CN114735825B - 一种负载混合价氧化铁的生物炭、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负载混合价氧化铁的生物炭、制备方法及其应用，涉及农作废弃物资源化利用和水环境污染修复技术领域，包括以下步骤：(1)将花生壳浸泡在酸性溶液中，加热活化，洗涤，烘干，得到生物炭前驱体；(2)将所述生物炭前驱体与FeCl3混合，分散于乙醇中，加热至干燥，得到固体物质；(3)研磨所述固体物质，加热至300‑700℃，保温1‑2h。本发明负载混合价氧化铁的生物炭(铁基生物炭)同时去除水中难降解有机物BPA和硝酸盐，并避免了Fe纳米颗粒因高表面积使其容易聚集成大颗粒，从而降低其反应性的问题。

Description

一种负载混合价氧化铁的生物炭、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及农作废弃物资源化利用和水环境污染修复技术领域，特别是涉及一种负载混合价氧化铁的生物炭、制备方法及其应用。
背景技术
硝酸盐是河流中最常见的水污染物之一，已成为严重的全球性环境问题。众所周知，过量的硝酸盐在河流中会引发水生环境富营养化和有害藻化等一系列威胁，同时给人类带来的健康风险极大，包括婴儿高铁血红蛋白血症，胃癌和其他疾病的高风险。双酚A(BPA)作为一种化工原料，被大量用于塑料瓶、软管、补牙材料等的生产中，使得BPA被大量释放到环境中，造成严重的环境污染问题。研究表明，BPA的降解自然需要90多年，这意味着双酚A或其他结构相似的化学物质一旦释放到水或土壤中所造成的污染可持续数十年。而BPA浓度即使为ppb级别，也会引起生物体发生不可逆转的伤害。考虑在实际情况中，受污染的水体中可能会同时存在这两种污染物，有必要探索高效、环保且符合可持续发展的水体治理方案。
铁(Fe)虽然可以促进硝酸盐还原成无害气体从而减少水中硝酸盐污染，Fe纳米材料粒径越小，越有利于提高对硝酸盐的降解效率，但是，Fe纳米颗粒高比表面积会使其容易聚集成大颗粒，从而降低其反应性。
有必要提供一种联合去除水中难降解有机物BPA和生物可利用的无机硝酸盐的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种负载混合价氧化铁的生物炭、制备方法及其应用，以解决上述现有技术存在的问题，同时去除水中难降解有机物BPA和硝酸盐，避免Fe纳米颗粒因高表面积使其容易聚集成大颗粒，从而降低其反应性的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种负载混合价氧化铁的生物炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)将花生壳浸泡在酸性溶液中，加热活化，洗涤，烘干，得到生物炭前驱体；
(2)将所述生物炭前驱体与FeCl3混合，分散于乙醇中，加热至干燥，得到固体物质；
(3)研磨所述固体物质，加热至300-700℃，保温1-2h。
进一步地，步骤(1)所述花生壳与酸性溶液的料液比为1g：50mL。
进一步地，所述酸液为盐酸，浓度为0.75M。
进一步地，步骤(1)所述加热温度为70-80℃，活化时间为3-5h，优选加热温度为75℃，加热时间为4h。
进一步地，步骤(2)所述生物炭前驱体与FeCl3的质量比为1：1，其中FeCl3的质量以Fe含量计。
进一步地，步骤(3)加热及保温均在N2气氛中进行。
进一步地，步骤(3)优选加热至300℃、500℃和700℃，更优选加热至300℃和500℃。
进一步地，步骤(3)加热速率为5-10℃/min。
本发明还提供一种由所述制备方法制备得到的负载混合价氧化铁的生物炭。
本发明还提供所述负载混合价氧化铁的生物炭在同时去除硝酸盐和双酚A中的应用。
在本发明中，酸活化能够造孔，使得生物炭比表面积和孔径增大，有利于增加与污染物接触面积，同时为有益微生物提供庇护所。通常情况下，低温条件下的生物炭灰溶出更多的可溶解性有机物，不仅可作为部分可利用碳源，同时其自身的氧化还原官能团更丰富，能够促进污染物去除。而高温条件下，可溶解性有机物明显减少，主要依靠生物炭自身性质影响污染物转化降解，因此，本发明将温度限定为300-500℃。BPA等有机污染物在微生物作用下氧化降解为生物可利用底物，可作为反硝化碳源，同时释放电子，促进硝酸盐还原彻底还原为N2，起到协同作用。
Fe作为反应元素参与了氮生物地球化学循环。不同价态和化学形式的铁，如零价铁、亚铁/铁离子(Fe2+/Fe3+)、氧化铁，可以促进硝化/反硝化和厌氧氨氧化以去除废水中的氮。因此，本发明采用Fe改性生物炭促进硝酸盐还原成无害气体，从而减少水中硝酸盐污染。本发明将Fe负载在以花生壳为原料制备的生物炭载体上，以增强材料分散性和稳定性，花生壳具有很高的交联纤维结构，其衍生的生物炭具有更复杂的孔隙结构和更好的得失电子能力，制备的改性生物炭纳米材料粒径小、表面缺陷多、活性位点高，对有机污染物的吸附和氧化降解效率高。
电子的产生和消耗在碳代谢和反硝化过程中起着至关重要的作用。在微生物反硝化过程中，完成硝酸盐的生物还原为N2，需要碳代谢产生的电子和能量，硝酸盐等电子受体可以作为电子池，有助于增强BPA的生物降解性。本发明制备的负载混合价氧化铁的生物炭可以同时去除硝酸盐和BPA，在硝酸盐等替代电子受体存在的情况下，增强难降解污染物BPA的生物降解性，起到协同作用。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种负载混合价氧化铁的生物炭，用于联合去除水中难降解有机物BPA和硝酸盐，获得了优异的协同降解效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为仅添加碳基材料的BPA吸附效率；
图2为生物炭耦合微生物体系中BPA的去除过程；
图3为BPA的衰减动力学模型(符合伪一级动力学模型)；
图4为仅添加炭基材料对硝酸盐的吸附效果；
图5为生物炭耦合微生物体系中硝酸盐的去除过程；
图6为硝酸盐的衰减动力学模型(符合伪一级动力学模型)；
图7为门水平前14个OUT高于1％的微生物群落，图7中从上到下与图例顺序一致；
图8为属水平有关微生物硝酸盐还原功能菌；
图9为属水平有关微生物BPA降解功能菌。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
首先，选取10g在70℃干燥后的花生壳粉末，用500mL 0.75M的HCl溶液在75℃的温度下活化4h，随后用蒸馏水清洗至出水pH为中性，70℃烘干，得到生物炭前驱体。干燥后的生物炭前驱体与FeCl3(w：w＝1：1，以Fe含量计)混合，分散在乙醇中，在磁力搅拌下加热至50℃直至干燥，得到固体物质，所获得的固体物质在玛瑙研钵中研磨，并将其放置在管式炉中分别加热到300、500、700℃，加热速率为10℃/min，并在N2气氛下保持2h，300、500、700℃下制备三种不同温度的生物炭。得到铁基生物炭，标记为FeBCX(X——300/500/700℃，FeBCX中X表示温度，例如300℃制备的记为FeBC3)。
污染物去除实验
在250mL肖特瓶中进行分批培养取自污水厂的活性污泥。实验室条件下，污泥被富集于含有维生素和微量矿物质的磷酸盐缓冲液溶液(50mM)，同时添加硝酸钠(30mg·L-1)、BPA(10mg·L-1)及乙酸钠(350mg·L-1)。溶解氧浓度控制在0.5mg·L-1以下。每12h更新一次培养基以保持活性污泥中微生物活性。
在250mL肖特瓶中添加25mL反硝化污泥和定量(0/0.05/0.1mg·L-1)生物炭(BC，FeBCX-a表示添加量为0.05mg·L-1，FeBCX-b表示添加量为0.1mg·L-1，依此类推)，同时含有225mL含有维生素和微量矿物质的磷酸缓冲液(50mM)，同时添加硝酸钠(30mg·L-1)、BPA(10mg·L-1)及乙酸钠(350mg·L-1)，用橡胶塞塞紧培养瓶以确保密封状态。所有实验进行3次重复，共形成78个实验单元(包括3个无菌对照组)。且均在28±1℃的气浴恒温振荡箱中以150rpm转速进行。实验时间为24h，分别在0、1、2、4、6、10、16、24h时，从所有样品组中通过孔径为0.22μm的膜过滤收集抽取2mL溶液，以分析NO3 --N和BPA的去除效果。
采用高通量测序分析以研究不同肖特瓶中微生物群落结构。实验结束时，从每个肖特瓶中取40mL悬浮液样品并离心，从残留物中分离出DNA后，分析微生物群落结构，并从原始接种物中收集样品进行测序作为比较。使用细菌引物341F(5'-CCTAYGGGRBGCASCAG-3')和806R(5'-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3')扩增16S rRNA基因的V3-V4区。使用9700PCR(美国)进行PCR扩增。使用Illumina Miseq测序平台(上海比泽隆生物技术有限公司，中国上海)对扩增产物进行焦磷酸测序。所有焦磷酸测序数据均使用QIIM E 1.9.0处理。
污染物去除效率
BPA和硝酸盐去除过程中，使用了不同热解温度和投加剂量的原始及铁基生物炭进行研究(铁基生物炭即实施例1制备的生物炭，原始生物炭与铁基生物炭制备方法相同，只是不添加铁，具体制备方法为：首先，选择10g在70℃下干燥的花生壳粉末，用500mL0.75M的HCl溶液在75℃下活化4h，然后用蒸馏水洗涤，直到流出物的pH值为中性，在70℃干燥，得到生物炭前驱体。将干燥的生物炭前体部分放入管式炉中，以10℃/min的加热速率分别加热到300℃、500℃和700℃，并在N2气氛下保持2小时)。所有的碳基材料均促进了BPA的去除，且与投加剂量无显著关系。图1显示了仅添加碳基材料的BPA吸附效率，观察到24h内BPA含量不断降低，FeBC3-b组(300℃条件下制备的铁基生物炭，投加量为0.1mg·L-1)效果最好，可以吸附32.38％的BPA。但从图1中不难发现，10h后BPA的衰减速率明显下降并停滞，推测生物炭在10h左右达到吸附平衡点。图2描述了微生物耦合生物炭体系中BPA的去除过程。但从图2中可以看出10h后BPA的衰减速率并没有降低，反而有所提升，表明10h生物炭达到吸附饱和后，生物炭本身可能还可以通过催化、促进微生物降解BPA。且FeBC的BPA去除效果明显好于BC，说明FeBC不仅能吸附更多的BPA，也能更好地参与BPA的氧化还原过程中，从而实现BPA的矿化和无害化。同时，BPA的去除符合伪一级动力学模型(图3)。
NO3 -的情况与BPA去除过程相似。整体上，FeBC对硝酸盐的还原明显优于原始生物炭。说明将混合价氧化铁负载在生物炭基底上对于微生物的硝酸盐还原具有至关重要的作用。以往的工作中表明，生物炭对污染物存在较强的吸附去除作用。本发明发现原始生物炭及铁基生物炭对硝酸盐的吸附量较小(图4)，仅占13.6-29.7％。具体地，图5是添加不同生物炭和微生物的实验组，0-16h内硝酸盐去除速率较快，尤其是低温(300℃和500℃)的FeBC添加下16h后硝酸盐基本完全被还原。相比之下，仅添加微生物组(A0)对硝酸盐的去除非常有限(23％)。该结果表明，生物炭能强化微生物还原硝酸盐。同时还考察了不同生物炭添加下硝酸盐还原的衰减速率，该速率符合伪一级动力学模型。根据图6，可以清楚地观察到FeBC3和FeBC5的高低投加量组K值明显高于其他组别，分别为0.169/0.196和0.184/0.162h-1。但FeBC7 K值显著降低，与原始生物炭组相差不大，为0.078/0.062h-1。推测可能的原因是低温(300℃和500℃)条件下存在更多的含氧官能团参与硝酸盐还原过程，同时生物炭中更易溶出一些有机溶解物，会促进微生物还原硝酸盐。
微生物群落变化
为了更好地确定参与硝酸盐还原及BPA生物降解的功能细菌，在门水平和属水平分析了微生物群落。门水平前14个OUT高于1％的微生物群落如图7所示(图7中从上到下与图例顺序一致)，其中酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和变形菌门是原始微生物群落当中的优势门，分别占总丰度的11.26％、5.68％、7.86％、3.92、16.09％和41.31％。当系统中添加不同温度、不同量的原始及改性生物炭时，拟杆菌门为反硝化细菌典型门，变形菌门同时作为反硝化细菌BPA降解细菌的优势门，其相对丰度均有显著的增加，在第10h的FeBC7(未标记a、b的均为a、b两组总和的平均值，下同)条件下达到63.12％。在实验周期结束(24h)时，虽然优势门占总丰度有所下降，但仍然高于原始微生物组。厚壁菌门通常存在于活性污泥系统中，包含多种分解污染物的细菌，表明它们在废水处理中发挥着重要作用。在硝酸盐或硫酸盐条件下，厚壁菌门作为主要菌群参与了BPA的生物降解。在新陈代谢方面，拟杆菌门是众所周知的生物聚合物降解剂，它通过在表面生物膜内提供有氧环境来允许定殖细菌的生长，能够保证对硝酸盐还原及BPA生物降解有益菌群更好地生长和繁殖。
本发明在属水平筛选出了有关微生物硝酸盐还原及BPA降解的功能菌(图8)。总共鉴定出了18种反硝化物种，包括嗜酸菌属(Acidovorax)，不动菌属(Acinetobacter)，根瘤菌属(Bradyrhizobium)，伯克霍尔德菌属(Burkholderia)等。24h后它们分别占BC3、BC5、BC7、FeBC3、FeBC5和FeBC7微生物群落的18.0％、12.5％、15.1％、15.9％、17.4％和11.2％，远高于原始微生物组(8.4％)。值得注意的是，添加300℃和500℃的FeBC组中这些物种的丰度显著增加，这说明添加铁基生物炭材料可以选择性地增强反硝化菌的粘附和增殖能力。嗜酸菌属(Acidovorax)、不动杆菌属(Acinetobacter)、根瘤菌属(Bradyrhizobium)、伯克霍尔德菌属(Burkholderia)和生丝微菌属(Hyphomicrobium)五个核心物种，几乎占到反硝化菌的90％。其中，嗜酸菌属和不动杆菌属具有高效的反硝化性能。根瘤菌属可以利用储存在细胞中的PHB作为C和能量支持生长。同时，伯克霍尔德菌属在反硝化条件下还能促进有机污染物的降解。生丝微菌属被确定为参与甲基营养反硝化的重要微生物群。而代尔夫特菌属(Diaphorobacter)与地杆菌属(Geobacter)合作可有效地转移电子。这些优势菌的相对丰度：FeBC>BC>Original microbial。以上表明FeBC能够丰富促进反硝化的优势菌生长，并能通过促进电子转移从而加快反硝化。
还有可能促进以其他污染物为底物进行反硝化的细菌生长，这就意味着本发明硝酸盐还原协同降解BPA成为了可能。在属水平筛选出20种可能与BPA降解有关的功能物种，包括无色杆菌属(Achromobacter)，α-变形菌(Alpha-proteobacteria)，芽孢杆菌属(Bacillus)，管道杆菌属(Cloacibacterium)，贪铜菌属(Cupriavidus)等。24h后它们分别占BC3、BC5、BC7、FeBC3、FeBC5和FeBC7微生物群落的7.0％、7.7％、5.4％、5.5％、5.0％、5.1％，均高于原始微生物组(3.1％)。研究表明，α-变形菌和γ-变形菌广泛地分布在BPA含量高的废水、沉积物和土壤中。本身含有BPA的沉积物中投加BPA可以快速耗尽，同时α-变形菌和γ-变形菌(Gamma-proteobacteria)成为BPA生物降解的主要细菌群。芽孢杆菌属在好氧或兼行厌氧条件下可产生多种酶分解水中有机物，并以降解BPA的能力强而闻名，本发明发现其在仅添加微生物组和500℃组中的丰度较高。而参与BPA降解的鞘氨醇单胞菌(Sphingonomas)能与假单胞菌(Pseudomonas)之间进行交叉进食底物，从而产生协同作用。新鞘氨醇杆菌属(Novosphingobium)、红球菌属(Rhodococcus)和红杆菌属(Rhodobacter)也表现出了降解BPA的潜在作用。例如，红杆菌属的相对丰度与双酚S和PAHs的分解显著相关，考虑到BPA与双酚S结构相似，因此推断红杆菌属同样能促进BPA降解。在细菌中，痕量金属可能会影响新陈代谢，这主要是由于这些金属(Fe、Mn、Zn、Cu、Co、Mo、Ni)作为金属酶中必不可少的辅助因子所发挥的作用。总之，相比原始微生物组，这些功能物种在添加碳基材料组，尤其是FeBC组中的体系中的种类和丰度明显增加，表明这些功能菌的富集将有助于BPA生物降解、矿化和硝酸盐还原。同时，硝酸盐可能通过将BPA作为底物并从中获得电子和能量从而完成自身还原。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种负载混合价氧化铁的生物炭在同时去除硝酸盐和双酚A中的应用，其特征在于，将所述复杂混合价氧化铁的生物炭与微生物耦合，负载混合价氧化铁的生物炭能够选择性地促进反硝化的优势菌生长，并能通过促进电子转移从而加快反硝化去除硝酸盐，同时在硝酸盐等替代电子受体存在的情况下，增强难降解污染物双酚A的生物降解性，起到协同作用；
所述负载混合价氧化铁的生物炭由以下步骤制备：
（1）将花生壳浸泡在酸性溶液中，加热活化，洗涤，烘干，得到生物炭前驱体，加热温度为70-80℃，活化时间为3-5h；
（2）将所述生物炭前驱体与FeCl3混合，分散于乙醇中，加热至干燥，得到固体物质；
（3）研磨所述固体物质，加热至300-500℃，保温1-2h。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（1）所述花生壳与酸性溶液的料液比为1g：50mL。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（2）所述生物炭前驱体与FeCl3的质量比为1：1，其中FeCl3的质量以Fe含量计。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（3）加热及保温均在N2气氛中进行。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤（3）加热速率为5-10℃/min。
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