降至室温，将合成的磁性纳米颗粒用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到。
作为本发明的进一步改进，所述反应温度为55-65℃，所述氨水的质量分数为30-40wt％，所述第三时间段为1-3h，所述第四时间段为0.5-1h，所述第五时间段为2-4h，步骤S1中所述六水合氯化钴和氨水的质量体积比为1：(3-5)，步骤S2中所述磁性纳米粒子和氨水的质量体积比为1：(2-4)，所述磁性纳米粒子和硅烷偶联剂KH550的质量比为1：(0.01-0.05)，所述磁性纳米粒子和嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌液的质量体积比为1:(0.5-1.5)。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明以来源广泛的工业硫酸亚铁FeSO4·7H2O为原料，以无机盐溶液为营养物质，通过嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)ATCC23270对Fe2+的催化氧化作用来制得生物聚合硫酸铁，原料来源广，成本低，不需添加强氧化剂和催化剂。
(2)本发明在常温常压下即可进行实验，不需要高温、高压，对操作人员和设备要求较低。
(3)本发明中，菌种经过阶段性驯化可适应低无机盐的极端酸性条件，而在低无机盐的极端酸性条件下，反应过程产生的沉淀少，铁的利用率高，损耗少，制得的成品稳定性高，保存时间长，处理效果好。
(4)本发明将磁性纳米粒子和嗜酸氧化亚铁硫杆菌通过硅烷偶联剂连接，制得的磁性固定化菌纳米颗粒具有磁性，便于磁性分离，避免了沉降反应后还需进行过滤、离心等复杂步骤，简化操作；
(5)本发明是一种经济节能、绿色环保、产品稳定性高、保存时间久、应用前景广阔的制备聚合硫酸铁的方法。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备方法如下：
S1.磁性纳米粒子的制备：将10g六水合氯化钴溶于100mL水中，升温到反应温度后滴加30mL 30wt％氨水，恒温反应1h，不断搅拌，降至室温，将合成的磁性纳米粒子用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到磁性纳米粒子7.5g；
S2.嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备：将7.5g磁性纳米粒子和15mL 30wt％氨水分别加入到去离子水中，升温至55℃后滴加0.0075g硅烷偶联剂KH550，氮气保护恒温反应0.5h，加入3.75g 1010cfu/mL嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌液，继续反应2h，降至室温，将合成的磁性纳米颗粒用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到。
实施例2
嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备方法如下：
S1.磁性纳米粒子的制备：将10g六水合氯化钴溶于100mL水中，升温到反应温度后滴加50mL40wt％氨水，恒温反应3h，不断搅拌，降至室温，将合成的磁性纳米粒子用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到磁性纳米粒子7.5g；
S2.嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备：将7.5g磁性纳米粒子和30mL 40wt％氨水分别加入到去离子水中，升温至65℃后滴加0.0375g硅烷偶联剂KH550，氮气保护恒温反应1h，加入11.25g 1012cfu/mL嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌液，继续反应4h，降至室温，将合成的磁性纳米颗粒用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到。
实施例3
嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备方法如下：
S1.磁性纳米粒子的制备：将10g六水合氯化钴溶于100mL水中，升温到反应温度后滴加40mL 35wt％氨水，恒温反应2h，不断搅拌，降至室温，将合成的磁性纳米粒子用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到磁性纳米粒子7.5g；
S2.嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备：将7.5g磁性纳米粒子和22mL 35wt％氨水分别加入到去离子水中，升温至60℃后滴加0.02g硅烷偶联剂KH550，氮气保护恒温反应0.75h，加入6g 1011cfu/mL嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌液，继续反应3h，降至室温，将合成的磁性纳米颗粒用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到。
实施例4极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法
具体步骤如下：
(1)在反应槽中加入无机盐营养液和FeSO4·7H2O，得到营养液，用20wt％稀硫酸调节反应体系的pH到1.7；
(2)将实施例3制备的嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒水溶液按照整个反应体系的10％的接种量加入反应槽，接种菌液的菌体密度为107cfu/mL；
(3)常温常压(28±3℃和一个标准大气压)下，通气搅拌反应2天，当溶液从草绿色变为红棕色时，将溶液按整个反应体系的10％的接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用20wt％稀硫酸调节反应体系的pH到1.5，以此类推，不断驯化，直到反应体系的pH到1.2-1.3、反应周期稳定后，得到的溶液作为接种种子液；
(4)将(3)中的种子液按整个反应体系的10％的接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用20wt％稀硫酸调节反应体系的pH为1.2-1.3，通气搅拌反应数天，每天测一次亚铁离子含量，直到亚铁离子全部氧化为铁离子时停止反应；
(5)反应结束后，将溶液置于阴凉干燥通风的地方静置熟化2周，然后滤去沉淀，得到液态产品。
无机盐营养液成分为：(NH4)2SO40.5g/L，KCl 0.10g/L，K2HPO40.3g/L，MgSO40.4g/L；营养液中FeSO4·7H2O的含量为100g/L。
实施例5极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法
具体步骤如下：
(1)在反应槽中加入无机盐营养液和FeSO4·7H2O，得到营养液，用20wt％稀硫酸调节反应体系的pH到1.7；
(2)将实施例3制备的嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒水溶液按照整个反应体系的30％的接种量加入反应槽，接种菌液的菌体密度为109cfu/mL；
(3)常温常压(28±3℃和一个标准大气压)下，通气搅拌反应7天，当溶液从草绿色变为红棕色时，将溶液按整个反应体系的30％的接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用20wt％稀硫酸调节反应体系的pH到1.5，以此类推，不断驯化，直到反应体系的pH到1.2-1.3、反应周期稳定后，得到的溶液作为接种种子液；
(4)将(3)中的种子液按整个反应体系的30％的接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用20wt％稀硫酸调节反应体系的pH为1.2-1.3，通气搅拌反应数天，每天测一次亚铁离子含量，直到亚铁离子全部氧化为铁离子时停止反应；
(5)反应结束后，将溶液置于阴凉干燥通风的地方静置熟化4周，然后滤去沉淀，得到液态产品进一步干燥得到固态产品，所述干燥方法为冷冻干燥。
无机盐营养液成分为：(NH4)2SO41.0 g/L，KCl 0.15g/L，K2HPO40.5 g/L，MgSO40.6g/L；营养液中FeSO4·7H2O的含量为300g/L。
测试例1
将本发明方法与普通方法进行性能比较，结果见表1。
表1
项目 实施例5 普通方法
成品稳定性 高 低
保存时间(天) 300 180
产品得率(％) 96.7％ 82.1％
铁利用率(％) 95％ 79％
反应过程中沉淀量 极少 较多
与现有技术相比，本发明以来源广泛的工业硫酸亚铁FeSO4·7H2O为原料，以无机盐溶液为营养物质，通过嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillusferrooxidans)ATCC23270对Fe2+的催化氧化作用来制得生物聚合硫酸铁，原料来源广，成本低，不需添加强氧化剂和催化剂。
本发明在常温常压下即可进行实验，不需要高温、高压，对操作人员和设备要求较低。
本发明中，菌种经过阶段性驯化可适应低无机盐的极端酸性条件，而在低无机盐的极端酸性条件下，反应过程产生的沉淀少，铁的利用率高，损耗少，制得的成品稳定性高，保存时间长，处理效果好。
本发明将磁性纳米粒子和嗜酸氧化亚铁硫杆菌通过硅烷偶联剂连接，制得的磁性固定化菌纳米颗粒具有磁性，便于磁性分离，避免了沉降反应后还需进行过滤、离心等复杂步骤，简化操作；
本发明是一种经济节能、绿色环保、产品稳定性高、保存时间久、应用前景广阔的制备聚合硫酸铁的方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，在常温常压下，以七水合硫酸亚铁为原料，以无机盐为营养物质，用硫酸调节反应体系的pH，采用中国微生物菌种保藏中心，菌株编号为ATCC 23270经过制备得到嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒，然后用所述颗粒对Fe2+的催化氧化作用，通过一系列反应制得聚合硫酸铁产品；
所述嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备方法如下：
S1磁性纳米粒子的制备：将六水合氯化钴溶于水中，升温到反应温度后滴加氨水，恒温反应第三时间段，不断搅拌，降至室温，将合成的磁性纳米粒子用去离子水洗涤多次，磁铁分离，待用；
S2嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒的制备：将磁性纳米粒子和氨水分别加入到去离子水中，升温至反应温度后滴加硅烷偶联剂KH550，氮气保护恒温反应第四时间段，加入1010-1012cfu/mL嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌液，继续反应第五时间段，降至室温，将合成的磁性纳米颗粒用去离子水洗涤多次，磁铁分离，得到。
2.根据权利要求1所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在反应槽中加入无机盐营养液和FeSO4·7H2O，得到营养液，用硫酸调节反应体系的pH到1.7；
(2)将嗜酸氧化亚铁硫杆菌磁性微生物纳米颗粒水溶液按照第一接种量加入反应槽；
(3)常温常压下，通气搅拌反应第一时间段，当溶液从草绿色变为红棕色时，将溶液按第二接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用硫酸调节反应体系的pH到1.5，以此类推，不断驯化，直到反应体系的pH到1.2-1.3、反应周期稳定后，得到的溶液作为接种种子液；
(4)将(3)中的种子液按第三接种量接种到新鲜的FeSO4·7H2O和无机盐营养液混合的营养液中，用硫酸调节反应体系的pH为1.2-1.3，通气搅拌反应数天，每天测一次亚铁离子含量，直到亚铁离子全部氧化为铁离子时停止反应；
(5)反应结束后，将溶液置于阴凉干燥通风的地方静置熟化第二时间段，然后滤去沉淀，得到液态产品。
3.根据权利要求2所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，所述的无机盐营养液成分为：(NH4)2SO4 0.5-1.0g/L，KCl 0.10-0.15g/L，K2HPO4 0.3-0.5g/L，MgSO4 0.4-0.6g/L，所述营养液中FeSO4·7H2O的含量为100-300g/L。
4.根据权利要求2所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，所述硫酸为20wt％稀硫酸。
5.根据权利要求2所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，所述第一接种量为整个反应体系的10-30％，接种菌液的菌体密度为107-109cfu/mL，第二接种量为整个反应体系的10-30％，第三接种量为整个反应体系的10-30％。
6.根据权利要求2所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，所述常温常压为28±3℃和一个标准大气压。
7.根据权利要求2所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，所述第一时间段为2-7天，所述第二时间段为2-4周。
8.根据权利要求2所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，得到所述液态产品后可进一步干燥得到固态产品，所述干燥方法为冷冻干燥、自然风干、烘箱加热、水浴加热中的一种。
9.根据权利要求1所述一种极端酸性条件下生物聚合硫酸铁的制备方法，其特征在于，所述反应温度为55-65℃，所述氨水的质量分数为30-40wt％，所述第三时间段为1-3h，所述第四时间段为0.5-1h，所述第五时间段为2-4h，步骤S1中所述六水合氯化钴和氨水的质量体积比为1：(3-5)，步骤S2中所述磁性纳米粒子和氨水的质量体积比为1：(2-4)，所述磁性纳米粒子和硅烷偶联剂KH550的质量比为1：(0.01-0.05)，所述磁性纳米粒子和嗜酸氧化亚铁硫杆菌菌液的质量体积比为1:(0.5-1.5)。
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