一种适用于负载芽孢杆菌的磁性生物炭及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物炭制备和环保技术领域，涉及一种适用于负载芽孢杆菌的磁性生物炭及其制备方法和在废水净化中的应用。

背景技术：

在我国，农副产品加工业、食品加工业和饮料生产制造业废水约占10％左右，随着国家经济调整，企业结构随之往节能、高效的方向发展，此类工业废水排放量较大并有持续增加的趋势，排放到河流会污染水体，引起水体的严重富营养化，导致赤潮等现象。微生物处理法就是在适宜的降解条件下利用已经培养驯化好的废水降解菌，对废水中有害物质进行高效率的降解的过程，从而降低废水中cod，bod等的含量，但微生物处理仍存在着微生物活性及适应性低、在污染较严重环境中难以发挥作用的问题；固定化微生物修复是微生物修复的一种，是利用物理或化学方法使游离微生物固定在一个区域并保持高度富集与活性，来满足应用的生物技术。申请号cn20160555834.8提出了一种负载微生物的活性炭的制备方法，活性炭表面负载有80％的微生物，但微生物都负载在活性炭的表面，机械强度差，回收困难，不利于二次利用；申请号cn20101082869.3提出了一种承载微生物的填料，但微生物载体填料制备成本较高，且填料会对环境造成二次污染；上述废水的ph值偏低，在3-4范围内，cod较高但磷浓度很低，由于这类废水中的n、p含量低，维持生物作用的c、n、p比例失调，采用生化工艺处理该类废水时，一般是通过添加营养盐保证一般微生物所需的c、n、p比来维持工艺的正常运行。但这种方式不仅会增加运行成本，而且若投加量不足则处理效果不佳，投加量过大则增加了出水的磷含量。因此，亟需建立一种少或无需投加营养元素的生物处理新工艺解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种适用于负载芽孢杆菌的磁性生物炭的制备方法，以玉米芯为原材料，通过含有多种微量元素的混合溶液对其进行低温混合渗透后高温水热炭化，利用两次水分的挥发提供的动力使得生物炭孔隙结构丰富，微量元素渗透进入孔隙内保留提供微生物生长所需，且丰富的孔隙有利于氧气的鼓入，形成更多的酰胺基、羧基等带电的含氧官能团，有利于微生物黏附增殖，得到的孔隙结构丰富、富含营养元素的生物炭再经可溶性铁盐渗透，保护性气氛焙烧得到磁性生物炭。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于负载芽孢杆菌的磁性生物炭的制备方法，包括如下步骤：

(1)将玉米芯加入到混合溶液中，于摇床上在40-70℃下振荡进行结构渗透，烘干得到的改性玉米芯经水热炭化制得生物炭备用；

所述混合溶液的溶质包括以下组分：硫酸镁15-25.0mg，磷酸氢二钠2.0-2.5g，磷酸二氢钾1.0-1.5g，硝酸铵0.5-1.0g，混合溶液总的质量分数为15％-20％；

(2)将生物炭和可溶性铁盐溶液混合，于摇床上室温振荡进行结构渗透，烘干得到的改性生物炭于弱氧化性气氛下高温焙烧得到磁性生物炭。

本发明预先将玉米芯和混合溶液在40-70℃下进行低温混合渗透，水分的缓慢蒸腾作用提供动力对材料造孔，提高了材料的孔隙率；同时混合溶液中的多种微量元素渗透至形成的玉米芯孔隙内部，再经高温水热炭化，利用水分挥发提供的动力再次对材料造孔，使得形成的生物炭孔隙结构丰富，丰富的孔隙有利于氧气的鼓入，形成更多酰胺基、羧基等带电的含氧官能团，有利于微生物黏附增殖，其次渗透至玉米芯孔隙内部的多种微量元素，经碳化后保留在孔隙内，得到孔隙结构丰富、富含营养元素的生物炭；再于可溶性铁盐溶液中进行渗透改性，高温焙烧成形，铁盐在高温弱氧化性气氛中生成四氧化三铁和氧化铁，得到磁性生物炭。

优选的，步骤(1)中，所述玉米芯先切成1-1.5cm的块状结构，再按质量体积比为1:3-4g/ml加入到混合溶液中。

优选的，步骤(1)中，振荡时间为18-24h。

优选的，步骤(1)中，水热炭化时，改性玉米芯浓度为0.36-0.66g/ml，温度为180-250℃，时间为4-6h。

优选的，步骤(2)中，生物炭和可溶性铁盐溶液的的质量体积比为1g:30-40ml，所述可溶性铁盐溶液的质量分数为50％。

优选的，步骤(2)中，所述可溶性铁盐为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁。

优选的，步骤(2)中，振荡时间为4-5h。

优选的，步骤(2)中，弱氧化性气氛为体积分数为5％的氧气和95％的氮气的混合气氛，高温焙烧的温度为400-700℃，时间为2-3h。

优选的，步骤(2)中，所述磁性生物炭经水洗，再经酸或碱洗至ph为7.2-7.4。

本发明还提供了上述制备方法制得的磁性生物炭，其孔隙结构丰富，富含酰胺基、羧基等带电的含氧官能团和多种微量营养元素，非常适宜芽孢杆菌等微生物生长。

本发明还提供了上述磁性生物炭的应用，所述磁性生物炭负载芽孢杆菌后，用于废水净化。

优选的，磁性生物炭负载芽孢杆菌的具体过程为：将芽孢杆菌剂按照体积比1-5％的接种量接入到装有lb液体培养基的容器中，在20-35℃，转速为120-150r/min的振荡培养箱中培养2-8h后，按lb液体培养基的3-5wt％加入磁性生物炭载体，将磁性生物炭与菌液混合均匀，置于温度35℃、转速90-130r/min摇床固定1-2天后取出，固定结束后，在5000-8000r/min的高速离心机上离心去除培养基，用0.85％生理盐水洗涤、固液分离后得到负载芽孢杆菌的磁性生物炭。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明采用玉米芯为原材料制备生物炭，玉米芯较现有载体相比，孔隙结构丰富，使得微生物能够进入孔隙中，适合微生物栖居，避免高浓度污染物对微生物的损伤，提高了微生物在污染环境里的活性和数量，更适合作为微生物载体。

(2)本发明采用混合溶液于40-70℃下对玉米芯进行低温混合渗透，水分的缓慢蒸腾作用提供动力对材料造孔，提高了材料的孔隙率；再经高温水热炭化，利用水分挥发提供的动力再次对材料造孔，使得形成的生物炭孔隙结构丰富，丰富的孔隙有利于氧气的鼓入，可以使生物炭上酰胺基，羧基等含氧官能团增多，有利于微生物黏附增殖，其次混合溶液中含有多种微量元素，这些元素渗透至玉米芯孔隙内部，使得制备出的生物炭含有n、p、mg、s等微量元素，一方面能够提供微生物生长所需的微量元素，更加适合微生物的生长繁殖，提高污染物中微生物的数量，提高降解效率。另一方面这些元素的添加也提高了生物炭电化学性能，加速微生物通过生物炭与污染物作用。

(3)本发明制得的玉米芯生物炭于可溶性铁盐溶液中进行渗透改性，400-700℃高温焙烧成形，可溶性铁盐在高温下与氧气反应生成成四氧化三铁和氧化铁，得到具有磁性的生物炭材料，具有磁性，处理完后可以回收二次利用，不给环境造成污染。

(4)本发明以磁性生物炭负载芽孢杆菌来降解酿酒废水污染物中的有机物，磁性生物炭有利于微生物存活进而达到有效降解污染物的目的。降解过程中不破坏环境，不带来二次污染，绿色环保，实现了绿色降解。

附图说明

图1为实施例1制得的磁性生物炭材料的比表面积吸脱附曲线和孔径分布图；

图2为实施例1制得的磁性生物炭材料的x射线衍射图谱；

图3为对比例3和实施例1制得的磁性生物炭材料的红外光谱图；

图4为实施例1制备的磁性生物炭材料的eds图；

图5为实施例1制得的磁性生物炭材料负载芽孢杆菌前后的扫描电镜图片，其中左图为负载前，右图为负载后；

图6为实施例1制得的磁性生物炭图片；

图7为对比例1制得的磁性生物炭材料的比表面积吸脱附曲线和孔径分布图；

图8为对比例2制得的磁性生物炭图片。

具体实施方式

下面将通过实施例对本发明作例进一步详述，这些描述并不是要对本发明的内容作进一步的限定。本领域的技术人员应理解，对本发明内容的技术特征所做的等同替换，或相应的改进，仍属于本发明的保护范围之内。

实施例1

收集玉米芯，用小刀将玉米芯切成1cm左右的片状结构，将玉米芯按质量体积比1:3g/ml加入到预先配制好20ml混合溶液(所述混合溶液的溶质包括以下组分：硫酸镁20.0mg，磷酸氢二钠2.0g，磷酸二氢钾1.2g，硝酸铵0.8g)中，于摇床上40℃下振荡24h，进行低温结构渗透，振荡后烘干得到改性玉米芯；改性玉米芯加水配成浓度为0.5g/ml后放入水热反应釜，烘箱中180℃水热炭化5h制备成生物炭，用蒸馏水洗至中性后烘干，将生物炭按质量体积比1:30ml加入到50wt％氯化铁溶液中活化处理，将混合物于摇床上室温下振荡24h，进行结构渗透，振荡后烘干放入管式炉中于体积分数为5％的氧气和95％的氮气的混合气氛下500℃烧制2h制备成磁性生物炭；磁性生物炭经水洗，再经酸或碱洗至ph为7.2，烘干备用；

将1ml芽孢杆菌剂接入到装有50mllb液体培养基的容器中，室温下，转速为150r/min的振荡培养箱中培养5h后，加入2g磁性生物炭载体，将磁性生物炭与菌液混合均匀，置于温度35℃、转速130r/min摇床固定2天后取出，固定结束后，在6000r/min的高速离心机上离心去除培养基，用0.85％生理盐水洗涤、固液分离后得到负载芽孢杆菌的磁性生物炭。

如图1所示，通过等温吸附曲线和孔径分布图可以证实实施例1制得的磁性生物炭含有大的比表面积(比表面积：464.7808m²/g平均孔径直径:3.2249nm)，可以为微生物提供较多的活性位点和较大的寄居环境。

如图2所示，通过x射线衍射图谱可以证实实施例1制得的磁性生物炭具有磁性，使用过后可以回收，不造成二次污染。

如图3所示，通过红外光谱图可以证实实施例1制得的磁性生物炭富含含氧官能团并被植入多电子含氮官能团，可以给微生物提供电子，促进种间电子传递，提升微生物活性，加快有机物的降解。

如图4所示，通过x射线能谱图进一步证实实施例1中采用此方法制备的磁性生物炭成功掺入n、o、mg、p等元素，可以给微生物生存提供营养物质，利于微生物黏附增殖。

如图5所示，通过扫描电镜可以发现实施例1制得的负载芽孢杆菌的磁性生物炭成功负载有大量的芽孢杆菌。

如图6所示，实施例1制得的磁性生物炭宏观结构紧实，形态完整。

实施例2

收集玉米芯，用小刀将玉米芯切成1cm左右的片状结构，将玉米芯按质量体积比1:4g/ml加入到预先配制好20ml混合溶液(所述混合溶液的溶质包括以下组分：硫酸镁25.0mg，磷酸氢二钠2.5g，磷酸二氢钾1.5g，硝酸铵1.0g)中，于摇床上70℃下振荡20h，进行低温结构渗透，振荡后烘干得到改性玉米芯；改性玉米芯加水配成浓度为0.5g/ml后放入水热反应釜，烘箱中250℃水热炭化5h制备成生物炭，用蒸馏水洗至中性后烘干，将生物炭按质量体积比1:40ml加入到50wt％氯化铁溶液中活化处理，将混合物于摇床上室温下振荡24h，进行结构渗透，振荡后烘干放入管式炉中于体积分数为5％的氧气和95％的氮气的混合气氛下700℃烧制2h制备成磁性生物炭；磁性生物炭经水洗，再经酸或碱洗至ph为7.2，烘干备用；

将1ml芽孢杆菌剂接入到装有50mllb液体培养基的容器中，室温下，转速为150r/min的振荡培养箱中培养5h后，加入2g磁性生物炭载体，将磁性生物炭与菌液混合均匀，置于温度35℃、转速130r/min摇床固定2天后取出，固定结束后，在6000r/min的高速离心机上离心去除培养基，用0.85％生理盐水洗涤、固液分离后得到负载芽孢杆菌的磁性生物炭。

对比例1

收集玉米芯，用小刀将玉米芯切成1cm左右的片状结构，将玉米芯按质量体积比1:3g/ml加入到预先配制好20ml混合溶液(所述混合溶液的溶质包括以下组分：硫酸镁20.0mg，磷酸氢二钠2.0g，磷酸二氢钾1.2g，硝酸铵0.8g)中，混合均匀后烘干得到改性玉米芯；改性玉米芯加水配成浓度为0.5g/ml后放入水热反应釜，烘箱中180℃水热炭化5h制备成生物炭，用蒸馏水洗至中性后烘干，将生物炭按质量体积比1:30ml加入到50wt％氯化铁溶液中活化处理，将混合物于摇床上室温下振荡24h，进行结构渗透，振荡后烘干放入管式炉中于体积分数为5％的氧气和95％的氮气的混合气氛下500℃烧制2h制备成磁性生物炭；磁性生物炭经水洗，再经酸或碱洗至ph为7.2，烘干备用；

将1ml芽孢杆菌剂接入到装有50mllb液体培养基的容器中，室温下，转速为150r/min的振荡培养箱中培养5h后，加入2g磁性生物炭载体，将磁性生物炭与菌液混合均匀，置于温度35℃、转速130r/min摇床固定2天后取出，固定结束后，在6000r/min的高速离心机上离心去除培养基，用0.85％生理盐水洗涤、固液分离后得到负载芽孢杆菌的磁性生物炭。

如图7所示，不经过低温渗透，混合溶液来不及溶胀至生物质内部，只和材料外表面接触，在高温下发生化学反应，降解与转化，制备得到的磁性生物炭样品比表面积较小(比表面积：259.696m²/g，平均孔径直径:3.719nm)。而本发明通过在前阶段40-70℃下水分的缓慢蒸腾作用，使材料鼓起多孔，并且在此反应过程中n、mg、s等元素充分溶胀至生物质结构内部，再经高温水热炭化，利用水分挥发提供的动力再次对材料造孔，使材料具有丰富的比表面积。

对比例2

收集玉米芯，用小刀将玉米芯切成1cm左右的片状结构，将玉米芯按质量体积比1:3g/ml加入到预先配制好20ml混合溶液(所述混合溶液的溶质包括以下组分：硫酸镁20.0mg，磷酸氢二钠2.0g，磷酸二氢钾1.2g，硝酸铵0.8g)中，于摇床上100℃下振荡24h，进行低温结构渗透，振荡后烘干得到改性玉米芯；改性玉米芯加水配成浓度为0.5g/ml后放入水热反应釜，烘箱中180℃水热炭化5h制备成生物炭，用蒸馏水洗至中性后烘干，将生物炭按质量体积比1:30ml加入到50wt％氯化铁溶液中活化处理，将混合物于摇床上室温下振荡24h，进行结构渗透，振荡后烘干放入管式炉中于体积分数为5％的氧气和95％的氮气的混合气氛下500℃烧制2h制备成磁性生物炭；磁性生物炭经水洗，再经酸或碱洗至ph为7.2，烘干备用；

将1ml芽孢杆菌剂接入到装有50mllb液体培养基的容器中，室温下，转速为150r/min的振荡培养箱中培养5h后，加入2g磁性生物炭载体，将磁性生物炭与菌液混合均匀，置于温度35℃、转速130r/min摇床固定2天后取出，固定结束后，在6000r/min的高速离心机上离心去除培养基，用0.85％生理盐水洗涤、固液分离后得到负载芽孢杆菌的磁性生物炭。

如图8所示，100℃下进行结构渗透，水蒸气急剧挥发，冲击力较强。混合溶液和生物质粉发生初步化学反应，并在后期高温热解条件下，制备得到的磁性生物炭结构疏松不稳定，易碎，不具有整体式结构。

对比例3

收集玉米芯，用小刀将玉米芯切成1cm左右的片状结构，加水配成浓度为0.5g/ml后放入水热反应釜，烘箱中180℃水热炭化5h制备成生物炭，用蒸馏水洗至中性后烘干，将生物炭按质量体积比1:30ml加入到50wt％氯化铁溶液中活化处理，将混合物于摇床上室温下振荡24h，进行结构渗透，振荡后烘干放入管式炉中于体积分数为5％的氧气和95％的氮气的混合气氛下500℃烧制2h制备成磁性生物炭；磁性生物炭经水洗，再经酸或碱洗至ph为7.2，烘干备用；

将1ml芽孢杆菌剂接入到装有50mllb液体培养基的容器中，室温下，转速为150r/min的振荡培养箱中培养5h后，加入2g磁性生物炭载体，将磁性生物炭与菌液混合均匀，置于温度35℃、转速130r/min摇床固定2天后取出，固定结束后，在6000r/min的高速离心机上离心去除培养基，用0.85％生理盐水洗涤、固液分离后得到负载芽孢杆菌的磁性生物炭。

如图3所示，不添加混合溶液改性处理，制得的磁性生物炭含氧官能团相对较少，由于没有添加各种微量元素，所得生物炭营养元素含量小，导致生物炭表面吸附的微生物较少，所以生物炭吸附有机物的能力变小，负载在生物炭表面的菌吸附和吸收有机物的效率较低，污染物去除效率相对较低。

实施例1-2以及对比例1-3制得的负载芽孢杆菌的磁性生物炭样品2g投加到100ml酿酒废水水样中(该水样的原始cod为1287mg/l，bod为864mg/l，总氮为42mg/l，总磷为7.5mg/l，ph值为3.75)，放于摇床中，35℃以130r/min的转速震荡5天，检测水体cod、总氮和总磷数据，结果如表1所示：

表1酿酒废水水样处理前后对比

注：“空白”为仅直接往酿酒废水水样中加入1ml芽孢杆菌剂。