CN111229812B - 一种改性纳米零价铁及其在修复重金属污染土壤中的应用 - 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，其按照如下工艺制备而得：往CMC纳米零价铁喷洒菌剂，搅拌均匀，置于4℃条件下保存。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CMC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，降低了成本，避免投加过量纳米零价铁对土壤结构的破坏。

Description

一种改性纳米零价铁及其在修复重金属污染土壤中的应用
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及其在修复重金属污染土壤中的应用。
背景技术
零价铁(zero valent iron，ZVI)技术，因其操作工艺简单、处理效率高、运行费用低、能耗小、材料易得等特点，被视为一种较有潜力的土壤稳定修复技术。其中，纳米级别的零价铁(nano-scale zero-valent iron，nZVI)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。
然而由于颗粒表面静电荷引力、高表面能、颗粒间的范德华引力以及颗粒表面的氢键及其他化学键作用，导致纳米颗粒容易形成聚合体，且纳米零价铁零价铁易被氧化，这两个缺陷制约了其在污染水体及土壤中的分散性、迁移性，是限制其修复能力的最大障碍。研究者利用聚合电解质、表面活性剂、多糖等稳定剂以及表面金属负载、活性炭负载及乳化被膜等方法对纳米零价铁进行表面改性，在诸多稳定剂中，表面活性剂因能使微粒保持胶团性质被广泛应用，而水溶性多糖/聚合电解质羧甲基纤维素(CMC)以及水溶性多糖淀粉被认为是绿色、经济的稳定剂，正逐渐受到关注。经稳定剂改性的纳米零价铁在土壤及地下水中具有良好的稳定性、迁移性及反应活性，并能顺利到达地下污染区，提高修复效率。已有研究表明，经稳定剂改性的纳米零价铁被原位注入土壤中后可以到达地下水污染源，对有机污染以及重金属污染具有良好修复效果。目前改性纳米零价铁在水体重金属污染或有机污染修复的研究较多，在土壤中的研究较少，可溶性有机物(DOM),pH、Cl-、HCO3-、PO4 3-、Ca2+、胡敏酸等不同因素也会影响纳米铁对水体重金属污染物的去除效率。
鉴于纳米零价铁比传统零价铁在重金属污染处理方面更具优越性，有研究者开始尝试利用改性后的纳米零价铁作为土壤稳定剂处理As、Cr(VI)、Hg等单一重金属污染土壤，具有较好稳定效果。目前的土壤重金属污染大多数为复合污染而非单一污染。因此研究改性纳米零价铁固化稳定化重金属复合污染土壤迫在眉睫。
因反应条件、经济成本等因素，纳米零价铁修复重金属复合污染土壤的效率不高，将纳米零价铁与好氧微生物降解联合处理成为一个研究热点。目前很多学者已经开始尝试使用纳米零价铁联合微生物进行污染物的环境修复，但是纳米零价铁往往对微生物细胞产生不利的影响，可能原因是，粒径更小的纳米零价铁可以附着在微生物细胞膜内外，引起细胞膜结构的破坏以及细胞内含物的外渗。因此，既要考虑纳米零价铁的化学活性又要考虑其对微生物细胞膜产生的影响。研究能够与纳米零价铁共存，并且能够协同修复重金属污染土壤的微生物类型是需要克服的技术问题。
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及其在修复重金属污染土壤中的应用。
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，其按照如下工艺制备而得：
往CMC纳米零价铁喷洒菌剂，所述菌剂和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。
进一步地，所述菌剂为铜绿假单胞菌、黑曲霉或者二者组合的菌液。
更进一步地，所述菌剂为铜绿假单胞菌和黑曲霉的混合菌液。
优选地，所述菌剂按照如下方法制得：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。
优选地，所述CMC纳米零价铁的制备方法为：
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。
本发明还要求保护上述的改性纳米零价铁在修复重金属污染土壤中的应用。
进一步地，所述重金属为Zn，Cr，Pb，Cu或者二者以上的组合物。
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。
附图说明
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，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 BDA0002382439330000061
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筛的浙江富阳风干土，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 BDA0002382439330000062
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，其按照如下工艺制备而得：
往CMC纳米零价铁喷洒菌剂，所述菌剂和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；
所述菌剂按照如下方法制得：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的体积比混合制得；
所述CMC纳米零价铁的制备方法为：
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。
2.权利要求1所述的改性纳米零价铁在修复重金属污染土壤中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述重金属为Zn，Cr，Pb，Cu或者二者以上的组合物。
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