CN111229153B - 一种改性纳米零价铁的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污染环境中重金属污染修复领域，公开了一种改性纳米零价铁的制备方法，其包括如下步骤：步骤1)制备菌剂，步骤2)制备羧甲基纤维素(CMC)纳米零价铁，3)制备改性纳米零价铁。本发明制备方法简单可行，应用前景广阔。

Description

一种改性纳米零价铁的制备方法
技术领域
本发明属于污染环境中重金属污染修复领域，涉及一种改性纳米零价铁的制备方法。
背景技术
纳米级别的零价铁具有普通毫米级或微米级零价铁不能比拟的还原吸附能力，能高效得将环境污染物，如含氯有机物、有毒金属、无机化合物转变为低毒或惰性的物质，越来越受到科研工作者的关注。
研究发现十二烷基硫酸钠改性纳米零价铁(SDS-nZVI)对砷具有稳定作用，使砷尾矿渣中浸出毒性法(TCLP)提取的As含量下降52.25％。对于多金属污染土壤，目前的研究较为缺乏，仅有少数报告利用未改性的纳米零价铁修复多金属复合污染石灰性土壤，使DTPA提取的Cd，Zn，Pb和Ni含量分别只下降12％，0％，25％和21％，但忽略了未改性纳米零价铁的缺陷。对纳米零价铁修复重金属污染的机理研究，目前主要集中在水体中纳米零价铁去除重金属的机理，包括：(1)与重金属的标准氧化还原电位有关，理论上只要标准氧化还原电位高于Fe2+/Fe(-0.41V)的元素，即可被Fe还原；(2)纳米零价铁粒径小、比表面积大，因此表面能量高、吸附能力强，能通过吸附作用去除水中部分重金属离子；(3)Fe将H2O转变成H2和OH-，溶液中某些金属离子与OH-在纳米零价铁粒子表面进行配合，生成微溶物的共沉淀作用。一种元素通常存在多种机理。高分辨率X射线光电子能谱(HR-XPS)结果显示溶液中Zn2+和Cd2+未被还原，而Hg2+、Ag+被还原为单质Hg和Ag。研究发现溶液中部分Pb2+与纳米铁表面的OH-配合形成Pb(OH)2和PbO2，而另一部分吸附的Pb2+则被还原为零价铅的结论。在污染土壤中，目前已有的研究主要集中在对纳米零价铁及其改性对土壤重金属的稳定效果，其对重金属的稳定机制尚不明确。由于土壤是由多种成分和不同大小颗粒组成的非均质体，不同粒级组分的理化性质存在差异，对重金属元素的吸附能力也具有很大差异。研究表明，土壤颗粒中的砷含量与黏粒比例呈正相关，土壤细颗粒中砷含量更高。同样在土壤中，随着土壤粒径的减小，Cd和Zn的含量逐渐增加。这就为研究稳定剂稳定化重金属的机理研究带来困难。传统的重金属稳定剂/改良剂，如石灰石、粉煤灰、粘土矿物材料等，对土壤中重金属的稳定机理主要是：(1)稳定剂/改良剂表面对重金属离子的离子交换或者配位吸附作用；(2)与重金属通过溶解-沉淀作用生成溶解度很低的无机盐类；(3)先在表面生成无机盐沉淀相，重金属离子再扩散进入矿物的晶格。
申请人致力于对纳米零价铁技术进行改进，专利技术CN108372198A公开了利用改性纳米零价铁修复重金属复合污染酸性土壤的方法，采用聚乙烯吡咯烷酮对纳米零价铁进行改性，通过空间位阻作用和静电位阻效应，减少纳米零价铁的团聚，增加其分散性和在土壤中的迁移性，并将聚乙烯吡咯烷酮改性的纳米零价铁以溶液形式添加到重金属复合污染酸性土壤中，搅拌均匀，放置在通风良好的位置，进行稳定化处理，并使土壤水分保持60％70％的持水量。改性后的纳米零价铁对重金属复合污染酸性土壤中重金属的稳定化效率更高，操作简单，修复效率高，修复成本低，对环境无二次污染。专利技术CN108246794A公开了一种提高纳米零价铁在重金属复合污染土壤中稳定化效率的方法，其包括以下步骤：(1)改性纳米零价铁的制备；(2)改性纳米零价铁对重金属复合污染土壤的稳定化处理；(3)稳定化效果评价；特点是采用羧甲基纤维素钠对纳米零价铁进行改性，通过空间位阻作用和静电位阻效应，减少纳米零价铁的团聚，增加其分散性和在土壤中的迁移性。改性后的纳米零价铁对重金属复合污染土壤中重金属的稳定化效率提高，操作简单，修复效率高，修复成本低，对环境无二次污染。专利技术CN106825013A公开了一种利用改性纳米零价铁对重金属污染土壤的稳定化处理的方法，其包括以下步骤：(1)土壤的前处理；(2)改性纳米零价铁的制备；(3)改性纳米零价铁与土壤中混合；(4)改性纳米零价铁稳定化重金属复合污染土壤评价。本发明的特点是采用聚乙烯吡咯烷酮对纳米零价铁进行改性，通过空间位阻作用和静电位阻效应，减少纳米零价铁的团聚，增加其分散性和在土壤中的迁移性，经测定采用本发明，改性后的纳米零价铁在土壤中分散性和迁移性增加，不容易被土壤固相吸附，在1h时，仅有19.7％的P nZVI被土壤吸附。上述方法使用的纳米零价铁浓度较大，均为1g/L，成本高，而且对土壤有一定的危害。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种改性纳米零价铁的制备方法，该制备方法简单可行，应用前景广阔。
为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：
一种改性纳米零价铁的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1)制备菌剂，步骤2)制备羧甲基纤维素(CMC)纳米零价铁，3)制备改性纳米零价铁。
进一步地，所述步骤1)制备菌剂，包括：将铜绿假单胞菌培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液，即得。
进一步地，所述步骤1)制备菌剂，包括：将黑曲霉培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液，即得。
进一步地，所述步骤1)制备菌剂，包括：将铜绿假单胞菌和黑曲霉分别培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液，按照1:1的体积比混合得到复合菌液，即得。
进一步地，所述步骤2)制备羧甲基纤维素(CMC)纳米零价铁，包括：
将2.4g/L的CMC水溶液通纯氮气15min，然后加入FeSO4·7H2O制得浓度为0.02M的FeSO4溶液，以150r/min的速度通过机械搅拌使之充分混合至少20min，以确保CMC-Fe2+复合物的形成；然后在BH4-/Fe2+的摩尔比为2.0的配比条件下，向装有CMC-Fe2+复合物的反应容器中逐滴匀速滴加NaBH4水溶液；待反应结束后，真空抽滤，用超纯水洗涤3次，在氮气保护下，40℃烘箱中烘10h，烘干，得到CMC纳米零价铁。
进一步地，所述3)制备改性纳米零价铁，包括：往CMC纳米零价铁喷洒复合菌液，复合菌液和CMC改性纳米零价铁的比例为1L：4-5kg，搅拌均匀，置于4℃条件下保存。
优选地，所述铜绿假单胞菌为ATCC9027。
优选地，所述黑曲霉为ATCC16404。
注，本发明所述的菌种属于常规菌株，均可以从商业途径购买得到。本发明的各菌种的扩大培养为本领域的常规培养方式，不是本发明创新点，此处并不详述。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要包括但是并不限于以下几个方面：
在制备纳米零价铁过程中加入改性剂CMC，能有效地抑制纳米零价铁颗粒的团聚，从而保持了颗粒的高比表面积和反应活性。除了减弱物理间相互作用外，CMC可以吸附在纳米铁颗粒表面，阻止了颗粒表面高活性位点与周围的介质的反应，而不易氧化；且经修饰后的纳米零价铁颗粒粒比表面积增大，吸附能力提高；经CMC改性后的纳米零价铁更不易被氧化，且分散性好；而且，CMC和微生物相容性好，而且粘附力强，能够对微生物起到较好的固定作用。
本发明通过多种菌株进行筛选适合与CMC纳米零价铁相结合的菌株，协同性能好，与单独纳米零价铁修复重金属污染土壤相比，本方法可以显著降低纳米零价铁材料的投加量，避免投加过量纳米零价铁对土壤结构的破坏。
说明书附图
图1：不同菌株对CMC纳米零价铁浸出毒性的影响；
图2：不同菌株组合对浸出毒性的影响。
具体实施方式
本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的产品及方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品及方法进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行详细说明。
具体生物材料选用恶臭假单胞菌ATCC23483，酿酒酵母ATCC 9763，鲍曼不动杆菌ATCC19606，荚膜红细菌ATCC11166，铜绿假单胞菌ATCC9027，黑曲霉ATCC16404。
实施例1
一种改性纳米零价铁，其按照如下工艺制备而得：
将铜绿假单胞菌和黑曲霉分别按照常规方法培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液，按照1:1的体积比混合得到复合菌液；
将2.4g/L的CMC水溶液通纯氮气15min，然后加入FeSO4·7H2O制得浓度为0.02M的FeSO4溶液，以150r/min的速度通过机械搅拌使之充分混合至少20min，以确保CMC-Fe2+复合物的形成；然后在BH4 -/Fe2+的摩尔比为2.0的配比条件下，向装有CMC-Fe2+复合物的反应容器中逐滴匀速滴加NaBH4水溶液；待反应结束后，真空抽滤，用超纯水洗涤3次，在氮气保护下，40℃烘箱中烘10h，烘干，得到CMC纳米零价铁；
往CMC纳米零价铁喷洒复合菌液，复合菌液和CMC改性纳米零价铁的比例为1L：4kg，搅拌均匀，置于4℃条件下保存。
实施例2
一种改性纳米零价铁，其按照如下工艺制备而得：
将铜绿假单胞菌按照常规方法培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液；
将2.4g/L的CMC水溶液通纯氮气15min，然后加入FeSO4·7H2O制得浓度为0.02M的FeSO4溶液，以150r/min的速度通过机械搅拌使之充分混合至少20min，以确保CMC-Fe2+复合物的形成；然后在BH4 -/Fe2+的摩尔比为2.0的配比条件下，向装有CMC-Fe2+复合物的反应容器中逐滴匀速滴加NaBH4水溶液；待反应结束后，真空抽滤，用超纯水洗涤3次，在氮气保护下，40℃烘箱中烘10h，烘干，得到CMC纳米零价铁；
往CMC纳米零价铁喷洒菌液，菌液和CMC改性纳米零价铁的比例为1L：4kg，搅拌均匀，置于4℃条件下保存。
实施例3
一种改性纳米零价铁，其按照如下工艺制备而得：
将黑曲霉按照常规方法培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液；
将2.4g/L的CMC水溶液通纯氮气15min，然后加入FeSO4·7H2O制得浓度为0.02M的FeSO4溶液，以150r/min的速度通过机械搅拌使之充分混合至少20min，以确保CMC-Fe2+复合物的形成；然后在BH4 -/Fe2+的摩尔比为2.0的配比条件下，向装有CMC-Fe2+复合物的反应容器中逐滴匀速滴加NaBH4水溶液；待反应结束后，真空抽滤，用超纯水洗涤3次，在氮气保护下，40℃烘箱中烘10h，烘干，得到CMC纳米零价铁；
往CMC纳米零价铁喷洒菌液，菌液和CMC改性纳米零价铁的比例为1L：4kg，搅拌均匀，置于4℃条件下保存。
实施例4
一种改性纳米零价铁，其按照如下工艺制备而得：
将恶臭假单胞菌按照常规方法培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液；
将2.4g/L的CMC水溶液通纯氮气15min，然后加入FeSO4·7H2O制得浓度为0.02M的FeSO4溶液，以150r/min的速度通过机械搅拌使之充分混合至少20min，以确保CMC-Fe2+复合物的形成；然后在BH4 -/Fe2+的摩尔比为2.0的配比条件下，向装有CMC-Fe2+复合物的反应容器中逐滴匀速滴加NaBH4水溶液；待反应结束后，真空抽滤，用超纯水洗涤3次，在氮气保护下，40℃烘箱中烘10h，烘干，得到CMC纳米零价铁；
往CMC纳米零价铁喷洒菌液，菌液和CMC改性纳米零价铁的比例为1L：4kg，搅拌均匀，置于4℃条件下保存。
对比例1
CMC纳米零价铁，其按照如下工艺制备而得：
首先，在室温下将2.4g/L的CMC水溶液通纯氮气15min，然后加入FeSO4·7H2O制得浓度为0.02M的FeSO4溶液，以150r/min的速度通过机械搅拌使之充分混合至少20min，以确保CMC-Fe2+复合物的形成；然后在BH4 -/Fe2+的摩尔比为2.0的配比条件下，向装有CMC-Fe2+复合物的反应容器中逐滴匀速滴加NaBH4水溶液；待反应结束后，真空抽滤，用超纯水洗涤3次，在氮气保护下，40℃烘箱中烘10h，烘干，得到CMC纳米零价铁。
实施例5
本发明试验土壤为典型重金属复合污染土壤，供试土壤按常规标准法实地取样，采样深度为0-20cm。土壤样品自然风干后，研磨并过2mm尼龙筛备用。参照《土壤农化分析》测定其基本理化性质。
表1供试土壤理化性质及重金属含量
Figure BDA0002382439400000071
不同菌株对CMC纳米零价铁进行修饰，方式参见实施例1-4：
编号1：恶臭假单胞菌；
编号2：荚膜红细菌；
编号3：鲍曼不动杆菌；
编号4：铜绿假单胞菌；
编号5：酿酒酵母；
编号6：黑曲霉。
分别于7个烧杯中各自称取100g过2mm筛的污染风干土，分别加入相同体积Fe浓度为0.25g/L的改性纳米零价铁溶液至润湿，封口后水平振荡12h。在室温条件下平衡14天，40℃烘干12小时后研磨，并密封保存。
TCLP法检测重金属的浸出毒性以浸出系数来表示：
Figure BDA0002382439400000072
据表1可知，土壤中重金属含量均超过国际限制值标准，因此该土壤存在生态风险。CMC纳米零价铁稳定化后，Zn，Cr，Pb，Cu浸出含量分别为136.70、5.13、7.64以及4.37，单位为mg/kg。如图1所示，与对照CMC纳米零价铁相比，不同菌株改性后对浸出毒性影响差异较大，其中，荚膜红细菌、酿酒酵母以及鲍曼不动杆菌对重金属浸出毒性没有明显的影响，可能是上述菌株不适合与零价铁共存；而恶臭假单胞菌与CMC纳米零价铁结合后，能够提高对Cr和Pb浸出毒性，分别较对照CMC纳米零价铁降低了18％和11％；黑曲霉对Cr浸出毒性有明显降低，降低了24％，对其它重金属浸出毒性没有影响；铜绿假单胞菌对四种重金属浸出毒性均有明显下调，较CMC纳米零价铁相比较，Zn，Cr，Pb，Cu浸出毒性分别降低了29％、47％、12％以及35％。
在上述实验的基础上，为了进一步提高浸出毒性，将对重金属浸出毒性有降低效果的三种菌株进行组合，其中，组合1：恶臭假单胞菌+铜绿假单胞菌；组合2：铜绿假单胞菌+黑曲霉；组合3：恶臭假单胞菌+黑曲霉。
如图2所示，与单一铜绿假单胞菌相比较，组合1对四种重金属的浸出毒性没有提升，反而有所下降，可能是两种菌株之间产生了一定的拮抗作用；组合2采用铜绿假单胞菌+黑曲霉的组合方式，明显提升了对Cr、Pb以及Cu的浸出毒性；组合3中，对Pb的浸出毒性和采用单一的恶臭假单胞菌没有明显改变，对Cr的浸出毒性较CMC纳米零价铁相比较下降21％，其效果并不如单独使用黑曲霉。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种改性纳米零价铁的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1)制备菌剂，步骤2)制备羧甲基纤维素(CMC)纳米零价铁，步骤3)制备改性纳米零价铁；
所述步骤1)制备菌剂，包括：将铜绿假单胞菌和黑曲霉分别培养成浓度为1×109cfu/ml的菌液，按照1:1的体积比混合得到复合菌液，即得；
所述步骤2)制备CMC纳米零价铁，包括：
将2.4g/L的CMC水溶液通纯氮气15min，然后加入FeSO4·7H2O制得浓度为0.02M的FeSO4溶液，以150r/min的速度通过机械搅拌使之充分混合至少20min，以确保CMC-Fe2+复合物的形成；然后在BH4 -/Fe2+的摩尔比为2.0的配比条件下，向装有CMC-Fe2+复合物的反应容器中逐滴匀速滴加NaBH4水溶液；待反应结束后，真空抽滤，用超纯水洗涤3次，在氮气保护下，40℃烘箱中烘10h，烘干，得到CMC纳米零价铁；
所述步骤3)制备改性纳米零价铁，包括：往CMC纳米零价铁喷洒复合菌液，复合菌液和CMC纳米零价铁的比例为1L：4-5kg，搅拌均匀，置于4℃条件下保存。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜绿假单胞菌为ATCC9027。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述黑曲霉为ATCC16404。
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