專利名稱：復(fù)合型磁性生物吸附劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于廢水的生物吸附處理領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合型生物吸附劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著城市化進程的加快和エ農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，我國絕大多數(shù)城市都存在著較為嚴重的水污染問題。大量未經(jīng)處理的城市垃圾、エ業(yè)廢水和生活污水以及大氣沉降物不斷排入水體中，使水體懸浮物和沉積物中的重金屬含量急劇升高，水體重金屬污染己成為全球性的環(huán)境污染問題，對重金屬污染水體的治理迫在眉睫。含鉛廢水來自各種電池車間、選礦廠、石油化工廠等，這些エ礦企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中，產(chǎn)生的廢水不經(jīng)處理或處理不徹底便排入水體中，鉛污染物進入水體或是在水生生物體內(nèi)富集，再通過食物鏈到達人體內(nèi)，進而導(dǎo)致鉛中毒。另外，鉛鋅礦、有色金屬礦尾礦水、選礦廢水、廢渣中所含的鉛也是水體中鉛污染的主要來源。目前水中鉛的去除一般采用離子交換法、化學(xué)沉淀法、電解法、液膜法和吸附法。其中，吸附法具備操作簡便、處理低濃度重金屬廢水效果好、可回收重金屬、不會產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于廢水處理中。白腐菌(A chysosporium)能有效地從水溶液中富集和吸附重金屬離子,還可進一步回收重金屬離子，是ー種公認的高效生物吸附劑，并被廣泛地加以研究。在傳統(tǒng)的生物吸附法處理過程中，生物細胞一般處于游離狀態(tài)，極易從反應(yīng)器中流失井隨著待處理液被排出，其難以通過固液分離方式回收并被反復(fù)使用。另外，待處理的廢水往往對細胞的毒性很大，處于游離狀態(tài)下的生物細胞其活性難以維持，從而導(dǎo)致處理效率的逐漸下降。微生物固定化技術(shù)使得微生物具有更強地降解有毒化合物的能力，還可有效改善微生物的機械性能，使其具備更好的機械強度和重復(fù)利用性。微生物的穩(wěn)定性增強，在待處理廢水中給微生物創(chuàng)造了相對較好的生長環(huán)境，能使其通過生長繁殖保持高濃度，從而提高處理的速度和效率；即使在處理負荷較高時，也不會引起微生物細胞的脫出現(xiàn)象，處理負荷易于控制。如何更好地發(fā)展和運用微生物固定化技木，正成為ー個新興的研究領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種吸附容量大、吸附速度快、重復(fù)利用率高且清潔無污染的復(fù)合型磁性生物吸附劑，還提供ー種步驟簡單、操作方便、生產(chǎn)成本極低、產(chǎn)品性能優(yōu)異的復(fù)合型磁性生物吸附劑的制備方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為ー種復(fù)合型磁性生物吸附劑，所 述復(fù)合型磁性生物吸附劑是以白腐菌iP. chysosporium)活菌菌絲為載體，所述菌絲纏繞成菌球，所述菌球內(nèi)部包埋有Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣，所述海藻酸鈣作為固定化介質(zhì)將所述菌絲和Fe3O4納米粒子緊密連接在一起。上述的復(fù)合型磁性生物吸附劑，所述菌球內(nèi)部包埋的Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣的質(zhì)量比優(yōu)選為I : (0. I I. 2)。上述本發(fā)明的復(fù)合型磁性生物吸附劑為一集物理、化學(xué)和生物吸附作用于一體的復(fù)合型吸附劑，其中，具體是以白腐菌活菌菌絲作為生物吸附劑成分，而Fe3O4納米粒子則被包埋在菌絲體內(nèi)部以進一歩富集污染物，海藻酸鈣則作為固定化介質(zhì)將白腐菌活菌菌絲和Fe3O4納米粒子密切結(jié)合以增強整個吸附劑的機械強度和穩(wěn)定性。作為ー個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供ー種上述的復(fù)合型磁性生物吸附劑的制備方法，包括以下步驟
無菌條件下，在無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液中接種所述白腐菌的孢子懸浮液，每毫升混合液中的接種量為0. 2ml I. 0ml，充分混合均勻后得混合溶液，將I體積的所述混合溶液逐滴滴加到4 10體積的無菌CaCl2溶液中(優(yōu)選取4ml 5ml的所述混合溶液逐滴滴加到20ml 40ml的無菌CaCl2溶液中)，于室溫下靜置后得到含F(xiàn)e3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球的反應(yīng)液，再對所述Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球進行固定化培養(yǎng)，培養(yǎng)完成后得到復(fù)合型磁性生物吸附劑。上述的制備方法中，所述無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液的配制方法優(yōu)選包括以下步驟
將Fe3O4納米粒子加入到濃度為20 g/L 60 g/L的海藻酸鈉溶液中，所述Fe3O4納米粒子的添加量為0. 05g/mL 0. 20g/mL,然后在105°C 115°C條件下滅菌30min 60min,最后在無菌條件下冷卻60min 90min,制得無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液。上述的制備方法中，所述白腐菌的孢子懸浮液的孢子濃度優(yōu)選為I. OX IO6個/ml 2. OX IO6 個/ml。上述的制備方法中，所述無菌CaCl2溶液的濃度優(yōu)選為0. IM 0. 2M。上述的制備方法中，所述靜置的時間優(yōu)選為Ih 4h。上述的制備方法中，所述固定化培養(yǎng)的具體過程優(yōu)選包括以下步驟
將所述Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球從所述反應(yīng)液中濾出，無菌超純水清洗多次(3 5次即可)，然后將Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球轉(zhuǎn)移至的白腐菌液體Kirk培養(yǎng)基中，每50ml IOOml所述液體Kirk培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)移2. 5g 4. 5g Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球，在35°C 37°C、120 rpm 150 rpm條件下恒溫振蕩培養(yǎng)4 5天,然后將培養(yǎng)后的菌球濾出，超純水沖洗多次(3 5次即可)，完成固定化培養(yǎng)過程。通過對大量采用本發(fā)明方法制得的復(fù)合型磁性生物吸附劑進行微觀研究分析后發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的復(fù)合型磁性生物吸附劑在1000倍的環(huán)境掃描電鏡下觀察具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，本發(fā)明復(fù)合型磁性生物吸附劑的外部含豐富的白腐菌菌絲體，菌絲體呈白色，生長良好，整個菌絲體纏繞成結(jié)構(gòu)松散的菌球，菌球呈多孔狀，比表面積大,且含有大量的小空隙， 以便于Pb (II)傳輸?shù)綇?fù)合型磁性生物吸附劑內(nèi)部，菌絲細胞壁上富含羧基、羥基、氨基、磷?；?、羰基等多種官能團，這些官能團具有鍵合鉛離子的能力，有很好的表面吸附作用；而固定化介質(zhì)海藻酸鈣則將白腐菌菌絲和Fe3O4納米粒子密切結(jié)合，增加了白腐菌菌絲的機械強度和穩(wěn)定性；特別值得提出的是，本發(fā)明中Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣均很好地被包埋在白腐菌菌球內(nèi)部，且Fe3O4納米粒子分散良好，由于吸附劑內(nèi)部孔隙率大，進ー步促進了Pb(II)的吸附與聚集，有效地改善了白腐菌菌球內(nèi)部吸附受到限制的問題，強化了吸附劑的內(nèi)部傳輸吸附機理。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1)本發(fā)明大大筒化了復(fù)合型磁性生物吸附劑的制備エ藝，縮短了固定化時間，在白腐菌菌絲的生長過程中即可完成固定化過程，固定化培養(yǎng)后的產(chǎn)品可直接用于鉛吸附，避免了菌粉的收集與碾磨等復(fù)雜的操作；可見，本發(fā)明的復(fù)合型磁性生物吸附劑不僅制作簡單，而且使用方便，通過科學(xué)合理地原料配比及低成本、便捷式的操作エ藝制備出復(fù)合型磁性生物吸附劑，為規(guī)模化應(yīng)用提供了前提；
(2)本發(fā)明革新了復(fù)合型磁 性生物吸附劑的結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的固定化生物吸附劑，本發(fā)明的復(fù)合型磁性生物吸附劑是在菌球內(nèi)部包埋可吸附并富集污染物的Fe3O4納米粒子，有效增強了復(fù)合型磁性生物吸附劑的內(nèi)部傳輸吸附機理，降低了污染物對微生物的毒性；而復(fù)合型磁性生物吸附劑表面的白腐菌則含有大量的吸附位點，能有效吸附水中的重金屬離子；另外，通過采用菌球包埋Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣的結(jié)構(gòu)形式，使復(fù)合型磁性生物吸附劑的機械強度和穩(wěn)定性大大增強，這種微觀結(jié)構(gòu)的特殊性和穩(wěn)定性使得本發(fā)明成為ー種集物理、化學(xué)和生物吸附作用于一體的復(fù)合型吸附劑；
(3)本發(fā)明制備的復(fù)合型磁性生物吸附劑在重金屬廢水處理中，不僅處理工藝和吸附設(shè)備簡單，操作方便，成本極低，而且吸附容量大、吸附速度快、重復(fù)利用率高，且清潔無污染，對低濃度(例如I 100 ppm)的含鉛廢水有很好的處理效果,能有效降低廢水處理運行成本，是ー種可以廣泛采用的、能夠高效去除重金屬污染廢水中鉛的復(fù)合型磁性生物吸附齊U。


圖I為本發(fā)明實施例2中復(fù)合型磁性生物吸附劑在1000倍環(huán)境掃描電鏡下的表面菌絲體微觀結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明實施例2中復(fù)合型磁性生物吸附劑在1000倍環(huán)境掃描電鏡下的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進ー步描述。實施例I :
一種本發(fā)明的復(fù)合型磁性生物吸附劑，該復(fù)合型磁性生物吸附劑是以白腐菌活菌菌絲為載體，菌絲纏繞成菌球，菌球內(nèi)部包埋有Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣，海藻酸鈣作為固定化介質(zhì)將菌絲和Fe3O4納米粒子緊密連接在一起。菌球內(nèi)部包埋的Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣的質(zhì)量比為I : 1.2。本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑的制備方法包括以下步驟
(1)無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液的制備將0.IOg Fe3O4納米粒子加入到2ml濃度為60 g/L的海藻酸鈉溶液中，充分攪拌均勻,然后在115°C條件下滅菌30min,最后在無菌條件下冷卻60min，制得無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液；
(2)Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球的制備無菌條件下，接種2. Oml孢子濃度為2. OX IO6個/ml的白腐菌孢子懸浮液至2ml上述步驟(I)制得的無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液中，充分混合均勻后得混合溶液，利用醫(yī)用無菌注射器將該混合溶液逐滴滴加到20ml摩爾濃度為0. 2M的無菌CaCl2溶液中，室溫下靜置Ih后得到含F(xiàn)e3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球的反應(yīng)液；
(3)固定化培養(yǎng)待上述步驟(2)的固定化過程完成后，將Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球從反應(yīng)液中濾出，并用無菌超純水對制得的Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球洗滌3次，然后將4. 5g Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球轉(zhuǎn)移至50ml白腐菌液體Kirk培養(yǎng)基中，在35°C、120rpm條件下恒溫振蕩培養(yǎng)5天，將培養(yǎng)后的菌球濾出，超純水沖洗3次，制得本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑。在1000倍的環(huán)境掃描電鏡下觀察本實施例制得的復(fù)合型磁性生物吸附劑的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑的外部含豐富的白腐菌菌絲體，整個菌絲體纏繞成結(jié)構(gòu)松散的菌球，菌球呈多孔狀，有巨大的比表面積，且含有大量的小空隙，以便于Pb(II)傳輸?shù)綇?fù)合型磁性生物吸附劑內(nèi)部，菌絲細胞壁上富含羧基、羥基、氨基、磷酰基、羰 基等多種官能團，這些官能團具有鍵合鉛離子的能力，有很好的表面吸附作用；而固定化介質(zhì)海藻酸鈣則將白腐菌菌絲和Fe3O4納米粒子密切結(jié)合，增加了白腐菌菌絲的機械強度和穩(wěn)定性；特別值得提出的是，本發(fā)明中Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣均很好地被包埋在白腐菌菌球內(nèi)部，且Fe3O4納米粒子分散良好，由于吸附劑內(nèi)部孔隙率大，進ー步促進了 Pb(II)的吸附與聚集，有效地改善了白腐菌菌球內(nèi)部吸附受到限制的問題，強化了吸附劑的內(nèi)部傳輸吸附機理。利用本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑對含鉛廢水的吸附，具體操作步驟如下將本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑按I. 5g濕重加入到50ml Pb(II)濃度為100mg/L的模擬含鉛エ業(yè)廢水中，調(diào)節(jié)廢水PH值至5，在30°C、150rpm條件下進行振蕩吸附，待吸附8h后，直接過濾，分離廢水及復(fù)合型磁性生物吸附劑，利用火焰原子吸收分光光度計測定溶液中未被吸附的鉛離子，結(jié)果表明，本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑對Pb (II)的去除率可高達 97. 41%。實施例2
一種本發(fā)明的復(fù)合型磁性生物吸附劑，該復(fù)合型磁性生物吸附劑是以白腐菌活菌菌絲為載體，菌絲纏繞成菌球，菌球內(nèi)部包埋有Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣，海藻酸鈣作為固定化介質(zhì)將菌絲和Fe3O4納米粒子緊密連接在一起。菌球內(nèi)部包埋的Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣的質(zhì)量比為I : 0.4。本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑的制備方法包括以下步驟
(1)無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液的制備將0.20g Fe3O4納米粒子加入到2ml濃度為40g/L的海藻酸鈉溶液中，充分攪拌均勻,然后在105°C條件下滅菌30min,最后在無菌條件下冷卻80min，制得無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液；
(2)Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球的制備無菌條件下，接種0. 4ml孢子濃度為
2.OX IO6個/ml的白腐菌孢子懸浮液至2ml上述步驟(I)制得的無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液中，充分混合均勻后得混合溶液，利用醫(yī)用無菌注射器將該混合溶液逐滴滴加到20ml摩爾濃度為0. 2M的無菌CaCl2溶液中，室溫下靜置4h后得到含F(xiàn)e3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球的反應(yīng)液；
(3)固定化培養(yǎng)待上述步驟(2)的固定化過程完成后，將Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球從反應(yīng)液中濾出，并用無菌超純水對制得的Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球洗滌3次，然后將3. Og Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球轉(zhuǎn)移至50ml白腐菌液體Kirk培養(yǎng)基中，在37°C、150rpm條件下恒溫振蕩培養(yǎng)4天，將培養(yǎng)后的菌球濾出，超純水沖洗3次，制得本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑。在1000倍的環(huán)境掃描電鏡下觀察本實施例制得的復(fù)合型磁性生物吸附劑的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑的外部含豐富的白腐菌菌絲體(菌絲體呈白色，生長良好)，整個菌絲體纏繞成結(jié)構(gòu)松散的菌球，菌球呈多孔狀，有巨大的比表面積，且含有大量的小空隙(參見圖1)，以便于Pb(II)傳輸?shù)綇?fù)合型磁性生物吸附劑內(nèi)部，菌絲細胞壁上富含羧基、羥基、氨基、磷?；Ⅳ驶榷喾N官能團，這些官能團具有鍵合鉛離子的能力，有很好的表面吸附作用；而固定化介質(zhì)海藻酸鈣則將白腐菌菌絲和Fe3O4納米粒子密切結(jié)合，増加了白腐菌菌絲的機械強度和穩(wěn)定性；特別值得提出的是，本發(fā)明中Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣均很好地被包埋在白腐菌菌球內(nèi)部，且Fe3O4納米粒子分散良好(參見圖2)，由于吸附劑內(nèi)部孔隙率大，進ー步促進了 Pb(II)的吸附與聚集，有效地改善了白腐菌菌球內(nèi)部吸附受到限制的問題，強化了吸附劑的內(nèi)部傳輸吸附機理。利用本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑對含鉛廢水的吸附，具體操作步驟如下將本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑按3. Og濕重加入到50ml Pb(II)濃度為300mg/L的模擬含鉛エ業(yè)廢水中，調(diào)節(jié)廢水PH值至5，在35°C、150rpm條件下進行振蕩吸附，待吸附8h后，直接過濾，分離廢水及復(fù)合型磁性生物吸附劑，利用火焰原子吸收分光光度計測定溶液中未被吸附的鉛離子，與傳統(tǒng)吸附劑的處理效率和吸附容量進行比較，結(jié)果見下表1，本實施例的復(fù)合型磁性生物吸附劑對Pb (II)的吸附容量明顯高于傳統(tǒng)的生物吸附劑和磁性吸附劑，處理效率明顯好于傳統(tǒng)吸附劑。表I :不同吸附劑對含鉛廢水處理的處理效率和吸附容量對比
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合型磁性生物吸附劑，其特征在于所述復(fù)合型磁性生物吸附劑是以白腐菌(.P. chysosporium')活菌菌絲為載體，所述菌絲纏繞成菌球，所述菌球內(nèi)部包埋有Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣，所述海藻酸鈣作為固定化介質(zhì)將所述菌絲和Fe3O4納米粒子緊密連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合型磁性生物吸附劑，其特征在于所述菌球內(nèi)部包埋的Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣的質(zhì)量比為I : (0. I I. 2)。
3.—種如權(quán)利要求I或2所述的復(fù)合型磁性生物吸附劑的制備方法，包括以下步驟 無菌條件下，在無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液中接種所述白腐菌的孢子懸浮液，每毫升混合液中的接種量為0. 2ml I. 0ml，充分混合均勻后得混合溶液，將I體積的所述混合溶液逐滴滴加到4 10體積的無菌CaCl2溶液中，于室溫下靜置后得到含F(xiàn)e3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球的反應(yīng)液，再對所述Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球進行固定化培養(yǎng)，培養(yǎng)完成后得到復(fù)合型磁性生物吸附劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液的配制方法包括以下步驟 將Fe3O4納米粒子加入到濃度為20 g/L 60 g/L的海藻酸鈉溶液中，所述Fe3O4納米粒子的添加量為0. 05 g/mL 0. 20 g/mL,然后在105°C 115°C條件下滅菌30min 60min,最后在無菌條件下冷卻60min 90min,制得無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于所述白腐菌的孢子懸浮液的孢子濃度為1.0X IO6個/ml 2. 0X IO6個/ml。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于所述無菌CaCl2溶液的濃度為0.IM 0. 2M。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于所述靜置的時間為Ih 4h。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，所述固定化培養(yǎng)的具體過程包括以下步驟 將所述Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球從所述反應(yīng)液中濾出，無菌超純水清洗多次，然后將Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球轉(zhuǎn)移至的白腐菌液體Kirk培養(yǎng)基中，每50ml IOOml所述液體Kirk培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)移2. 5g 4. 5g Fe3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球，在35°C 37で、、120 rpm 150 rpm條件下恒溫振蕩培養(yǎng)4 5天,然后將培養(yǎng)后的菌球濾出，超純水沖洗多次，完成固定化培養(yǎng)過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合型磁性生物吸附劑，其是以白腐菌活菌菌絲為載體，菌絲纏繞成菌球，菌球內(nèi)部包埋有Fe3O4納米粒子和海藻酸鈣，海藻酸鈣作為固定化介質(zhì)將菌絲和Fe3O4納米粒子緊密連接在一起。該吸附劑的制備方法，包括以下步驟無菌條件下，在無菌Fe3O4粒子和海藻酸鈉混合液中接種白腐菌的孢子懸浮液，充分混合均勻后，將1體積的混合溶液逐滴滴加到4～10體積的無菌CaCl2溶液中，于室溫下靜置后得到含F(xiàn)e3O4-海藻酸鈣-白腐菌微球的反應(yīng)液，再進行固定化培養(yǎng)，培養(yǎng)完成后得到復(fù)合型磁性生物吸附劑。本發(fā)明的復(fù)合型磁性生物吸附劑具有吸附容量大、吸附速度快、重復(fù)利用率高且清潔無污染等優(yōu)點。
文檔編號B01J20/24GK102614839SQ201210102849
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月10日
發(fā)明者危臻, 張辰, 曾光明, 曾茁桐, 李寧杰, 李芳玲, 許飄, 賴萃, 趙美花, 黃丹蓮, 黃超 申請人:湖南大學(xué)