一種從廢水中回收氧化石墨烯的生物絮凝劑及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及一種處理酸洗氧化石墨烯廢水的生物絮凝劑及其制備方法。

背景技術(shù)：

氧化石墨烯是近年來(lái)廣受關(guān)注的一種新興材料，由于其擁有非常良好的電化學(xué)性能，因此，在電子技術(shù)、生物傳感器、納米管、半導(dǎo)體等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。預(yù)計(jì)，以氧化石墨烯為基礎(chǔ)的產(chǎn)品市場(chǎng)在2020年將達(dá)到近六億七千五百萬(wàn)美元產(chǎn)值。由于生產(chǎn)發(fā)展和市場(chǎng)趨勢(shì)導(dǎo)致了越來(lái)越大了的氧化石墨烯納米材料被釋放到環(huán)境中。尤其在制備氧化石墨烯的現(xiàn)行工藝中，酸洗氧化石墨烯的流程產(chǎn)生了大量含有氧化石墨烯濃度在10μg-50g/l的酸洗廢水，這種廢水不僅浪費(fèi)了高昂的石墨烯制備成本，降低了氧化石墨烯產(chǎn)率，也產(chǎn)生了大量的含有氧化石墨烯廢水。已經(jīng)有研究表明，氧化石墨烯納米材料在污水和活性污泥中的積累中表現(xiàn)出了急性毒性。在濃度為50-300mgl^-1的濃度下對(duì)于微生物種群的代謝活性，細(xì)菌的生存能力，和營(yíng)養(yǎng)物的生物去除能力，如有機(jī)物的代謝，脫氮除磷活性都受到了顯著影響。純菌的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)表明在40–80mgl^-1氧化石墨烯的濃度下，細(xì)菌致死率高達(dá)60-80％。眾所周知，自然水生系統(tǒng)的工程依賴于良好的微生物群落、復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)和合理的天然有機(jī)物和懸浮顆粒，氧化石墨烯類新興水污染物的出現(xiàn)無(wú)疑為凈水工藝提出新的挑戰(zhàn)。因此，在氧化石墨烯工業(yè)領(lǐng)域急需一種針對(duì)氧化石墨烯類污染物的快速、有效、安全的處理和回收的辦法。

傳統(tǒng)應(yīng)急化學(xué)絮凝劑如聚合氯化鋁(pac)、聚合氯化鐵(pfc)、聚丙烯酰胺等也可以處理并絮凝一定比例的氧化石墨烯，但由于氧化石墨烯的良好極性，這類絮凝劑的去除效果并不理想，同時(shí)也被證實(shí)存在健康安全隱患，例如鋁超標(biāo)及丙烯酰胺單體能夠危害人的神經(jīng)系統(tǒng)和促發(fā)細(xì)胞癌變；同時(shí)也使水體引入了金屬離子和次級(jí)污染物質(zhì)，能夠造成二次污染。而運(yùn)用活性炭等吸附劑吸附或強(qiáng)化混凝的方法對(duì)于水溶性良好的納米型氧化石墨烯污染物的吸附效果同樣不好。因此，在絮凝劑研發(fā)領(lǐng)域急需一種能夠應(yīng)對(duì)高濃度氧化石墨烯水的可持續(xù)性強(qiáng)、價(jià)格經(jīng)濟(jì)的絮凝劑。而生物絮凝劑作為一種新興絮凝劑具有適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高、來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，在處理氧化石墨烯廢水方面具有傳統(tǒng)處理方法所不具備的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種從廢水中回收氧化石墨烯的生物絮凝劑及其制備方法，以解決現(xiàn)有氧化石墨烯的生產(chǎn)流程中存在的廢水處理成本高、能耗高，回收困難的問(wèn)題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種從廢水中回收氧化石墨烯的生物絮凝劑，是由下列步驟得到的：

(a)將乳酸球菌(enterococcusfaecalis)，ncbi編號(hào)：eu285587，和腸球菌(enterococcussaccharominimus)，ncbi編號(hào)：aj626902分別經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)得到發(fā)酵液，離心除去菌絲體，分別得到兩種上清液；

(b)將步驟(a)得到的兩種上清液分別和乙醇混合、4℃離心、烘干，分別得兩種烘干產(chǎn)物；

(c)將烘干的兩種產(chǎn)物按照重量比(1.5-3)：1進(jìn)行配比。

本發(fā)明所述發(fā)酵培養(yǎng)的培養(yǎng)基包括：

葡萄糖1％-2％，(nh4)2so40.01％-0.05％，k2hpo40.1％-0.25％，kh2po40.05％-0.1％，mgso4·7h2o0.01％-0.02％，nacl0.005％-0.01％，酵母膏0.01％-0.05％，尿素0.01％-0.05％，ph6.0-8.0。

本發(fā)明所述發(fā)酵培養(yǎng)的菌株接種量按菌落離心后的濕重以發(fā)酵培養(yǎng)基總重量計(jì)為0.5-2％。

本發(fā)明所述發(fā)酵培養(yǎng)的菌株培養(yǎng)溫度為20-35℃，培養(yǎng)時(shí)間為40-120小時(shí)。

本發(fā)明所述步驟(b)具體如下：

(1)將步驟(a)得到的兩種上清液分別處理：先加2倍體積乙醇，4℃離心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去離子水，同時(shí)加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶cpc，震蕩3小時(shí)；

(2)震蕩后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5m的nacl溶液，再加2倍體積的乙醇，離心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脫并溶于5ml的去離子水，真空干燥，分別得到兩種干燥產(chǎn)物。

一種從廢水中回收氧化石墨烯的生物絮凝劑的制備方法，包括下列步驟：

(a)將乳酸球菌(enterococcusfaecalis)，ncbi編號(hào)：eu285587，和腸球菌(enterococcussaccharominimus)，ncbi編號(hào)：aj626902分別經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)得到發(fā)酵液，離心除去菌絲體，分別得到兩種上清液；

(b)將步驟(a)得到的兩種上清液分別和乙醇混合、4℃離心、烘干，分別得兩種烘干產(chǎn)物；

(c)將烘干的兩種產(chǎn)物按照重量比(1.5-3)：1進(jìn)行配比。

本發(fā)明生物絮凝劑的紅外光譜圖顯示在3431.7±50cm^-1和1739.9±50cm^-1處透過(guò)率為41.5-57.2％，紫外光譜圖顯示在260±5nm和280±5nm處的吸光度<0.05，生物絮凝劑的總重量計(jì)，多糖含量為80-95％；相對(duì)分子質(zhì)量為9×10⁴-6×10⁵da。

本發(fā)明生物絮凝劑具有廣泛的應(yīng)用，例如但不限于，處理畜牧場(chǎng)廢水；改善污泥的沉降性能；去除廢水中的懸浮顆粒；處理含有高懸浮物的建筑材料加工廢水；處理瓦廠廢水；對(duì)墨水、糖蜜廢水、造紙黑液、顏料廢水等進(jìn)行處理，上清液呈無(wú)色透明；乳化液的油水分離；鞣革工業(yè)廢水的處理；取代發(fā)酵工業(yè)和食品工業(yè)傳統(tǒng)工藝中的離心和過(guò)濾分離細(xì)胞、回收發(fā)酵廢液中有用的產(chǎn)品等；城市污水的處理。

優(yōu)選處理為溶有氧化石墨烯廢水。

將本發(fā)明生物絮凝劑和待處理的氧化石墨廢水液混合，靜置可以使氧化石墨烯絮凝率達(dá)到95％以上；以混合后的液體的總體積計(jì)，所述生物絮凝劑為0.5‰-2％(v/v)，待處理的氧化石墨烯酸洗廢水，在濃度為1ug/l-50g/l均能達(dá)到95％以上的絮凝效率。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，提供了一種由乳酸球菌和腸球菌制備的生物絮凝劑，在回收處理廢水中的氧化石墨烯時(shí)，具有成本低、絮凝效率高、能耗低、速度快和操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、發(fā)酵周期短，

具有高絮凝活性、使用無(wú)二次污染、適合大規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用，具有生物分解性和安全性、高效、無(wú)毒。

本發(fā)明生物絮凝劑已經(jīng)被證明在處理含氧化石墨烯廢水過(guò)程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景，具體表現(xiàn)在：去除效率高：生物絮凝劑對(duì)于氧化石墨烯廢水的處理表現(xiàn)為用量少，絮凝率達(dá)95％以上；絮凝過(guò)程無(wú)二次污染：盡管微生物產(chǎn)生的絮凝劑成分隨菌種的不同而不同，目前已報(bào)到的生物絮凝劑物質(zhì)多為糖蛋白、粘多糖、纖維素和dna等物質(zhì)，但生物絮凝劑都具有可降解性，因而絮凝氧化石墨烯以后不會(huì)帶來(lái)二次污染；本發(fā)明所使用的腸球菌特異性生物絮凝劑易被微生物降解、無(wú)毒無(wú)害、安全性高：經(jīng)小白鼠安全試驗(yàn)證明，生物絮凝劑完全能用于食品、醫(yī)藥等行業(yè)；本發(fā)明所應(yīng)用的生物絮凝劑還具有不受溫度影響、用量小等特點(diǎn)，在酸性和弱堿性條件下對(duì)于氧化石墨烯廢水具有良好的絮凝效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明生物絮凝劑對(duì)5gl^-1和50gl^-1濃度的氧化石墨烯溶液的絮凝效果圖；

圖2是本發(fā)明生物絮凝劑的紅外掃描吸收峰圖譜；

圖3是本發(fā)明生物絮凝劑回收得到的氧化石墨烯的掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

(a)將乳酸球菌(enterococcusfaecalis)，ncbi編號(hào)：eu285587，和腸球菌(enterococcussaccharominimus)，ncbi編號(hào)：aj626902分別經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)得到發(fā)酵液，離心除去菌絲體，分別得到兩種上清液；其中：

培養(yǎng)基包括：

葡萄糖1％，(nh4)2so40.01％，k2hpo40.1％，kh2po40.05％，mgso4·7h2o0.01％，nacl0.005％，酵母膏0.01％，尿素0.01％，ph6.0；

菌株接種量按菌落離心后的濕重以發(fā)酵培養(yǎng)基總重量計(jì)為0.5％；

菌株培養(yǎng)溫度為20℃，培養(yǎng)時(shí)間為40小時(shí)；

(b)將步驟(a)得到的兩種上清液分別和乙醇混合、4℃離心、烘干，分別得兩種烘干產(chǎn)物；具體如下：

(1)將步驟(a)得到的兩種上清液分別處理：先加2倍體積乙醇，4℃離心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去離子水，同時(shí)加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶cpc，震蕩3小時(shí)；

(2)震蕩后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5m的nacl溶液，再加2倍體積的乙醇，離心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脫并溶于5ml的去離子水，真空干燥，分別得到兩種干燥產(chǎn)物：乳酸球菌上清液干燥產(chǎn)物，腸球菌上清液干燥產(chǎn)物；

(c)將烘干的兩種產(chǎn)物按照重量比，乳酸球菌上清液干燥產(chǎn)物：腸球菌上清液干燥產(chǎn)物＝1.5：1進(jìn)行配比。

實(shí)施例2

(a)將乳酸球菌(enterococcusfaecalis)，ncbi編號(hào)：eu285587，和腸球菌(enterococcussaccharominimus)，ncbi編號(hào)：aj626902分別經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)得到發(fā)酵液，離心除去菌絲體，分別得到兩種上清液；其中：

培養(yǎng)基包括：

葡萄糖1.5％，(nh4)2so40.03％，k2hpo40.18％，kh2po40.08％，mgso4·7h2o0.015％，nacl0.008％，酵母膏0.03％，尿素0.03％，ph7.0；

菌株接種量按菌落離心后的濕重以發(fā)酵培養(yǎng)基總重量計(jì)為1.2％；

菌株培養(yǎng)溫度為28℃，培養(yǎng)時(shí)間為80小時(shí)；

(b)將步驟(a)得到的兩種上清液分別和乙醇混合、4℃離心、烘干，分別得兩種烘干產(chǎn)物；具體如下：

(1)將步驟(a)得到的兩種上清液分別處理：先加2倍體積乙醇，4℃離心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去離子水，同時(shí)加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶cpc，震蕩3小時(shí)；

(2)震蕩后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5m的nacl溶液，再加2倍體積的乙醇，離心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脫并溶于5ml的去離子水，真空干燥，分別得到兩種干燥產(chǎn)物；(c)將烘干的兩種產(chǎn)物按照重量比2.3：1進(jìn)行配比。

實(shí)施例3

(a)將乳酸球菌(enterococcusfaecalis)，ncbi編號(hào)：eu285587，和腸球菌(enterococcussaccharominimus)，ncbi編號(hào)：aj626902分別經(jīng)發(fā)酵培養(yǎng)得到發(fā)酵液，離心除去菌絲體，分別得到兩種上清液；其中：

培養(yǎng)基包括：

葡萄糖2％，(nh4)2so40.05％，k2hpo40.25％，kh2po40.1％，mgso4·7h2o0.02％，nacl0.01％，酵母膏0.05％，尿素0.05％，ph8.0；

菌株接種量按菌落離心后的濕重以發(fā)酵培養(yǎng)基總重量計(jì)為2％；

菌株培養(yǎng)溫度為35℃，培養(yǎng)時(shí)間為120小時(shí)；

(b)將步驟(a)得到的兩種上清液分別和乙醇混合、4℃離心、烘干，分別得兩種烘干產(chǎn)物；具體如下：

(1)將步驟(a)得到的兩種上清液分別處理：先加2倍體積乙醇，4℃離心后得到沉淀，取10g沉淀溶解于100ml的去離子水，同時(shí)加入50ml的2％的氯化十六烷吡啶cpc，震蕩3小時(shí)；

(2)震蕩后，收集沉淀并溶解于100ml的0.5m的nacl溶液，再加2倍體積的乙醇，離心并收集沉淀；

(3)用乙醇洗脫并溶于5ml的去離子水，真空干燥，分別得到兩種干燥產(chǎn)物；

(c)將烘干的兩種產(chǎn)物按照重量比3：1進(jìn)行配比。

下邊通過(guò)實(shí)驗(yàn)例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

實(shí)驗(yàn)例1生物絮凝劑的組分鑒定

將實(shí)施例1得到的絮凝劑取少量配成5g/l的溶液，將其進(jìn)行紫外掃描，并做糖的鑒定實(shí)驗(yàn)，同時(shí)用溴化鉀壓片法對(duì)絮凝劑干粉進(jìn)行紅外掃描，結(jié)果見(jiàn)圖2：

所述紅外光譜圖是一個(gè)典型的多糖紅外光譜圖，在3423^-1附近均出現(xiàn)的吸收峰是n-h鍵伸縮振動(dòng)造成的；在2930^-1附近均出現(xiàn)的吸收峰是c-h不對(duì)稱伸縮振動(dòng)造成的，此吸收峰是糖類的特征峰；在1595^-1附近均出現(xiàn)的吸收峰是酰胺基團(tuán)(-nhc＝o-)中的c＝o鍵伸縮振動(dòng)造成的，在1500^-1附近均出現(xiàn)的吸收峰是n-h的變角振動(dòng)造成的，在1417^-1附近均出現(xiàn)的吸收峰是酰胺基團(tuán)(-nhc＝o-)中的c-n鍵伸展振動(dòng)和彎曲振動(dòng)吸收峰，以上三個(gè)吸收峰是蛋白質(zhì)特征峰；在1400^-1附近均出現(xiàn)的吸收峰是c-h的彎曲振動(dòng)造成的；在1108^-1附近均出現(xiàn)的吸收峰是c-o的非對(duì)稱振動(dòng)造成的。

從紫外吸收光譜的結(jié)果可以得出，生物絮凝劑在260nm和280nm處均未發(fā)現(xiàn)吸收峰，而260nm和280nm分別是核酸和蛋白質(zhì)的特征吸收峰，因此，可以推斷本發(fā)明中的生物絮凝劑中不含或極少核酸和蛋白成分。

從紫外掃描以及顯色反應(yīng)來(lái)看，絮凝劑的主要成分是多糖，不含或含少量核酸與蛋白質(zhì)類物質(zhì)，進(jìn)一步用苯酚硫酸法測(cè)得其多糖含量為87％左右。

實(shí)驗(yàn)例2菌種篩選方法

篩選流程中共使用兩種培養(yǎng)基(gl^-1)：

①種子培養(yǎng)基(gl^-1)：蔗糖30g，nan032g，kcl0.5g，k2hpo41g，mgs04.7h2o0.5g，fes040.01g，ph7.2；

②產(chǎn)絮凝劑培養(yǎng)基(gl^-1)：葡萄糖10g，廢藻生物質(zhì)30g(濕重)，ph7.0

以上培養(yǎng)基均在121℃，0.1mpa滅菌30min；

培養(yǎng)條件：將乳酸球菌(enterococcusfaecalis)和腸球菌(enterococcussaccharominimus)在種子培養(yǎng)基中過(guò)夜培養(yǎng)后離心收集菌絲，將兩種菌株接種于產(chǎn)絮凝劑培養(yǎng)基，150rpm，30℃振蕩培養(yǎng)3天，檢測(cè)發(fā)酵液的絮凝活性。

篩選方法：取0.1ml發(fā)酵液加至裝有100ml氧化石墨烯溶液燒杯中，加去離子水定容至刻度，上下混勻后，靜置片刻，以紫外分光光度計(jì)檢測(cè)氧化石墨烯的絮凝狀況，將其中絮凝活性高的菌株作為復(fù)篩菌株。

復(fù)篩方法：選取2株初篩得到的具有最高絮凝活性菌株的發(fā)酵液，按照響應(yīng)面法設(shè)計(jì)不同的配方進(jìn)行試驗(yàn)，取1ml不同比例配方加至裝有100ml氧化石墨烯溶液的100ml燒杯中，加去離子水定容至刻度，振蕩后靜置5min，取上清于sp-756pc型分光光度計(jì)260nm處測(cè)吸光度，對(duì)照用水代替發(fā)酵液。

(2)篩選結(jié)果

從活性污泥中分離得到的200株細(xì)菌中，如表1所示,挑選兩株對(duì)氧化石墨烯廢水絮凝效率最高的菌株(24號(hào)和156號(hào))，其中兩株編號(hào)為24號(hào)(氧化石墨烯絮凝效率為58.36％)和156號(hào)(氧化石墨烯絮凝效率為71.5％)的細(xì)菌的絮凝活性最高，因此將其作為目標(biāo)菌。經(jīng)過(guò)響應(yīng)面模型實(shí)驗(yàn)得到二者絮凝氧化石墨烯的最佳絮凝劑配方，最終使氧化石墨烯的絮凝回收效率高達(dá)95％以上。

(3)目標(biāo)菌種特征

為腸球菌屬，大小0.6～0.8×2～2.5um,大多數(shù)成雙或短鏈狀排列，鞭毛運(yùn)動(dòng)。在豐富培養(yǎng)基上菌落大而光滑，灰白不透明，血平板上為α溶血或不溶血。

根據(jù)菌株的形態(tài)學(xué)特征以及16srdna序列分析，確定該菌株為乳酸球菌(enterococcusfaecalis),ncbi編號(hào)：eu285587,和腸球菌(enterococcussaccharominimus),ncbi編號(hào)：aj626902。

表1.200種不同種屬細(xì)菌對(duì)應(yīng)的氧化石墨烯絮凝效率

實(shí)驗(yàn)例3生物絮凝劑的應(yīng)用

取實(shí)施例1中的生物絮凝劑，選用兩種不同濃度的氧化石墨烯溶液，濃度為5gl^-1和50gl^-1，投加生物絮凝劑，投加量為量1％(v/v)加入，混合，攪拌3min，靜置5min，吸取上清液于sp-756pc型分光光度計(jì)260nm處測(cè)定吸光度(a)，以不加絮凝劑的吸光度(a0)為對(duì)照來(lái)確定絮凝劑的絮凝活性，以絮凝率(％)表示：

絮凝結(jié)果見(jiàn)圖1，圖1表示所得的生物絮凝劑對(duì)5gl^-1和50gl^-1濃度的氧化石墨烯溶液的絮凝效果均高于95％。

結(jié)果表明，本發(fā)明提供的生物絮凝劑在加量為0.5‰-2％(v/v)的范圍內(nèi)，對(duì)氧化石墨烯廢水、細(xì)菌發(fā)酵液以及餐廚廢水等均具有良好的絮凝效果，特別是在處理氧化石墨烯廢水中，絮凝效果可以達(dá)到95％以上，回收得到的氧化石墨烯的掃描電鏡照片見(jiàn)圖3。