高品質粉末粉狀活性炭生產廠家生物礦化法制備納米氧化鐵及其對亞甲基藍的吸附

　　高品質粉末粉狀活性炭廠家生物礦化法制備納米氧化鐵及其對亞甲基藍的吸附。隨著印染和紡織等行業的迅速發展，染料得到廣泛使用。由于染料具有難降解、毒性大、結構復雜等特點，含有染料的廢水若不經處理直接排放，會對環境和人類健康造成無法挽回的危害。偶氮染料是應用最為廣泛的一類合成染料，約占有機染料總使用量的80%。

　　亞甲基藍(MB)是一種典型的偶氮染料，為芳香雜環化合物，由于苯環的分子構成使其不易被生物降解，結構相對穩定，極易在環境中滯留，會產生更多潛在的危險。因此，尋找低成本、高效、合理地處理染料廢水的方法迫在眉睫。

　　目前，處理染料廢水的方法主要有吸附法、光催化法、膜分離法以及電化學法等。其中，吸附法由于其成本低、處理方法簡單、處理效果顯著、無二次污染等特點，得到了最廣泛的應用。目前，較為常用的吸附劑主要有活性炭、天然蒙脫土、纖維系列、活化煤、活性硅藻土、樹脂等。

　　納米Fe3O4是一種常見的磁性吸附劑，對水中多種無機離子及有機物都具有較強的吸附能力，可應用于去除水中的有機污染物或重金屬離子。納米Fe3O4的特點是：顆粒粒徑較小，比表面積大，能與污染物大面積接觸，具有很強的吸附能力，磁性較強有利于回收，重復利用率較高。

　　使用易解吸附且可重復使用的磁性納米Fe3O4吸附處理廢水中的有機染料已成為目前的研究熱點。納米Fe3O4的制備方式主要有：共沉淀法、溶劑熱法、微乳液法、熱分解法等。上述方法均可以制備出良好的磁性鐵氧化物材料，但其存在各種弊端，因此迫切需要尋求一些新的制備方法。

　　本研究采用生物礦化法制備納米磁性Fe3O4，其優點在于所需材料簡單易得。菌株選取產脲酶菌株產酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca，K. oxytoca)和真菌粗糙脈孢菌(Neurospora crassa，N. crassa)，通過生物誘導礦化的作用，控制培養基中鐵元素的含量來改變微生物的生長環境，從而使鐵離子不斷沉積到微生物的表面。培養一段時間之后進行水熱反應，即可得到納米Fe3O4材料。以亞甲基藍(MB)作為目標污染物，探究了制備的納米Fe3O4材料的吸附性能。

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　　實驗部分

　　1.1材料與儀器

　　菌種來源：實驗選用的細菌為產酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca，K. oxytoca)，采用脲酶篩選培養基從土壤中篩選得到;真菌為粗糙脈孢菌(Neurospora crassa，N. crassa)，購于中國農業微生物菌種保藏管理中心。

　　培養基：LB(Luria-Bertani)培養基、MEA(Malt extract agar)固體培養基、ME(Malt extract)液體培養基、AP1培養基。

　　材料：蛋白胨、酵母浸粉、瓊脂粉，購于北京奧博星生物技術有限責任公司。麥芽浸膏，購于美侖生物。尿素、硫酸亞鐵、硫酸鎂、硫酸錳，純度≥99.0%;硫酸鋅，純度≥99.5%，購于天津市光復科技發展有限公司。氯化鉀、氯化鈉，純度≥99.0%;戊二醛，純度≥25%;氫氧化鈉，純度≥96.0%;葡萄糖，分析純，購于天津市福晨化工試劑廠。無水氯化鈉、無水乙醇、硫酸銅，分析純，購于北京化工廠。1，4-哌嗪二乙磺酸，純度≥99.0%，購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。三氯化鐵，分析純，購于天津市大茂化學試劑廠。實驗用水均為超純水。

　　儀器：ME104電子分析天平、FiveEasy Plus酸度計，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;Arium mini超純水機，Sartorius;YXQ-LS-50SⅡ立式壓力蒸汽滅菌器，上海博迅實業有限公司醫療設備廠;HZP-250全溫振蕩培養箱、SHP-250生化培養箱，上海精宏實驗設備有限公司;H1850R高速冷凍離心機，湘儀離心機儀器有限公司;DHG-9055A電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司;UV-1601紫外可見分光光度計，北京瑞利分析儀器有限公司;FD-1B-50真空冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司;SW-CJ-2FD潔凈工作臺，蘇州安泰空氣技術有限公司。

　　1.2納米Fe3O4的制備

　　1.2.1　不同菌株的生物礦化培養

　　將K. oxytoca接種于裝有3 mL LB液體培養基的試管中，在30 ℃、125 r/min的搖床內培養12 h。之后按3%(體積分數)接種量接種至AP1培養基中進行擴大培養，AP1培養基的配制方法參考文獻。然后在超凈工作臺上使用注射器通過0.2 μm孔徑的無菌醋酸纖維素膜過濾器向高壓滅菌后的AP1培養基中加入FeSO4·7H2O溶液，使Fe2+最終濃度分別為10、20 mmol/L。為防止硫酸亞鐵溶液久置被空氣中的氧氣所氧化，應現用現配。然后在30 ℃、125 r/min的搖床內培養48 h，用于生物礦物的生成。

　　將N. crassa接種到 MEA固體培養基中，在25 ℃下培養2~3 d。待菌絲旺盛，完全覆蓋住培養基時，將 MEA培養基打孔，分別接種至含有10、20 mmol/L Fe2+的AP1液體培養基中培養，于25 ℃下培養72 h，用于生物礦物的生成。

　　1.2.2　納米Fe3O4的制備

　　培養一定時間后，分別離心(10 000 r/min、5 min、4 ℃)收集菌體，然后將菌體置于水熱釜中，在電熱鼓風干燥箱中于 160 ℃下水熱反應6 h。收集水熱反應后的菌體于通風櫥中干燥。待樣品完全干燥后，將樣品研磨至粒徑為 0.1~10 μm的粉末，即得到利用不同菌株在不同濃度Fe2+條件下制備的Fe3O4。

　　收集水熱反應前后的菌體，利用2.5%戊二醛溶液進行固定，用于后續礦物形貌分析。

　　1.3吸附實驗

　　稱取100 mg吸附劑置于250 mL錐形瓶中，向其中加入100 mL 配制好的10 mg/L的亞甲基藍溶液，常溫下振蕩反應一定的時間。分別在反應時間為0、1、3、5、10、20、30、60、90、120 min時取上清液，采用紫外可見分光光度計在波長664 nm處測其吸光度，通過標準曲線方程得到亞甲基藍濃度。MB的吸附標準曲線方程為y=0.0609+0.19769x，R2=0.99233，y為吸光度，x為染料廢水中亞甲基藍濃度。

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　　結果與分析

　　2.1掃描電鏡(SEM)和X射線能譜(EDX)分析

　　對以K. oxytoca為載體培養得到的水熱反應前后的菌體進行SEM表征，結果如圖1所示。

　　(a)水熱前放大10 000倍;(b)水熱前放大100 000倍;

　　(c)水熱后放大5 000倍;(d)水熱后放大100 000倍

　　圖1　以K. oxytoca為載體制備材料的SEM表征結果

　　從圖1可知，水熱反應前后，球狀的菌體表面都富有粗糙、顆粒感的礦化物質，這說明生物礦化的效果較好。對比圖1(a)和圖1(c)可以看出，水熱反應使菌體表面的礦化物發生了結晶，使得菌體表面的礦化物含量變得更多，礦物粒徑在20 nm左右。從圖 1(b)和圖 1(d)可以看出，水熱反應后菌體表面隆起部分更加明顯、清晰，表面變得更加糙雜，進一步說明菌體表面礦物質數量增多，這同樣是水熱反應的結晶作用的表現。

　　對以N. crassa為載體培養得到的水熱反應前后的菌體進行SEM表征，結果如圖2所示。

　　(a)水熱前放大2 000倍;(b)水熱前放大250 000倍;

　　(c)水熱后放大2 000倍;(d)水熱后放大50 000倍

　　圖2　以N. crassa為載體制備材料的SEM表征結果

　　由圖2可知，真菌菌絲細長，說明其生長狀況良好。水熱反應前后菌絲表面均呈現不光滑，粗糙復雜程度較高，說明菌絲表面礦化程度高。對比圖2(a)和圖2(c)可以看出，水熱反應使得菌絲表面的礦化結晶數量變得更多，礦物粒徑處于20 nm左右。

　　對水熱前后含10 mmol/L Fe2+的培養基制備得到的2種菌體材料表面進行EDX分析，結果表明，水熱前后菌體材料的主要元素為C、O、Fe，其中以K. oxytoca為載體培養得到的水熱前后菌體表面的C、O、Fe原子數占比分別為45.89%、40.46%、13.65%和22.04%、52.31%、25.65%;以N. crassa為載體培養得到的水熱前后菌體表面的C、O、Fe原子數占比分別為60.25%、34.12%、5.63%和38.46%、44.12%、17.42%。因為菌體表面均發生了生物礦化反應，使得Fe、O元素附著在菌體表面，而水熱反應使菌體表面的Fe、O元素含量增高。

　　2.2X射線衍射(XRD)分析

　　圖3為用含10 mmol/L和20 mmol/L Fe2+的AP1培養基培養K. oxytoca制備材料的XRD表征結果。

　　圖3　以K. oxytoca為載體制備材料的XRD表征結果

　　由圖3可知，與Fe3O4標準吸收峰比對，制備的2種材料在最強吸收峰處均能匹配成功，說明對于K. oxytoca而言，無論培養基中的Fe2+含量為多少，均可以成功使用生物礦化法制備出Fe3O4。

　　但其XRD衍射圖譜中出現部分彌散峰形，這可能是與生物礦化形成的礦物質粒徑較小，且礦物形成過程中有較多菌株胞外分泌物的參與有關，如胞外多糖、蛋白質、氨基酸等。

　　圖4為用含10 mmol/L和20 mmol/L Fe2+的AP1培養基培養N. crassa制備材料的XRD表征結果。

　　圖4　以N. crassa為載體制備材料的XRD表征結果

　　由圖4可以看出，制備的2種材料的特征峰均能與Fe3O4的標準吸收峰相匹配，說明對于N. crassa而言，無論培養基中的Fe2+含量為多少，均可以成功使用生物礦化法制備出Fe3O4。

　　2.3BET比表面積測試結果及分析

　　圖5為生物礦化法制備的磁性納米Fe3O4的氮氣吸附-脫附曲線及其孔徑分布。制備原料均含10 mmol/L Fe2+。

　　(a) 等溫吸脫附曲線

　　(b) 孔徑分布

　　圖5　生物礦化法制備的磁性納米Fe3O4的等溫吸脫附曲線及孔徑分布

　　由圖5(a)可知，利用K. oxytoca制備的Fe3O4材料的吸附效果要強于利用N. crassa制備的Fe3O4。由圖5(b)可知，2種材料主要為中孔和大孔結構。利用K. oxytoca制備的Fe3O4的比表面積和總孔容分別為45.4 m2/g和0.177 cm3/g，微孔孔容為0.006 6 cm3/g。

　　利用N. crassa制備的Fe3O4的比表面積和總孔容分別為24.5 m2/g和0.103 cm3/g，微孔孔容為0.005 5 cm3/g。通過比較得出，利用K. oxytoca制備出的Fe3O4材料的比表面積和孔容更大。

　　根據材料的比表面積大小和孔容大小可以發現，利用K. oxytoca和N. crassa制備得到的Fe3O4材料都具有良好的吸附能力和分散性能，良好的分散性和穩定性可以減輕納米顆粒易團聚導致反應活性降低的問題。以這2種方式最終制得的材料與一般化學方法制得的納米氧化鐵相比，都具有粒徑更小、分散性更好的特點。

　　2.4磁滯回歸線測定結果分析

　　圖6為分別利用K. oxytoca和N. crassa制備的Fe3O4的磁滯曲線。制備原料均含10 mmol/L Fe2+。

　　圖 6　生物礦化法制備的磁性納米Fe3O4的磁滯曲線

　　由圖6可知，這2條磁滯曲線關于原點對稱，且隨著磁場的增加，磁化強度不斷增大，最終趨于飽和，這表明制備得到的納米 Fe3O4材料均具有超順磁特性。

　　利用K. oxytoca、N. crassa制備的 Fe3O4的磁飽和強度分別為52.2、36.4 emu/g。

　　對比可以看出，利用K. oxytoca進行生物礦化法制備的納米磁性Fe3O4材料具有更高的磁飽和強度，更容易從水中將其分離出來。

　　2.5吸附實驗結果分析

　　圖7為2種菌株制備的Fe3O4材料的吸附性能。

　　圖7　不同條件下制備的磁性納米Fe3O4的吸附曲線

　　從圖7可以看出，隨著吸附時間的增加，吸附量增大，當吸附時間為60 min時，基本達到吸附平衡。同時對比圖中各條吸附曲線可知，2種不同菌株生物礦化法制備出的Fe3O4材料的吸附能力強弱：K. oxytoca 20 mmol/L Fe2+>K. oxytoca 10 mmol/L Fe2+>N. crassa 20 mmol/L Fe2+>N. crassa 10 mmol/L Fe2+>N. crassa無Fe2+>K. oxytoca無Fe2+。

　　本實驗利用K. oxytoca在20 mmol/L Fe2+條件下制備的Fe3O4材料在60 min時可以吸附69.8%的亞甲基藍，達到了較高的吸附去除率，這表明以此制備得到的材料對亞甲基藍具有較好的吸附性能。

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　　結 論

　　(1)通過生物礦化法成功制備了納米氧化鐵，制備的材料多為球狀和多孔結構，且大小均勻，分散性高，順磁性好，吸附效果好。

　　(2)制備的材料具有較高的分散性和穩定性，可以減輕納米鐵顆粒易團聚導致反應活性降低的問題，同時磁學性質好也決定了在使用過程中能夠很容易將其從水體中分離出來。

　　(3)制備的Fe3O4材料對亞甲基藍具有較強的吸附作用。

　　(4)以不同菌株作為載體均能制得Fe3O4材料，但其具有不同的吸附性能。其中，利用K. oxytoca在20 mmol/L Fe2+條件下制備的Fe3O4材料對亞甲基藍的吸附效果最好，吸附率為 69.8%，2 h吸附量為6.98 mg/g;利用N. crassa在10 mmol/L Fe2+條件下制備的Fe3O4材料對亞甲基藍的吸附效果較弱，吸附率為47.2%，2 h吸附量為4.72 mg/g。

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