申请日2018.09.13
公开(公告)日2018.12.21
IPC分类号B01J20/24; B01J20/28; B01J20/30; C02F1/28; C02F3/34; C02F101/20
摘要
一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，本发明涉及一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法。本发明的目的是为了解决生物炭回收困难和菌丝球吸附效能低的问题，本发明方法为：一、制备生物炭胶体悬液;二、将生物炭与菌丝球结合制备基于复合生物质基材料的水处理吸附剂。本发明将生物炭胶体与菌丝球结合制备成生物质基复合材料，该材料既同时具有生物炭高吸附效能和菌丝球的形态稳定性及生物活性，又同时克服生物炭回收困难和菌丝球吸附效能不足的缺点。本发明应用于吸附处理废水中的污染物领域。
权利要求书
1.一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法是按以下步骤进行的：
一、将生物炭加入无菌水中，混匀，超声30-50min，静置，然后将上层胶体悬液与底部残渣分离，得到生物炭胶体悬液;
二、配制菌丝球生长培养基，然后接种黑曲霉孢子悬液，再在28～35℃、140～160r/min的恒温振荡培养箱中培养24～48h，然后加入生物炭胶体悬液，继续培养24～48h，用去离子水冲洗，即得到基于复合生物质基材料的水处理吸附剂;其中生物炭胶体悬液和菌丝球生长培养基的体积比为(10～30):100。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于步骤一中生物炭的制备方法为将生物质在烘箱中干燥8～12h，然后粉碎至粒径小于0.1cm，放入管式炉内，将管式炉的温度调至目标温度550-650℃，在目标温度下停留1.5-2.5h，再冷却至室温，然后过筛网，得到生物炭。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于生物质为农业废弃物。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于农业废弃物为稻壳、稻杆、玉米秸秆或花生壳。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于筛网的目数大于160目。
6.根据权利要求1所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于步骤一中生物炭与无菌水的质量比为(1～3):100。
7.根据权利要求1所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于步骤二中菌丝球生长培养基的配方为：葡萄糖10g/L，K2HPO4·3H2O 1g/L，NH4Cl1g/L，MgSO4·7H2O 0.5g/L。
8.根据权利要求1所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于步骤二中黑曲霉孢子悬液的制备方法为：在无菌条件下将无菌水倒入布满黑曲霉孢子的固体培养基上，摇晃后倒入灭菌的放有玻璃珠的三角瓶中，将此悬液置于摇床中振荡20-28h，得到黑曲霉孢子悬液，然后测吸光度。
9.根据权利要求1所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于步骤二中黑曲霉孢子悬液接种量计算公式为：接种量=0.25*0.1%*液体培养基体积/孢子悬液吸光度。
10.根据权利要求1所述的一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，其特征在于步骤二中用去离子水冲洗3-5次。
说明书
一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法。
背景技术
近年来，随着我国各类工业的迅猛发展，水污染日益成为我国凸显的重大环境问题，废水的排放广泛存在于多种行业，其中包括印染、纺织、皮革制造、电池生产、化工合成、汽车生产等，严重威胁人类的正常生活与社会的良性发展。吸附法是处理废水的常用方法，其具有效率高、再生能力强、低成本等优势，然而吸附剂的选择决定了吸附技术的应用潜力，其中包括吸附剂成本、吸附效率以及再生能力等。吸附法中用到的材料主要有天然无机吸附剂、合成吸附剂、生物质类材料等。生物质作为自然生物所产生的有机物质，具有低污染性、广泛分布性和资源丰富的特点。且与其他吸附剂相比，生物质吸附剂可再生、易降解、成本低且环境友好，目前所用到的生物质吸附剂主要来自农林废弃物和微生物等，如花生壳、稻杆、玉米芯、甘蔗渣、真菌和藻类等。
生物炭(Biochar，BC)作为一种以廉价有机废弃物制备而成的生物质材料，由于其成本低、制备方法操作简单等优势，近年来受到国内外研究学者的广泛关注。生物炭的制备不仅解决了大量城市与农业废弃物回收利用的问题，同时由于在热解过程中所形成的特殊结构(多孔性、丰富表面基团、多种无机盐沉积等)，使其在环境污染物去除方面具有广大应用前景。然而，生物炭在实际应用中仍具有许多缺点，具体如下：①生物炭粉末难以固定，如进行机械压制会降低比表面积及孔隙度，掩盖其吸附优势。②生物炭粉末难回收，生物炭作为一种粉末颗粒吸附剂，在去除水溶液中污染物的过程中，存在吸附后难以从水溶液中分离的问题。③生物质原料在不同的热解条件下会形成不同结构的生物炭，中低温生物炭比表面积小，孔隙率低，表面功能集团种类有限，导致生物炭表面吸附不稳定。④生物炭单独用作吸附剂，会造成碳源浪费。因此，以上问题造成生物炭在水体修复方面受到严重的限制。
真菌菌丝吸附剂由于其易获得、来源广泛的优点，具有良好的经济效益。真菌细胞壁作为保护胞内物质的刚性结构，具有多层、微纤维化的特点，其成分主要由多糖构成，含量可高达90%，它们与蛋白质、脂肪以及其他物质键合在一起，形成复合物。尽管与传统物理和化学方法相比，生物吸附具有技术上和经济上的优势，但就去除污染物(如重金属)效率考虑，已经显现出自身的局限性。主要表现为：①单一菌丝球对污染物的吸附量偏低。②菌丝球具有生物防害性，菌丝球是活的有机体，只有在条件适宜的情况下才能生长良好，当污染物浓度过高时，菌丝球则会表现出某些中毒症状，从而影响生物体对水体的修复效率。③菌丝球持续生长需要碳源维持，当碳源被完全消耗，菌丝不再生长，也会限制对污染物的吸附效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决生物炭回收困难和菌丝球吸附效率低的问题，提供了一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法。
本发明一种基于复合生物质基材料的水处理吸附剂的制备方法，按以下步骤进行：
一、将生物炭加入无菌水中，混匀，超声30-50min，静置，然后将上层胶体悬液与底部残渣分离，得到生物炭胶体悬液;
二、配制菌丝球生长培养基，然后接种黑曲霉孢子悬液，再在28～35℃、140～160r/min的恒温振荡培养箱中培养24～48h，然后加入生物炭胶体悬液，继续培养24～48h，用去离子水 冲洗，即得到基于复合生物质基材料的水处理吸附剂;其中生物炭胶体悬液和菌丝球生长培养基的体积比为(10～30):100。
本发明将微生物菌种接种到分散有生物炭的营养液中，在适宜的温度下旋转震荡培养，利用微生物细胞生长及生理代谢作用，诱导营养液中的生物炭单元组装成为具有特定结构功能的生物质复合材料，采用生物合成和组装技术，将生物炭胶体与菌丝球结合制备成复合材料，材料既同时具有生物炭和菌丝球的吸附性能，又克服了生物炭回收困难的缺点。制备的复合材料具有多级孔结构，比表面积和微孔体积相比原始菌丝球有显著提高。本发明中生物炭和菌丝均在多组分功能耦合过程中发挥重要作用：
A、多孔结构：复合材料为大孔结构，比表面积和微孔容积分别为29.99m2/g和0.032cm3/g。与传统菌丝球相比，比表面积增大1倍，这主要归因于生物炭胶体的成功负载。
B.重金属离子吸附容量高：制备的复合生物质基材料对Cd2+的理论最大吸附容量可达102.04mg/g，远高于传统菌丝球对Cd2+的理论最大吸附容量(64.1mg/g)。吸附容量的大幅提高主要归因于生物炭胶体的引入，生物炭胶体上含有各种丰富的功能基团，增加了复合材料对重金属离子的吸附位点，因此复合材料对重金属离子的吸附效率增加。
C.生物炭通过菌丝生长过程被均匀包裹在菌丝球中，利用微生物细胞生长及生理代谢作用，诱导生物炭单元组装成复合材料，有效解决了生物炭难回收、难固定的问题。
D.生物炭可以持续为菌丝生长提供碳源，进而有效提高吸附量。