高效采收油藻的功能化多孔四氧化三铁纳米材料及制备方法与流程

属于纳米材料及其应用技术领域，特别涉及一种用于油藻高效采收的功能化多孔四氧化三铁纳米材料及其制备方法。

背景技术：

生物能源具有可再生性、存储量大、可储存性和替代性好并且碳收支平衡，被认为是21世纪解决能源危机最有希望的能源（纪占武, 郑文范. 关于发展生物能源化解能源危机的思考[J].东北大学学报(社会科学版), 2009, 11(6): 490-495）。作为生物质能源之一，微藻具有光合效率高，细胞增殖快，生产周期短，脂质含量高，所产的油脂成分与植物油类似，并且不影响全球能源分配等优点，是制备生物柴油的理想原材料(蒋晓菲, 周红茹, 金青哲,等. 微藻油脂制取技术的研究进展[J].中国油脂, 2012, 37(10): 62-66)。微藻生物柴油作为可再生能源具有良好的应用前景，在生产技术可行性已被证实的前提下，具有巨大的生产潜力和商业价值。微藻由于细胞体积小、密度低、水含量高，使得在采收时难以进行脱水。此外，每一种微藻细胞尺寸大小、形状、密度和细胞表面特性都有所不同，对于工业规模的微藻养殖，从藻液中采收微藻一直是个瓶颈。传统的固液分离技术都很难直接用于微藻采收：个体过于微小的微藻及其分泌的有机物会导致滤膜堵塞而使过滤失效；稳定的藻液悬浮体系无法自然沉降；而藻液的低浓度则使动力离心效率低下、成本极高。常用的传统微藻收获方法都存在经济上和技术上的缺陷，在应用上有一定的局限性。利用磁性纳米材料磁性分离收获微藻技术具备操作简单、分离迅速、运行成本低以及节约能源等各种优势。但裸露的磁性纳米材料通常不具备良好的水溶性，在应用中由于其本身的磁性会发生团聚，使其性能急剧下降。结合藻细胞表面特性对磁性纳米材料进行适当的表面修饰使其表面功能化，可有效避免其自身团聚现象并提高其吸附容量从而提高收获效率并同时降低吸附所需剂量。多孔磁性四氧化三铁纳米材料具有较大的比表面积和多孔结构、优异的磁学性质，表面修饰高正电性的长链多聚精氨酸可通过静电吸附作用及表面官能团的化学键合作用大幅度提高对微藻的采收效率，同时可通过外加磁场实现从水体中的分离回收，是一种高效、安全、经济的微藻采收方法，具有巨大的应用前景与研究价值，但目前并没有相关报道涉及油藻高效采收的功能化多孔四氧化三铁纳米材料。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种功能化多孔四氧化三铁纳米材料。

本发明的第二个目的是提供一种用于油藻高效采收的功能化多孔四氧化三铁纳米材料的制备方法。

本发明的第三个目的是提供任一所述的功能化多孔四氧化三铁纳米材料作为油藻高效采收材料的应用。

一种功能化多孔四氧化三铁纳米材料，该材料由多孔四氧化三铁和修饰所述多孔四氧化三铁的长链多聚精氨酸组成。

在本发明中，所述的功能化多孔四氧化三铁纳米材料（以下称该材料）具备疏松的多孔结构、比表面积大、吸附性能好。该材料具备较好的磁学性能，可通过磁性分离提高对油藻的收获效率，产物易于提取和回收利用、降低成本。该材料表面活性位点多，带有大量的正电基团，有效抵抗外界酸碱变化对微藻采收的影响。

本发明中所述功能化多孔四氧化三铁纳米材料粒径为100-500nm，具有45-60mV的正电位，多聚精氨酸的修饰量为50-60%。

本发明提供的功能化多孔四氧化三铁纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

1）采用水热法制备多孔四氧化三铁；

2）对所述多孔四氧化三铁进行氨基硅烷的偶联，得到APTS修饰的多孔四氧化三铁(简称p-Fe₃O₄@APTS)；

3）将所述APTS修饰的多孔四氧化三铁与多聚精氨酸发生酰胺化反应，得到功能化多孔四氧化三铁纳米材料(简称p-Fe₃O₄@PA）。

在本发明的方案中，步骤1）具体为：称取1.35 g FeCl₃∙6H₂O溶解在60 mL乙二醇中，搅拌以形成均匀透明的溶液。然后加入2.0-3.0 g NH₄Ac，搅拌30分钟后，形成浅棕色的悬浮液，然后加入1.0-1.8g柠檬酸钠Na₃Cit，剧烈搅拌此悬浮液直到其变成均匀的溶液。然后将其封装到100 mL容量的不锈钢反应釜中，将反应釜放置在烘箱中加热至200 °C，并保持10-18小时，之后降温到室温。用磁铁将黑色沉淀吸引出来并用乙醇和去离子水清洗数次以去掉反应溶剂，最后在真空干燥箱中50 °C干燥12 h。其中，所述的反应物NH₄Ac和Na₃Cit的质量比为2:1.08。

在本发明的方案中，步骤2）具体为：将步骤1）所得的250 mg p-Fe₃O₄分散在装有150 mL乙醇的250 mL圆底烧瓶中，超声30 min使其充分分散开来，然后加入5 mL去离子水混合均匀。然后加入10 mL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷 (APTS)并超声10 min分散。将圆底烧瓶接上冷凝管回流，置于油浴锅中加热至60 °C，在60 °C条件下快速搅拌7 h。然后用乙醇清洗3次，并将纳米颗粒分散在乙醇中，得到p-Fe₃O₄@APTS。用真空干燥箱50 °C干燥12 h。

在本发明的方案中，步骤3）具体为：用步骤2）所得的p-Fe₃O₄@APTS与多聚精氨酸发生酰胺化反应。分别称量三种不同分子量的多聚精氨酸50 mg，并完全溶于1 mL PBS (磷酸盐缓冲液，pH 7.2-7.4，0.01 M) 中。将100 mg EDC (1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)溶于0.5 mL PBS中，然后将其滴加进多聚精氨酸溶液中，然后称量12 mg Sulfo-NHS (N-羟基硫代琥珀酰亚胺) 并加入上述混合液中，完全溶解。将上述混合液混合均匀，并在室温下搅拌反应15分钟，发生活化反应。

进一步地，称量50 mg步骤2）所得的p-Fe₃O₄@APTS溶于4 mL的PBS中，超声分散均匀；然后将其加入上述活化后的溶液，室温搅拌反应过夜。最后用去离子水清洗3次以去除溶剂，得到功能化多孔四氧化三铁纳米材料(简称p-Fe₃O₄@PA)，用真空干燥箱50 °C干燥12h。其中，所述的多聚精氨酸分子量为5000-15000，15000-70000，和 >70000。

本发明生产工艺简单，操作方便，成本低廉，产品无毒害，安全环保，具备良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中多孔四氧化三铁的TEM (a, b)和SEM (c, d) 图。

图2为实施例1中多孔四氧化三铁的氮气吸脱附等温线图。

图3为实施例1中多孔四氧化三铁的孔径分布曲线。

图4为实施例1中功能化多孔四氧化三铁纳米材料的TEM和SEM图。

图5为实施例1-3中多孔四氧化三铁，氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁，功能化多孔四氧化三铁纳米材料的FT-IR图。

图6为实施例1-3中多孔四氧化三铁，氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁，功能化多孔四氧化三铁纳米材料的XPS图。

图7为实施例1中功能化多孔四氧化三铁纳米材料的(a) C 1s (b) N 1s (c) Si 2p 的高分辨图谱。

图8为实施例1-3中多孔四氧化三铁，氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁，功能化多孔四氧化三铁纳米材料的热重曲线。

图9为实施例1-3中多孔四氧化三铁，功能化多孔四氧化三铁纳米材料的水合动力学直径分布（DLS）图。

图10为实施例1-3中多孔四氧化三铁，氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁，功能化多孔四氧化三铁纳米材料的Zeta电位图。

图11为实施例4中投加剂量对不同分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料收获微藻效率的影响图。

图12为实施例5中pH值对不同分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料收获微藻效率的影响图。

图13为实施例6中循环再生的不同分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料对微藻的收获效率变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中使用的藻种为前期分离筛选到的高产油小球藻HQ（保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏号为No. CGMCC7601），进行自养培养20天，初始藻液浓度为0.2g/L(以藻细胞干重计)。建立藻细胞干重与波长690nm处吸光度的标准曲线，通过测量收获前后上清液的吸光值来计算藻液浓度，从而测定收获生物量和收获效率。

实施例1。

称取1.35 g FeCl₃∙6H₂O溶解在60 mL乙二醇中，搅拌以形成均匀透明的溶液。然后加入2.0g NH₄Ac，搅拌30分钟后，形成浅棕色的悬浮液，然后加入1.08g柠檬酸钠Na₃Cit，剧烈搅拌此悬浮液直到其变成均匀的溶液。然后将其封装到100 mL容量的不锈钢反应釜中，将反应釜放置在烘箱中加热至200 °C，并保持15小时，之后降温到室温。用磁铁将黑色沉淀吸引出来并用乙醇和去离子水清洗数次以去掉反应溶剂，最后在真空干燥箱中50 °C干燥12 h。

称取250 mg上述 p-Fe₃O₄分散在装有150 mL乙醇的250 mL圆底烧瓶中，超声30 min使其充分分散开来，然后加入5 mL去离子水混合均匀。然后加入10 mL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷 (APTS)并超声10 min分散。将圆底烧瓶接上冷凝管回流，置于油浴锅中加热至60 °C，在60 °C条件下快速搅拌7 h。然后用乙醇清洗3次，并将纳米颗粒分散在乙醇中，得到p-Fe₃O₄@APTS。用真空干燥箱50 °C干燥12 h。

称取分子量为15000-70000的多聚精氨酸50 mg，并完全溶于1 mL PBS (磷酸盐缓冲液，pH 7.2-7.4，0.01 M) 中。将100 mg EDC (1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)溶于0.5 mL PBS中，然后将其滴加进多聚精氨酸溶液中，然后称量12 mg Sulfo-NHS (N-羟基硫代琥珀酰亚胺) 并加入上述混合液中，完全溶解。将上述混合液混合均匀，并在室温下搅拌反应15分钟，发生活化反应。

称取所述p-Fe₃O₄@APTS溶于4 mL的PBS中，超声分散均匀；然后将其加入上述活化后的溶液，室温搅拌反应过夜。最后用去离子水清洗3次以去除溶剂，得到功能化多孔四氧化三铁纳米材料(简称p-Fe₃O₄@PA2)，用真空干燥箱50 °C干燥12h。

如图1所示，上述制备的多孔Fe₃O₄呈圆球形，粒径分布在100-300 nm，表面具有疏松的多孔结构。

如图2所示，上述制备的多孔Fe₃O₄的氮气吸脱附等温线符合IV型特征等温线，表明这种Fe₃O₄微球具有孔隙结构 (孔径< 2 nm)。

如图3所示，上述制备的多孔Fe₃O₄孔径分布在20 A-2 nm，平均孔径为224.2 A，证明孔隙主要来自组装微球的Fe₃O₄颗粒之间的孔隙。

如图4所示，修饰多聚精氨酸之后的功能化多孔四氧化三铁纳米材料的形貌没有明显的变化，仍为疏松多孔结构，微球大小约为200 nm。

实施例2。

称取1.35 g FeCl₃∙6H₂O溶解在60 mL乙二醇中，搅拌以形成均匀透明的溶液。然后加入2.0g NH₄Ac，搅拌30分钟后，形成浅棕色的悬浮液，然后加入1.08g柠檬酸钠Na₃Cit，剧烈搅拌此悬浮液直到其变成均匀的溶液。然后将其封装到100 mL容量的不锈钢反应釜中，将反应釜放置在烘箱中加热至200 °C，并保持15小时，之后降温到室温。用磁铁将黑色沉淀吸引出来并用乙醇和去离子水清洗数次以去掉反应溶剂，最后在真空干燥箱中50 °C干燥12 h。

称取250 mg上述 p-Fe₃O₄分散在装有150 mL乙醇的250 mL圆底烧瓶中，超声30 min使其充分分散开来，然后加入5 mL去离子水混合均匀。然后加入10 mL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷 (APTS)并超声10 min分散。将圆底烧瓶接上冷凝管回流，置于油浴锅中加热至60 °C，在60 °C条件下快速搅拌7 h。然后用乙醇清洗3次，并将纳米颗粒分散在乙醇中，得到p-Fe₃O₄@APTS。用真空干燥箱50 °C干燥12 h。

称取分子量为5000-15000的多聚精氨酸50 mg，并完全溶于1 mL PBS (磷酸盐缓冲液，pH 7.2-7.4，0.01 M) 中。将100 mg EDC (1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)溶于0.5 mL PBS中，然后将其滴加进多聚精氨酸溶液中，然后称量12 mg Sulfo-NHS (N-羟基硫代琥珀酰亚胺) 并加入上述混合液中，完全溶解。将上述混合液混合均匀，并在室温下搅拌反应15分钟，发生活化反应。

称取所述p-Fe₃O₄@APTS溶于4 mL的PBS中，超声分散均匀；然后将其加入上述活化后的溶液，室温搅拌反应过夜。最后用去离子水清洗3次以去除溶剂，得到功能化多孔四氧化三铁纳米材料(简称p-Fe₃O₄@PA1)，用真空干燥箱50 °C干燥12h。

实施例3。

称取1.35 g FeCl₃∙6H₂O溶解在60 mL乙二醇中，搅拌以形成均匀透明的溶液。然后加入2.0g NH₄Ac，搅拌30分钟后，形成浅棕色的悬浮液，然后加入1.08g柠檬酸钠Na₃Cit，剧烈搅拌此悬浮液直到其变成均匀的溶液。然后将其封装到100 mL容量的不锈钢反应釜中，将反应釜放置在烘箱中加热至200 °C，并保持15小时，之后降温到室温。用磁铁将黑色沉淀吸引出来并用乙醇和去离子水清洗数次以去掉反应溶剂，最后在真空干燥箱中50 °C干燥12 h。

称取250 mg上述 p-Fe₃O₄分散在装有150 mL乙醇的250 mL圆底烧瓶中，超声30 min使其充分分散开来，然后加入5 mL去离子水混合均匀。然后加入10 mL 3-氨基丙基三甲氧基硅烷 (APTS)并超声10 min分散。将圆底烧瓶接上冷凝管回流，置于油浴锅中加热至60 °C，在60 °C条件下快速搅拌7 h。然后用乙醇清洗3次，并将纳米颗粒分散在乙醇中，得到p-Fe₃O₄@APTS。用真空干燥箱50 °C干燥12 h。

称取分子量 >70000的多聚精氨酸50 mg，并完全溶于1 mL PBS (磷酸盐缓冲液，pH 7.2-7.4，0.01 M) 中。将100 mg EDC (1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)溶于0.5 mL PBS中，然后将其滴加进多聚精氨酸溶液中，然后称量12 mg Sulfo-NHS (N-羟基硫代琥珀酰亚胺) 并加入上述混合液中，完全溶解。将上述混合液混合均匀，并在室温下搅拌反应15分钟，发生活化反应。

称取所述p-Fe₃O₄@APTS溶于4 mL的PBS中，超声分散均匀；然后将其加入上述活化后的溶液，室温搅拌反应过夜。最后用去离子水清洗3次以去除溶剂，得到功能化多孔四氧化三铁纳米材料(简称p-Fe₃O₄@PA3)，用真空干燥箱50 °C干燥12h。

如图5所示，实施例1-3中材料的FT-IR光谱表明修饰前后共同的特征峰574 cm^-1是Fe-O键的伸缩振动，p-Fe3O4@APTS在1038 cm^-1处的新吸收峰是由于Si-O键的伸缩振动，1654 cm^-1 (amide I)，1548 cm^-1 (amide II) 处是–CO-NH键的特征吸收峰，3326 cm^-1和3190 cm^-1处是-NH₂的弯曲震动，表明氨基硅烷及多聚精氨酸成功修饰到多孔四氧化三铁表面。

如图6-7所示，实施例1-3中材料的XPS图谱表明p-Fe₃O₄@APTS和p-Fe₃O₄@PA-1~3主要含有Si 2p, C 1s, N 1s, O 1s，和Fe 2p等特征峰。修饰前的多孔四氧化三铁图谱中不存在Si 2p 和N 1s的特征峰，但在修饰APTS之后Si 2p和N 1s出现。C 1s特征峰可拟合为两个特征峰：285.0 eV和288.0 eV，分别表示多聚精氨酸分子中的C-C键和–CO-NH键的特征峰，表明得到的p-Fe₃O₄@PA-1~3表面具有丰富的–CO-NH活性基团，这与FT-IR的结果一致。

如图8所示，实施例1-3中材料的热重曲线表明修饰氨基硅烷前后热重曲线发生了明显的变化，多孔四氧化三铁表面柠檬酸钠的修饰质量分数为44%，在540-800℃范围出现了新的热量损失阶段，这是APTS的分解温度范围之一，表明APTS替换了多孔四氧化三铁表面的柠檬酸钠分子。多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料p-Fe₃O₄@PA-1~3表面有机物 (包括多聚氨基酸和APTS) 的修饰量分别为51.5%，57.9%和51.5%。

如图9所示，实施例1-3中不同分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料 p-Fe₃O₄@PA-1~3的水合动力学直径分别为100-300 nm, 100-400 nm, 200-500 nm。

如图10所示，实施例1-3中制备的多孔四氧化三铁的Zeta电位为负值，修饰正电性的APTS之后，pH 8.0时的Zeta电位升高至正值 (30.3 mV)，修饰三种分子量的多聚精氨酸之后，Zeta电位进一步升高， p-Fe₃O₄@PA-1~3的Zeta电位分别达到45.0 mV，51.2 mV，57.0 mV，表明本发明制备的功能化多孔四氧化三铁纳米材料具有高正电性。

实施例4。

各取10 mL藻液在锥形瓶中，初始藻液浓度为0.2g/L，用0.1 M HCl和 0.1 M NaOH 将藻液pH 均调为8.0，分别加入10-300 mg/L实施例1-3中的多孔四氧化三铁，氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁，不同分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料，于250 rpm摇床中震荡 20min，形成纳米材料和藻细胞的复合物。然后用永磁铁于瓶外进行磁性收获，复合物从悬浮基质中分离出来，此时测定上清液在最大吸收波长处的吸光度，最后根据生物量-吸光度标准曲线计算收获效率。

如图11所示，随着纳米材料用量的增加，几种材料的收获效率提高，材料的最佳投加量由多孔四氧化三铁的250mg/L,降低到氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁的200 mg/L,并进一步降低到不同分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料的50/10/20 mg/L，显著降低了采收成本。

实施例5。

各取10 mL藻液在锥形瓶中，初始藻液浓度为0.2g/L，用0.1 M HCl 和 0.1 M NaOH 将藻液pH 调为4.0-10.0，分别加入20 mg/L实施例1-3中的多孔四氧化三铁，氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁，不同分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料，于250 rpm摇床中震荡 20min，形成纳米材料和藻细胞的复合物。然后用永磁铁于瓶外进行磁性收获，复合物从悬浮基质中分离出来，此时测定上清液在最大吸收波长处的吸光度，最后根据生物量-吸光度标准曲线计算收获效率。

如图12所示，在不同的pH条件下，对于多孔四氧化三铁，氨基硅烷修饰的多孔四氧化三铁及低分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料，收获效率随pH值的升高而降低，而对于较高分子量多聚精氨酸修饰的功能化多孔四氧化三铁纳米材料，表面有更加丰富的活性基团以结合微藻细胞，除了静电作用外吸附架桥絮凝作用和氢键作用加强，在较宽的酸碱范围内均可保持较高的收获效率。

实施例6。

各取10 mL藻液在锥形瓶中，初始藻液浓度为0.2g/L，用0.1 M HCl 和 0.1 M NaOH 将藻液pH 调为8.0，加入50 mg/L实施例1-2中的功能化多孔四氧化三铁纳米材料，于250 rpm摇床中震荡 20min，形成纳米材料和藻细胞的复合物。然后用永磁铁于瓶外进行磁性收获，复合物从悬浮基质中分离出来，测定上清液在最大吸收波长处的吸光度，根据生物量-吸光度标准曲线计算收获效率。收获后用强碱调节pH至12，向分离的复合物中加入2mL氯仿和甲醇的混合溶液（体积比2:1），60w超声15min后磁性分离，加入500 µL去离子水使回收后的材料再分散，进行下一次的收获实验，循环进行5次。

如图13所示，投加剂量为50 mg/L，pH 8.0 时，p-Fe₃O₄@PA-1再生循环五次后收获效率从95%降低到61%，虽有一定降幅，收获效率仍较高，相比之下p-Fe₃O₄@PA-2再生循环五次后仍能达到高达85%的收获效率。本发明制备的功能化多孔四氧化三铁纳米材料具备良好的循环稳定性，可以实现再生利用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。