CN111185140B - 一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法。本发明依次包括如下步骤：将平面丝用丝素蛋白溶液进行表面处理，控制其孔隙率；以硅酸四乙酯作为二氧化硅颗粒的反应前驱液，将平板丝置于反应液中培养数小时，最终可获得修饰有二氧化硅纳米颗粒的平板丝，此平板丝结合了二氧化硅和本身多孔结构特性，能作为水处理的生物膜，进行不同类型污水处理。本发明工艺简单，操作便利，整个过程环保无污染，制得的生物膜可以多次重复利用，在污水处理领域具有广泛的应用前景。

Description

一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法
技术领域
本发明属于环保材料领域，具体涉及一种利用二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法。
背景技术
随着现代社会的高速发展，工业废水和城镇生活污水的超标排放，造成了大范围内的点源和面源相结合的污染现状，极大的影响了居民的身体健康和生态环境。因此，污水有效处理是目前面临的主要问题。污水种类繁多，其中工业废水多以重金属、有机染料、化学品类污水为主，城镇生活污水中则包含氮、磷和微生物等物质，污水处理是一个复杂而又艰巨的任务。目前，污水处理方法主要包括物理法、化学法、物理化学法和生化法，这些方法有优点同时也存在不足，如成本过高，处理过程复杂，条件苛刻等。因此，在污水处理中，针对这些问题需要寻求创新和新的突破。
二氧化硅颗粒在污水处理过程中应用较为广泛，具备高吸附和絮凝沉降的物理特性，对众多类型的污染物均有分离清除的效果。研究表明，二氧化硅颗粒对重金属离子铜、铅等具有吸附能力。然而，目前使用二氧化硅颗粒进行污水处理时多采用直接投料方式，一方面二氧化硅的使用量大，造成资源浪费，另一方面，无法回收利用，形成二次污染，且处理形式单一，灵活性差。因此，对于二氧化硅颗粒的运用需要进一步研究。
平板丝具有多孔的结构、易于保存，可多次重复利用。同时，蚕丝蛋白表面具有丰富的活性基团，可以结合多种化合物离子进行表面修饰，充分发挥生物模板的功能。因此，以平板丝为生物模板搭载二氧化硅纳米颗粒，构建新型的水处理生物膜具有潜在的应用价值，有助于开拓水处理的新方法。
发明内容
为了解决背景技术中二氧化硅在污水处理过程中回收困难、无法重复使用的问题，本发明提出了一种利用二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法，利用平板丝诱导二氧化硅纳米颗粒在其表面自组装，制备可用于水处理的生物膜。
本发明采用的技术方案具体包括以下步骤：
(1)将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板丝；平板丝可由柞蚕或家蚕等吐丝获得；
(2)将平板丝浸泡于丝素蛋白溶液中，处理15min～30min，沥水晾干后重复3～4次浸泡-晾干操作，再进行干燥；
(3)将步骤2)处理后的平板丝利用无水乙醇处理4～8h后，进行冷冻干燥；
(4)在乙醇溶液体系中依次加入硅酸四乙酯和氨水，室温25℃下持续搅拌，获得二氧化硅反应溶液；将步骤(3)处理后的平板丝置于二氧化硅反应溶液中，反应4-8h，取出、漂洗、烘干后获得修饰二氧化硅纳米颗粒的平板丝；
(5)将步骤(4)获得的修饰二氧化硅纳米颗粒的平板丝用于污水中重金属离子和有机染料的吸附。
所述步骤(2)中丝素蛋白溶液的质量百分比为6～20％，优化为10％。
所述步骤(2)中的干燥为自然干燥、烘干或冷冻干燥等。
所述步骤(3)中硅酸四乙酯与氨水的体积比为1:0.5-2，体积比不同会影响形成的二氧化硅颗粒的尺寸大小。
所述步骤(4)中的重金属离子为铜、铅、铬或镉中的一种。
所述的步骤(4)中的有机染料为亚甲基蓝、苏丹Ⅲ或罗丹明B中的一种。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用平板丝结合二氧化硅纳米颗粒制备的水处理生物膜可重复使用，具有更高的水处理效率。
(2)本发明所用的平板丝保留了蚕丝本身的优良理化性能。
(3)由于平板丝的高孔隙率和二氧化硅的高吸附和絮凝能力，本发明制备的生物膜可对多种污染物(如重金属离子、有机染料)进行有效处理。
(4)本发明的制备过程环保、无污染，价格低廉，可根据需求制备大小不一的生物吸附膜；制备工艺简单、处理方便可用于规模化生产。
说明书附图
图1为实施例1中修饰二氧化硅纳米颗粒的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不限于以下实施例。
实施例1
(1)提取蚕丝蛋白溶液，调整浓度为6％，将平板丝浸泡于丝素蛋白溶液中15min，取出后沥水晾干，重复此步骤3次，进行自然干燥。
(2)将步骤(1)中获得的平板丝浸泡在无水乙醇4h,取出进行冷冻干燥，获得不溶性的小孔平板丝。
(3)配制50mL的二氧化硅纳米颗粒合成溶液，分别加入5ml硅酸四乙酯和5ml的氨水。将步骤(2)冷冻干燥后的平板丝放置于反应溶液中，与室温下震荡孵育4h。将反应后的平板丝取出，去离子水多次漂洗后晾干，可得到用于水处理的生物膜，生物膜的扫描电镜图如图1所示。
(4)配制含有重金属离子铜、铅的污水，利用步骤(3)制备得到的平板丝置于重金属溶液中进行重金属的吸附测试，吸附结果如表1所示。
表1平板丝与SiO2@平板丝复合膜进行重金属铬和铜吸附率测定
重金属 浓度(mg/L) 平板丝吸附率(％) SiO<sub>2</sub>@平板丝吸附率(％)
Cr<sup>3+</sup> 8 2.3 89.7
Cu<sup>2+</sup> 50 1.8 94.3
由上表结果可以看到，本发明的SiO2@平板丝复合膜对重金属离子有很好的吸附作用。
实施例2
(1)提取蚕丝蛋白溶液，调整浓度为10％，将平板丝浸泡于丝素蛋白溶液中30min，取出后沥水晾干，重复此步骤3次，进行自然干燥。
(2)将步骤(1)中获得的平板丝浸泡在无水乙醇8h,取出进行冷冻干燥，获得不溶性的小孔平板丝。
(3)配制50mL的二氧化硅纳米颗粒合成溶液，分别加入6ml硅酸四乙酯和10ml的氨水。将步骤(2)冷冻干燥后的平板丝放置于反应溶液中，与室温下震荡孵育4h。将反应后的平板丝取出，去离子水多次漂洗后晾干，可得到用于水处理的生物膜。
(4)利用步骤(3)制备得到的平板丝进行有机染料的吸附测试：取一定量的平面丝置于苏丹Ⅲ有机染料中测试吸附性能，吸附结果如表2所示。
表2平板丝和SiO2@平板丝复合材料进行苏丹Ⅲ吸附率测定
有机染料 浓度(mg/L) 平板丝吸附率(％) SiO<sub>2</sub>@平板丝吸附率(％)
苏丹Ⅲ 25 80 95
由上表结果可以看到，本发明的SiO2@平板丝复合膜对染料的吸附效果优异。

Claims (6)

1.一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将蚕置于平板吐丝床上，待吐丝尽后，将已吐丝的蚕自平板吐丝床上取下，获得平板丝；
（2）将平板丝浸泡于丝素蛋白溶液中，处理15min~30min，沥水晾干后重复3~4次浸泡-晾干操作，再进行干燥；
（3）将步骤（ 2）处理后的平板丝利用无水乙醇处理4~8h后，进行冷冻干燥；
（4）在乙醇溶液体系中依次加入硅酸四乙酯和氨水，室温下持续搅拌，获得二氧化硅反应溶液；将步骤（3）处理后的平板丝置于二氧化硅反应溶液中，反应4-8h，取出、漂洗、烘干后获得修饰二氧化硅纳米颗粒的平板丝；
（5）将步骤（4）获得的修饰二氧化硅纳米颗粒的平板丝用于污水中重金属离子和有机染料的吸附。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法，其特征在于，所述步骤（2）中丝素蛋白溶液的质量百分比为6~20%。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的干燥为自然干燥、烘干或冷冻干燥。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法，其特征在于，所述步骤（4）中硅酸四乙酯与氨水的体积比为1:0.5-2。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法，其特征在于，所述步骤（5）中的重金属离子为铜、铅、铬或镉中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化硅纳米颗粒修饰平板丝制备水处理生物膜的方法，其特征在于，所述的步骤（5）中的有机染料为亚甲基蓝、苏丹Ⅲ或罗丹明B中的一种。
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