一种高岭石负载生物合成纳米硫铁材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及水处理技术应用领域，特别是涉及一种高岭石负载生物合成纳米硫铁材料及其制备方法与应用，主要是应用于处理含cr(vi)废水。

背景技术：

随着电镀、染料、皮革和造纸行业的发展，大量的含cr物质被排入到环境中。环境中cr通常以cr(vi)和cr(iii)形式存在，其中cr(vi)具有高毒性，少剂量能够造成肾脏与肝脏的损伤，是致癌物质，而cr(iii)则是人体必需微量元素，存在于谷物中，是糖代谢必需的元素。因此治理环境中cr(vi)的思路就是将其还原成cr(iii)。常用的还原剂有fe(ii)，硫化物和有机质。其还原机理如下所示：

fe(ii)+cr(vi)+h2o---(crxfe1-x)(oh)3(0<x<1)(ph>4)；

s(-ii)+cr(vi)+h2o----cr(oh)3+s0(ph>5)；

有机质+cr(vi)----cr(iii)-有机络合物；

在自然界中，mno2能够将cr(iii)氧化为cr(vi)。研究表明，(crxfe1-x)(oh)3在环境中稳定性比cr(oh)3和cr(iii)-有机络合物强，更难被mno2氧化。因此，最好选择含fe的物质作为还原剂，而纳米硫铁材料同时具备fe(ii)和s(-ii)和以及超大的比表面积，能够快速的将cr(vi)还原成cr(iii)。同时由于铁还原菌和硫酸盐还原菌(sulfatereducingbacteria,srb)在土壤和水体广泛的存在，纳米硫铁材料也是广泛存在于土壤和水体沉积物中。

但由于纳米材料本身易团聚的性质，在水体中分散性差，使其失去纳米材料特性，降低了材料与污染物的有效接触，从而降低了其反应速率与单位质量去除量，该缺点限制了纳米硫铁材料实际工程中的推广应用。其次，在实际应用中，纳米材料由于颗粒太小难以回收和重复利用，一旦回收不彻底，容易导致材料还原cr(vi)生成的cr(iii)仍然以离子形态或者小颗粒的(crxfe1-x)(oh)3形式存留在水体中，可能会再次释放到环境中。因此，必须采取一些稳定化措施增强材料的稳定性以及最终产物的可回收性。

为良好的分散纳米硫铁材料，以及增大最终产物的粒径，或使最终产物吸附于大颗粒载体上，具有吸附cr(iii)的固体材料相比于常用的表面活性剂等溶剂型分散剂更具有优势。一些常见负载纳米硫铁的固体材料(如石灰、石英、氧化铝等)(sun,y.,z.lou,j.yu,x.zhou,d.lv,j.zhou,s.a.baigandx.xu(2017)."immobilizationofmercury(ii)fromaqueoussolutionusingal2o3-supportednanoscalefes."chemicalengineeringjournal323:483-491.)，因材料易获取、易负载、热稳定性好等特性可以用于改善纳米硫铁的团聚性(chen,y.,w.liang,y.li,y.wu,y.chen,w.xiao,l.zhao,j.zhangandh.li(2019)."modification,applicationandreactionmechanismsofnano-sizedironsulfideparticlesforpollutantremovalfromsoilandwater:areview."chemicalengineeringjournal362:144-159.)。但这些材料本身对cr(iii)吸附性很弱，且大部分先用化学方法合成纳米硫铁，再投加固体材料与之搅拌一段时间，使纳米硫铁负载于固体材料表面(park,m.,j.park,j.kang,y.s.hanandh.y.jeong(2018)."removalofhexavalentchromiumusingmackinawite(fes)-coatedsand."jhazardmater360:17-23.),该分散方法易造成纳米硫铁的氧化，且鲜少关注自然环境中广泛存在的硫酸盐还原菌，可直接利用硫酸盐和fe²⁺合成纳米硫铁矿。而高岭石作为土壤与水体沉积物中常见的黏土矿物，对cr(iii)具有良好的吸附性，在中性条件下通常带负电，能够先吸附fe²⁺，当硫酸盐还原菌产生的s^2-将与吸附于高岭石表面的fe²⁺结合生成纳米硫铁，该过程可使纳米硫铁在合成过程中自动分散于高岭石表面。利用微生物合成纳米硫铁并在合成过程中将其分散于高岭石表面，可增强纳米硫铁的稳定性，以及增强纳米硫铁处理cr(vi)后cr(iii)的稳定性。但制备方法的选择和高岭石投加量对所制材料的去除cr(vi)有较大影响，因此制备方法的选择和优化显得尤为重要。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高岭石负载生物合成纳米硫铁材料及其制备方法与应用。

本发明旨在针对纳米硫铁目前存在的易团聚等不足，制备出一种制备过程简便、对cr(vi)废水去除能力好的高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料。

本发明的另一目的在于提供了一种高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料用于去除水体中的重金属的用途，尤其是高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料能够高效快速的去除水体中cr(vi)。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的一种高岭石负载生物合成纳米硫铁材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将乳酸钠、kh2po4、na2so4、nh4cl、mgso4·7h2o及酵母提取物加入水中溶解，混合均匀，然后再加入hepes缓冲溶液，得到混合液，调节所述混合液的ph值为6.5±0.1；

(2)将步骤(1)所述混合液加入厌氧瓶中，然后加入高岭石，用氮气吹脱去除液体中的溶解氧，然后密封厌氧瓶，将所述厌氧瓶进行灭菌处理，得到瓶中灭菌后的混合液；

(3)将cacl2溶解于灭菌水中，混合均匀，得到cacl2溶液；将feso4·7h2o溶解于灭菌水中，混合均匀，得到feso4·7h2o溶液；将所述cacl2溶液和feso4·7h2o溶液过滤灭菌后，导入步骤(2)所述灭菌后的混合液中，再加入硫酸盐还原菌接种液，混合均匀，得到培养液；

(4)将步骤(3)所述培养液进行恒温摇床培育，然后离心处理弃上清液，将沉淀进行冷冻干燥，得到所述高岭石负载生物合成纳米硫铁材料。

进一步地，步骤(1)所述混合液，当按照体积为1l来计，所述混合液中包含：0.3500±0.002g的乳酸钠、0.6500±0.002g的kh2po4、1.0000±0.002g的na2so4、1.0000±0.002g的nh4cl、2.0000±0.002g的mgso4·7h2o、1.0000±0.002g的酵母提取物及200.0±0.5ml的hepes缓冲溶液，余者为水。

进一步地，步骤(1)所述hepes缓冲溶液的浓度为0.10±0.01m。

进一步地，步骤(1)中，调节混合液的ph值可以使用naoh溶液进行调节，调节后的混合液的ph值为6.5。

进一步地，步骤(2)所述高岭石与混合液的质量体积比为0.3-10：1mg/ml；所述灭菌处理的方式包括高压灭菌处理；所述高压灭菌处理的温度为121℃，高压灭菌处理的时间为30min。

优选地，步骤(2)所述高岭石购买于购自sigmaaldrich化学品公司，产地为德国，型号为cas：1318-74-7。

优选地，步骤(2)所述高岭石与混合液的质量体积比为240mg/80ml。

优选地，步骤(2)所述高岭石与混合液的质量体积比为3.00±0.02：1mg/ml；更优选为3：1mg/ml。

进一步地，步骤(3)所述feso4·7h2o溶液的浓度为20.00±0.05g/l；所述cacl2溶液的浓度为40.00±0.05g/l；在步骤(3)所述培养液中，feso4·7h2o的浓度为0.50±0.05g/l；在步骤(3)所述培养液中，cacl2的浓度为1.000±0.1g/l；所述硫酸盐还原菌接种液的体积为所述培养液体积的2.5±0.5％。

优选地，步骤(3)所述feso4·7h2o溶液与灭菌后的混合液的体积比为2.00±0.05:74±0.5。

优选地，在步骤(3)所述培养液中，feso4·7h2o含量为0.5g/l。

进一步地，步骤(3)所述硫酸盐还原菌(srb)接种液为培养到生长对数期的菌液；所述硫酸盐还原菌为desulfosporosinusmeridiei，购于德国微生物菌种保藏中心，保藏编号为dsmz13257。所述硫酸盐还原菌(srb)接种液的培养基及及培养条件与制备高岭石所分散的纳米硫化亚铁相同。

进一步地，步骤(4)所述恒温摇床培育的温度为30.0±0.1℃，恒温摇床培育的转速为150±1rpm，恒温摇床培育的时间为5±1d。

本发明提供一种由上述的制备方法制得的高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)。所述高岭石负载生物合成纳米硫铁材料中的纳米硫铁(fes)的含量为5％(w/w)。

本发明提供的的高岭石负载生物合成纳米硫铁材料能够应用在处理含cr(vi)废水中。

所述高岭石负载生物合成纳米硫铁材料在处理含cr(vi)废水中的应用，包括如下步骤：

所述cr(vi)溶液先用氮气吹脱30min，去除水体中的氧气，加入所述高岭石负载生物合成纳米硫铁材料，并用蓝色丁基胶塞塞好并加上铝盖，保证反应条件为厌氧条件。ph为6.5，是用50mmhepes作为缓冲剂，维持其ph的稳定。

本发明用硫酸盐还原菌(srb)制备了一种高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料，所得材料抗团聚性能优异，纳米硫铁松散稳定地分布于高岭石表面(可参照图2所示)。

上述高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料在去除水体cr(vi)中的应用。所述应用过程为：取高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料600±1mg,其中硫化亚铁质量为(30±0.05mg),投加至80±0.5ml起始浓度为0.80±0.01mm的cr(vi)溶液中，ph为6.5±0.1,背景离子浓度为0.10±0.01mnacl,反应条件为200±1rmp磁力搅拌，反应时间为0-240h。

优选地，所述cr(vi)溶液先用氮气吹脱30±5min，去除水体中的氧气，并用蓝色丁基胶塞塞好并加上铝盖，保证反应条件为厌氧条件。

优选地，所述ph为6.5±0.1，是用50.0±0.1mmhepes作为缓冲剂，维持其ph的稳定。

本发明提供的制备方法中，高岭石作为土壤与水体沉积物中常见的黏土矿物，对cr(iii)具有良好的吸附性，在中性条件下通常带负电，能够先吸附fe²⁺，当硫酸盐还原菌产生的s^2-将与吸附于高岭石表面的fe²⁺结合生成纳米硫铁，该过程可使纳米硫铁在合成过程中自动分散于高岭石表面。利用微生物合成纳米硫铁并在合成过程中将其分散于高岭石表面，可增强纳米硫铁的稳定性。而处理cr(vi)后的产物能够附着于高岭石，增大了其颗粒粒径，便于回收，避免二次污染。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明提供的制备方法，采用硫酸盐还原菌生物合成纳米硫铁，由于硫酸盐还原菌在水体沉积物和土壤中广泛存在，合成成本低，易获取，操作简单，可在环境中原位合成纳米硫铁；

(2)本发明提供的制备方法，使用的高岭石原料大量存在南方土壤以及水体沉积物中，易获取，性质稳定，可重复利用，对原生环境影响小，具有环境友好的特点；

(3)本发明制备的高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料与纯纳米硫铁相比，高岭石起到良好的分散效果，有效的分散了纳米硫铁颗粒，改善了其易团聚的缺点，对cr(vi)的还原速率明显快于纯纳米硫铁，也提高了纳米硫铁的单位质量去除量；

(4)本发明制备的高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料，可通过调节高岭石的投加量，优化选择最佳浓度以增强材料的分散性能，并使其对废水中cr(vi)去除能力达到最大；

(5)本发明提供的制备方法，通过负载的手段增大了材料粒径，克服了纳米硫铁材料难以回收造成的二次污染问题。

附图说明

图1为对比例1中未加入高岭石获得的纳米硫铁的扫描电镜图；

图2为实施例1中加入高岭石获得的高岭石负载生物合成纳米硫铁材料的扫描电镜图；

图3为实施例2中高岭石(kaolinite)，纳米硫铁(fes)，高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料(kaolinite/fes)去除水中cr(vi)的速率图对比图；

图4为实施例2中高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料(kaolinite/fes)去除水中cr(vi)最终产物的扫描电镜图；

图5为对比例1得到的中所得的fes、实施例3-7得到的高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料(kaolinite/fes)对水中cr(vi)的去除量折线图；

图6为对比例1得到的中所得的fes、实施例3-7得到的高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料(kaolinite/fes)的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

实施例1

一种高岭石负载生物合成纳米硫铁材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将0.3500g乳酸钠、0.6500gkh2po4、1.0000gna2so4、1.0000gnh4cl、2.0000gmgso4·7h2o及1.0000g酵母提取物加入725ml水中溶解，混合均匀，然后再加入200ml浓度为0.1m的hepes缓冲溶液，得到混合液，用0.1mnaoh溶液调节所述混合液的ph值为6.5；

(2)将74.0ml步骤(1)所述混合液加入厌氧瓶中，然后加入240mg高岭石，得到悬浊液，用氮气吹脱30min以去除悬浊液中的溶解氧，然后密封厌氧瓶，将所述厌氧瓶进行灭菌处理(121℃灭菌30min)，得到瓶中灭菌后的混合液；

(3)将1.0000gcacl2溶解于25.0ml灭菌水中，混合均匀，得到cacl2溶液；将0.5000gfeso4·7h2o溶解于25.0ml灭菌水中，混合均匀，得到feso4·7h2o溶液；将2.00ml所述cacl2溶液和2.00ml的feso4·7h2o溶液过滤灭菌(滤孔大小为0.22μm)后，导入步骤(2)所述灭菌后的混合液中，再加入2.00ml硫酸盐还原菌接种液，混合均匀，得到培养液，总体积为80.0ml；

(4)将步骤(3)所述培养液进行恒温摇床培育(温度为30.0℃，转速为150rpm，时间为5天)，然后离心处理(10000rpm离心5分钟)弃上清液，将沉淀进行冷冻干燥(时间为24h)，得到所述高岭石负载生物合成纳米硫铁材料。在所述高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)中，fes的含量为5％(w/w)。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，唯一不同之处在于步骤(2)中没有加入高岭石，即高岭石在步骤(2)所述悬浊液中的浓度为0mg/ml。对比例1制得的纯纳米硫铁材料(fes)。

对比例1未加入高岭石获得的纳米硫铁和实施例1加入高岭石获得的纳米硫铁分别如图1和图2所示。由图1和图2可知，未加入高岭石所形成的纳米硫铁(fes)聚体成块，具有较高的厚度，表面有大量的褶皱，而高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料((kaolinite/fes))如絮状松散分散于高岭石表面，也具有大量的褶皱，但未发现块状聚集的纳米硫铁。表明高岭石确实对纳米硫铁起到良好的分散作用，减少了其聚集性。

实施例2

分别取3份起始浓度为0.80mm的cr(vi)溶液至3个反应容器中，所述cr(vi)溶液的背景离子浓度为0.10m的nacl，所述cr(vi)溶液的ph值为6.5(用50.0mmhepes作为缓冲剂)，分别用氮气吹脱30min，保持厌氧环境；然后往这3个反应容器中分别加入70mg对比例1制得的纯纳米硫铁材料(fes)、600mg实施例1制得的高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)、600mg高岭石，600mg实施例1的kaolinite/fes中的fes含量为30mg，而70mgfes是30mgfes的2.3倍，加入转子，塞上丁基胶塞和铝盖，保证其厌氧环境，然后将这3个反应容器放在转速为200rpm的磁力搅拌器上，进行去除cr(vi)反应，反应的温度为常温。

实验结果如图3所示，高岭石本身对cr(vi)最大吸附率为8.9％，fes在5min内对cr(vi)去除率达到67％，30min去除率达97％，随后升至100％。但由于本身颗粒不均匀，导致在前期反应过程中平行性不好。实施例1制得的高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)在5min内对cr(vi)去除率达93％，15min达到98％，随后上升至100％。由此可见，高岭石的确对纳米硫铁起到良好的分散作用，显著提高了其对cr(vi)的去除速率。实施例1制得的高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)处理cr(vi)后的产物如图4所示，最终产物镶嵌在高岭石的缝隙中或者负载于高岭石表面，增大了最终产物的粒径，方便回收。

实施例3

实施例3基本与实施例1相同，唯一不同之处在于步骤(2)所述高岭石的用量为24mg，即高岭石在步骤(3)所述培养液中的浓度为0.3mg/ml，得到高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)。

实施例4

实施例4基本与实施例1相同，唯一不同之处在于步骤(2)所述高岭石的用量为40mg，即高岭石在步骤(3)所述培养液中的浓度为0.5mg/ml，得到高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)。

实施例5

实施例5基本与实施例1相同，唯一不同之处在于步骤(2)所述高岭石的用量为240mg，即高岭石在步骤(3)所述培养液中的浓度为3mg/ml，得到高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)。

实施例6

实施例6基本与实施例1相同，唯一不同之处在于步骤(2)所述高岭石的用量为400mg，即高岭石在步骤(3)所述培养液中的浓度为5mg/ml，得到高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)。

实施例7

实施例7基本与实施例1相同，唯一不同之处在于步骤(2)所述高岭石的用量为800mg，即高岭石在步骤(3)所述培养液中的浓度为10mg/ml，得到高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)。

效果验证

分别取6份体积为20ml的cr(vi)溶液至3个反应容器中，所述cr(vi)溶液的背景离子浓度为0.10m的nacl，所述cr(vi)溶液的ph值为7.0(用50.0mmhepes作为缓冲剂)，分别用氮气吹脱30min，保持厌氧环境；然后往这6个反应容器中分别加入20mg对比例1制得的纯纳米硫铁材料(fes)、20mg实施例3-7制得的高岭石负载生物合成纳米硫铁材料(kaolinite/fes)，加入转子，塞上丁基胶塞和铝盖，保证其厌氧环境，然后将这6个反应容器放在转速为200rpm的磁力搅拌器上，进行去除cr(vi)反应，反应的温度为常温，反应时间均为1h。

实验结果如图5所示，当高岭石的添加浓度为0，0.3mg/ml时，高岭石所分散的纳米硫铁对cr(vi)去除率随cr(vi)浓度增大而增加，当高岭石添加浓度为0.5，3，5mg/ml时，高岭石所分散的纳米硫铁对cr(vi)去除率表现为随cr(vi)浓度先增加后降低，随后保持不变。当cr(vi)浓度为40mg/l时，0.5％高岭石添加浓度去除量达到最大为166.3mg/g(fes),而当高岭石添加浓度为3和5mg/ml时，其在cr(vi)浓度为20mg/l时去除量达到最大分别为398.8和263.4mg/g(fes)。当cr(vi)浓度高于10mg/l时，10mg/ml高岭石添加浓度对cr(vi)的去除量随浓度不再变化。当纳米硫铁含量过高时，溶液中的cr(vi)可在短时间内被快速去除掉，并且仍有fes剩余。当纳米硫铁含量极低时，在一定时间内纳米硫铁已全被cr(vi)消耗完，提高cr(vi)浓度不会影响其对cr(vi)的去除。而当高岭石添加浓度为适中时，浓度过高的cr(vi)在短时间内产生大量的(crxfe1-x)(oh)3附着于材料表面，阻碍了纳米硫铁与cr(vi)的接触，在相同时间内，其反应速率下降。若延长时间，可能可以进一步提高其去除量。纳米硫铁对cr(vi)的去除量随高岭石的浓度先增大后减少，当添加浓度为3mg/ml时，其去除量达到最大，效果最好。

图6为对比例1得到的中所得的fes、实施例3-7得到的高岭石负载生物合成的纳米硫铁材料(kaolinite/fes)的扫描电镜图。图5和图6中的0mg/ml、0.3mg/ml、0.5mg/ml、3mg/ml、5mg/ml、10mg/ml均为高岭石的添加浓度，在图6中分别表示对比例1制得的fes、实施例3制得的kaolinite/fes、实施例4制得的kaolinite/fes、实施例5制得的kaolinite/fes、实施例6制得的kaolinite/fes、实施例7制得的kaolinite/fes。从图6可知，当高岭石添加浓度过少(0.3，0.5mg/ml)，不能有效分散纳米硫铁，但当添加浓度大于3mg/ml时，纳米硫铁反而会进一步团聚(5mg/ml)，再进一步增加高岭石浓度时(10mg/ml)，纳米硫铁含量过低，过于分散，高岭石的存在反而降低了其与cr(vi)的有效接触，从而在同样的时间内去除量下降。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。