利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于環境科學技術領域，具體涉及一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法。
【背景技術】
[0002]生物吸附法是一種新型的水處理技術，制備成本低、效果好的固定化生物吸附劑，是實現生物吸附法規模化應用的關鍵。
[0003]固定化微生物的方法包括吸附法、交聯法、包埋法等。其中，包埋法操作簡單，對微生物活性影響小，制作的固定化顆粒強度高，是目前固定化微生物中最常用的方法。以海藻酸鈉(SA)為包埋劑、CaCl2為交聯劑的海藻酸鈣包埋法，由于操作簡便，反應條件溫和，成本低廉，適用于大多數微生物細胞的固定化，因此是一種使用最廣、研究最多的包埋固定化方法。但是，海藻酸鈣凝膠的機械強度較低，在磷酸鹽等溶液中不穩定，使其應用受到限制。因此，海藻酸鈣凝膠的機械強度、化學穩定性等性能需要進一步增強。
[0004]釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae，簡稱SC或酵母)是一種理想的生物吸附材料，且已實現大規模低成本工業化規模培養。作為發酵企業生產過程中的副產物，例如啤酒廠廢棄的釀酒酵母，將其用于生物吸附劑的制備，可實現“以廢治廢”。
[0005]石墨稀是一種新型碳材料，其中，氧化石墨稀(Graphene oxide，簡稱GO)是石墨稀最重要的一種衍生產品，含有羥基、環氧基、羧基、羰基等豐富的官能團。氧化石墨烯既可以單獨作為一種吸附劑，應用于廢水處理領域，也可以作為一種摻雜材料制備各種新材料。其中，氧化石墨烯或石墨烯與聚合物的相互作用，已成為材料領域或高分子化學領域的研究熱點。
[0006]研究表明，氧化石墨烯可以改善聚合物(如海藻酸鈉、聚乙烯醇)的機械強度、化學穩定性、熱穩定性和光降解性能等。例如，氧化石墨烯與海藻酸鈉制備的新材料，可望用于生物醫療(藥物緩釋微膠囊、生物組織工程材料)、生物燃料電池、水處理(重金屬廢水、染料廢水)、阻燃材料、酶固定化材料、新電極材料等。青島科技大學周貴忠等利用GO-SA復合材料包埋了一種耐鹽菌，因受高濃度Na+的影響，機械強度差，難以用于高鹽廢水處理。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法。
[0008]為了實現上述目的，本發明采取的技術方案如下:
[0009]—種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法，包括以下步驟:
[0010](I)將海藻酸鈉、氧化石墨烯與去離子水混合后，水浴加熱至完全溶化，然后靜置冷卻至40-50°C，得到海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液；
[0011](2)將待固定化的微生物與獲得的海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液充分混合，獲得含待固定化微生物的混合溶液；
[0012](3)用去離子水制備CaCl2溶液，使CaCl2的濃度為1_4.5%,得到交聯劑溶液；
[0013](4)將含待固定化微生物的混合溶液滴加到交聯劑溶液中，形成球形顆粒，并浸泡2-24h；
[0014](5)將形成的球形顆粒經紗布過濾取出，去離子水洗滌，獲得固定化微生物顆粒。
[0015]所述待固定化的微生物為釀酒酵母。
[0016]步驟(I)中所述的海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液中海藻酸鈉的含量為0.2-4w/v%，氧化石墨稀的含量為0.005_lw/v%。
[0017]步驟(2)中所述待固定化的微生物在混合溶液中的含量為0.5-5w/v%。
[0018]將步驟(I)與步驟(2)合并，直接將待固定化的微生物與氧化石墨烯、海藻酸鈉、去離子水混合，水浴加熱至完全溶化，獲得含無細胞活性的待固定化微生物的混合溶液。
[0019]所述的方法制備的固定化微生物。
[0020]所述的固定化微生物在處理重金屬廢水或放射性廢水中的應用。
[0021]本發明的有益效果為:所述方法操作簡單、成本低、效果好，通過氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備的固定化微生物顆粒，機械強度與化學穩定性好，適應性強，具有優良的生物吸附性能，可應用于重金屬廢水和放射性廢水的處理領域。
【附圖說明】
[0022]圖1為海藻酸鈣和經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣分別制備的固定化釀酒酵母的吸附鈾動力學圖。
[0023]圖2為海藻酸鈣和經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣分別制備的固定化釀酒酵母，在pH 3和7條件下對鈾的吸附量圖。
[0024]圖3為未固定化原始釀酒酵母的傅里葉變換紅外光譜圖。
[0025]圖4為海藻酸鈣固定化釀酒酵母的傅里葉變換紅外光譜圖。
[0026]圖5為經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣固定化釀酒酵母的傅里葉變換紅外光譜圖。
[0027]圖6為吸附了鈾后的經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣固定化釀酒酵母的傅里葉變換紅外光譜圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的說明，但并不因此而限制本發明的內容。
[0029]實施例1:利用氧化石墨烯改性的海藻酸鈣制備固定化釀酒酵母
[0030](I)將Ig海藻酸鈉，0.0lg氧化石墨烯與10mL去離子水混合后，水浴加熱至完全溶化，然后靜置冷卻至40°C，得到海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液；
[0031](2)稱取2g啤酒廠的廢棄釀酒酵母粉(過40-200目篩)與海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液充分混合，獲得含釀酒酵母的混合溶液；
[0032](3)用去離子水配制CaCl2溶液，使CaCl2的濃度達到4%，得到交聯劑溶液；
[0033](4)用注射器或滴管將含釀酒酵母的混合溶液滴加到交聯劑溶液中，形成球形顆粒，并在其中浸泡2-1 Oh;
[0034](5)將形成的球形顆粒用紗布過濾取出后，再用去離子水洗滌，獲得固定化釀酒酵母顆粒，顆粒的直徑為0.8-2.4mm。
[0035]氧化石墨烯可以改善海藻酸鈣固定化釀酒酵母的水溶膨脹性，海藻酸鈉-氧化石墨烯-釀酒酵母顆粒的膨脹系數為1.2-1.3，不加氧化石墨烯的海藻酸鈣固定化釀酒酵母的膨脹系數為1.4-1.7。因此，氧化石墨烯可以增強海藻酸鈣固定化微生物在鹽溶液(NaCl)中的穩定性，且可以長期穩定存在于稀酸溶液和水中。
[0036]實施例2:海藻酸鈣和經氧化石墨烯改性海藻酸鈣分別制備的固定化釀酒酵母吸附鈾動力學測定
[0037]在鈾濃度為9.2mg//L的溶液中，分別加入lg/L經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母和lg/L海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母，然后在初始pH值為5-6，溫度為25°C下反應0-12h;發現海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母，在吸附1h時有輕微脫附;而經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母，對鈾吸附穩定，沒有脫附，結果見圖1。
[0038]準二級動力學方程擬合進一步證明，氧化石墨烯改性的海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母，其初始吸附速率比海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母高，前者為9.6X10—2mg/(g!11；[11)，后者為9.4\10—211^/(g min)。顯然，氧化石墨稀改善了海藻酸|丐固定化釀酒酵母的吸附鈾動力學。
[0039]實施例3:海藻酸鈣和經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣分別制備的固定化釀酒酵母對鈾的吸附測定
[0040]在鈾濃度為1.5-36.5mg/L的溶液中，分別加入lg/L經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母和lg/L海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母，然后在初始pH值為5-6，溫度為25°C下反應12h;發現經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母，與海藻酸鈣制備的固定化釀酒酵母相比，對鈾的吸附量分別為27.4、25.5mg/g。
[0041]當溶液初始pH值分別為3和7，鈾初始濃度為12mg/L的條件下，反應12h，發現氧化石墨烯可增強海藻酸鈣固定化釀酒酵母對鈾的吸附量，測定結果見圖2。
[0042]分別測定未固定化的原始釀酒酵母、海藻酸鈣固定化釀酒酵母、氧化石墨烯改性的海藻酸鈣固定化釀酒酵母、吸附了鈾后的經氧化石墨烯改性的海藻酸鈣固定化釀酒酵母的傅里葉變換紅外光譜圖(FTIR)，測定結果見圖3-6。發現，氧化石墨烯與釀酒酵母、海藻酸鈉的相互作用，明顯改變了固定化釀酒酵母分子的振動特征，分析表明，羧基、羥基參與了氧化石墨烯固定化釀酒酵母對鈾的吸附。
[0043]綜上所述，通過添加氧化石墨烯，獲得了性能更加優良的固定化微生物顆粒，可應用于重金屬廢水和放射性廢水的處理領域。
【主權項】
1.一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將海藻酸鈉、氧化石墨烯與去離子水混合后，水浴加熱至完全溶化，然后靜置冷卻至40-50 0C，得到海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液； (2)將待固定化的微生物與獲得的海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液充分混合，獲得含待固定化微生物的混合溶液； (3)用去離子水制備CaCl2溶液，使CaCl2的濃度為1-4.5%,得到交聯劑溶液； (4)將含待固定化微生物的混合溶液滴加到交聯劑溶液中，形成球形顆粒，并浸泡2-24h； (5)將形成的球形顆粒經紗布過濾取出，去離子水洗滌，獲得固定化微生物顆粒。2.根據權利要求1所述的一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法，其特征在于，所述待固定化的微生物為釀酒酵母。3.根據權利要求1所述的一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法，其特征在于，步驟(I)中所述的海藻酸鈉-氧化石墨烯混合溶液中海藻酸鈉的含量為0.2-4w/v%，氧化石墨稀的含量為0.005_lw/v%。4.根據權利要求1所述的一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法，其特征在于，步驟(2)中所述待固定化的微生物在混合溶液中的含量為0.5~5w/v%。5.根據權利要求1所述的一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法，其特征在于，步驟(5)中所形成的固定化微生物顆粒的粒徑為l-5mm。6.根據權利要求1所述的一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法，其特征在于，將步驟(I)與步驟(2)合并，直接將待固定化的微生物與氧化石墨烯、海藻酸鈉、去離子水混合，水浴加熱至完全溶化，獲得含無細胞活性的待固定化微生物的混合溶液。7.權利要求1-6任一項所述方法制備的固定化微生物。8.權利要求7所述的固定化微生物在處理重金屬廢水或放射性廢水中的應用。
【專利摘要】本發明公開了屬于環境科學技術領域的一種利用氧化石墨烯改性海藻酸鈣制備固定化微生物的方法。將海藻酸鈉、氧化石墨烯完全溶于去離子水后，加入待固定化的微生物，混合均勻，獲得含待固定化微生物的混合溶液；然后將含待固定化微生物的混合溶液滴加到交聯劑溶液中，形成球形顆粒，并浸泡2-24h后，將形成的球形顆粒經紗布過濾取出，去離子水洗滌，獲得固定化微生物顆粒。所述方法操作簡單、成本低、效果好，所制備的固定化微生物顆粒，機械強度與化學穩定性好，適應性強，具有優良的生物吸附性能，可應用于重金屬廢水和放射性廢水的處理領域。
【IPC分類】C02F101/20, C12N11/04, C12R1/865, C12N11/10, C02F3/34
【公開號】CN105647901
【申請號】
【發明人】王建龍, 陳燦
【申請人】清華大學
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年2月18日