一种硫化铅纳米材料的生物调控制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用硫酸盐还原菌制备三种不同形貌的硫化铅纳米材料的方法，属于绿色工艺领域。
【背景技术】
[0002]硫化铅是一种重要的IV-VI族半导体材料，室温下具有特别小的禁带宽度(0.41eV)和较大的激子波尔半径(18nm)，具有特殊的光学、电学性质，在非线性光学材料和光电转换材料等一些高新技术领域中展示出潜在的应用前景。另外，硫化铅纳米材料在近红外波段(1-3μπι)具有良好的光敏性，常用来制作近红外光电导型探测器。因此，开展对不同形貌硫化铅纳米材料的制备和研究一直是人们关心的课题。传统制备硫化铅纳米材料的方法主要为化学方法，包括水热法、溶剂热法、微乳法、液相法、固相化学法、微波辅助加热法、电化学法等。这些化学的方法虽然产量较高，速度较快，但往往会使用有毒原料，并且需要较苛刻的反应条件(例如高温和高压等)，这不但提高了硫化铅的制备成本，且生产过程易对环境产生危害。因此，我们迫切需要找到一种环境友好、成本低廉的方法制备和调控硫化铅纳米材料。
[0003]自然界中的多种微生物均能够通过自身的代谢作用合成纳米颗粒，这引发了科学界利用微生物合成纳米材料的兴趣。目前已发现的可用于合成纳米材料的微生物有许多种，包括细菌、真菌、酵母菌、藻类等等。各类单细胞或多细胞微生物可以通过不同的机理在细胞内或细胞外合成无机纳米颗粒物。非但如此，微生物还可以通过自身复杂的反应过程来控制纳米颗粒的空间结构、形貌形态、尺寸分布等属性。由于微生物在自然界中广泛存在，其生存条件容易达到，因而利用微生物合成纳米材料对温度和压力无苛刻要求，相较于化学方法，生物法工艺条件简单、生产过程安全、能耗较低、成本低廉。此外，微生物合成的纳米材料往往具有水溶性、可再生性、且无生物毒性，扩展了纳米材料在医学、药物学等领域的引用范围。因而利用微生物制备纳米材料已成为纳米技术的重要研究方向。
[0004]近年来，利用微生物制备金属硫化物纳米材料的研究报道很多，包括利用细菌、酵母菌、真菌等制备CdS、PbS、ZnS和As2S3等纳米材料。但在生物体系中调节纳米材料的相貌形态却非常困难。本实验室在水/油两相体系中，通过调节培养液中碳源和硫源的浓度制备出了两种不同形貌的硫化铋纳米颗粒，但在单相体系中通过生物调控制备不同相貌的硫化铅纳米材料尚未报道。
【发明内容】
[0005]本发明目的是为了解决现有硫化铅纳米材料制备方法存在的成本高、能耗大和环境污染严重等问题，提出一种以硫酸盐还原菌(SRB，Clostridiaceae sp.)生物制备硫化铅纳米材料的方法。铅源是高浓度的含铅废水，同时为废水的资源化利用提供了一条绿色思路。并通过调节溶液中分散剂聚乙二醇2000 (PEG 2000)的量来控制硫化铅纳米材料的形貌形态，从而制备出柱状、片状和颗粒状的硫化铅纳米材料。
[0006]本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]从污泥中筛选高效的SRB细胞进行培养，并在该微生物的培养基中加入廉价的铅源。微生物代谢过程中产生的S2与培养基中的Pb 2+发生胞外沉淀反应，生成硫化铅纳米材料。具体步骤如下:
[0008]步骤一、SRB的筛选和培养
[0009]1.SRB的富集培养基的组成成分为:0.1-0.4mol/L乳酸，8.0-12.0g/L Na2S04, 1.0-4.0g/L NH4C1, 0.5-2.0g/L KH2P04, 0.5-2.0g/L MgS04, 0.1-0.5g/LCaCl2, 0.5-2.0g/L 酵母浸粉，pH 5.0-9.0 ；
[0010]2.采集北京市某污水处理厂的污泥。将污泥样品放入SRB菌富集培养基中，并置于32°C下厌氧培养。每20-30天按照20% (种子液/培养基)的体积比转接一次。
[0011 ] 步骤二、EDTA-Pb螯合物溶液的制备
[0012]制备0.1-0.5mol/L EDTA-Pb螯合物溶液是将含铅0.05-0.2mol的废水和0.1-0.4mol的EDTA-Na4混合，室温下放置6h后待用。
[0013]步骤三、硫化铅纳米材料的制备
[0014]制备硫化铅的工作培养基组成成分为:5.0-20.0g/L葡萄糖，8.0-12.0g/L Na2S04, 1.0-4.0g/L NH4C1, 0.5-2.0g/L KH2P04, 0.5-2.0g/L MgS04, 0.1-0.5g/LCaCl2, 0.5-2.0g/L 酵母浸粉，5.0-20.0mmol/L EDTA-Pb,适量的 PEG2000，pH 5.0-9.0。以2.5% -10%的体积比(种子液/培养基)接入培养7天的SRB种子液(0D600?0.6-0.8)，并置于32°C下厌氧培养。通过调节PEG2000的加入量分别为l-4mmol/L，9-12mmol/L和17-20mmo 1 /L制备三种不同形貌的硫化铅纳米材料。
[0015]步骤四、将培养两周后所得产物离心收集，并用水和乙醇分别洗涤五次后在105°C下烘干，进行更进一步的结构(XRD)、组成(EDX)和形貌形态(SEM)的表征。
[0016]本发明采用以上技术方案的有益效果
[0017]1.本发明通过控制溶液中PEG2000的量，实现了利用同一种生物体系制备三种不同形貌的的硫化铅(纳米柱、纳米片和纳米粒)纳米材料。
[0018]2.本发明利用微生物制备硫化铅，反应条件温和、常温常压操作、单相简单体系。相比于化学制备方法，生物制备法具有低能耗、低成本、环境友好、操作简单等优点。
[0019]3.本发明制备的硫化铅纳米材料，铅源是高浓度的含铅废水，这为含铅废水的资源化利用提供了一条绿色的工艺思路。
[0020]4.本发明制备的硫化铅纳米材料均属于立方晶系，但晶胞参数稍有差异(硫化铅纳米柱的晶胞参数为 a = b = c = 0.593lnm, α = β = γ = 90°，与 FOF N0.65-0135 的标准图谱吻合；纳米片的晶胞参数为a = b = c = 0.5936nm, α = β = γ = 90°，与FOFN0.05-0592的标准图谱吻合；纳米粒的晶胞参数为a = b = c = 0.5940nm, α = β = γ= 90° )，与roF N0.65-0692的标准图谱吻合，且产物纯度较高。
【附图说明】
[0021]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0022]图1是低浓度培养液制备的PbS纳米柱的XRD谱图
[0023]图2是低浓度培养液制备的PbS纳米柱的EDX图谱
[0024]图3是低浓度培养液制备的PbS纳米柱的SEM图像
[0025]图4是低浓度培养液制备的PbS纳米片的XRD谱图
[0026]图5是低浓度培养液制备的PbS纳米片的EDX图谱
[0027]图6是低浓度培养液制备的PbS纳米片的SEM图像
[0028]图7是低浓度培养液制备的PbS纳米粒的XRD谱图
[0029]图8是低浓度培养液制备的PbS纳米粒的EDX图谱
[0030]图9是低浓度培养液制备的PbS纳米粒的SEM图像
[0031]图10是高浓度培养液制备的PbS纳米柱的XRD谱图
[0032]图11是高浓度培养液制备的PbS纳米片的XRD谱图
[0033]图12是高浓度培养液制备的PbS纳米粒的XRD谱图
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0035]实施例1:
[0036]步骤一、SRB的筛选和培养
[0037]1.SRB的富集培养基的组成成分为:0.lmol/L乳酸，8.0g/L Na2S04, 1.0g/LNH4C1, 0.5g/L KH2P04, 0.5g/L MgS04, 0.lg/L CaCl2, 0.5g/L 酵母浸粉，pH 5.0 ；
[0038]2.采集北京市某污水处理厂的污泥。将污泥样品放入SRB富集培养基中，并置于32°C下厌氧培养。每20天按照20% (种子液/培养基)的体积比转接一次。
[0039]步骤二、EDTA-Pb螯合物溶液的制备
[0040]制备0.lmol/L EDTA-Pb螯合物溶液是将含0.05mol的Pb2+的废水和0.lmol的EDTA-Na4混合，室温下放置6h后待用。
[0041]步骤三、硫化铅纳米材料的制备
[0042]制备硫化铅的工作培养基组成成分为:5.0g/L葡萄糖，8.0g/L Na2S04, 1.0g/L NH4C1, 0.5g/L KH2P04, 0.5g/L MgS04, 0.lg/L CaCl2, 0.5g/L 酵母浸粉，5.0mmol/LEDTA-Pb, lmmol/L的PEG2000，pH 5.0。以2.5%的体积比(种子液/培养基)接入培养7天的SRB种子液(0D600?0.6)，并置于32 °C下厌氧培养。
[0043]步骤四、将培养两周后所得产物离心收集，并用水和乙醇分别洗涤五次后在105°C下烘干，进行更进一步的结构(XRD)、组成(EDX)和形貌形态(SEM)的表征。XRD分析(图
1)，产物为PbS纳米柱，与其标准图谱相吻合。EDX图谱(图2)可看出，产物中仅含有Pb和S两种元素且Pb/S原子个数比约为1: 1，与XRD的分析结果一致。SEM图像(图3)可看出，PbS纳米柱的大小为50X50X100nm。
[0044]实施例2:
[0045]步骤一、SRB的筛选和培养
[0046]1.SRB的富集培养基的组成成分为:0.lmol/L乳酸，8.0g/L Na2S04, 1.0g/LNH4C1, 0.5g/L KH2P04, 0.5g/L MgS04, 0.lg/L CaCl2, 0.5g/L 酵母浸粉，pH 5.0 ；
[0047]2.采集北京市某污水处理厂的污泥。将污泥样品放入SRB富集培养基中，并置于32°C下厌氧培养。每20天按照20% (种子液/培养基)的体积比转接一次。
[0048]步骤二、EDTA-Pb螯合物溶液的制备
[0049]制备0.lmol/L EDTA-Pb螯合物溶液是将含0.05mol的Pb2+的废水和0.lmol的EDTA-Na4混合，室温下放置6h后待用。
[0050]步骤三、硫化铅纳米材料的制备
[0051]制备硫化铅的工作培养基组成成分为:5.0g/L葡萄糖，8.0g/L Na2S04, 1.0g/L NH4C1, 0.5g/L KH2P04, 0.5g/L MgS04, 0.lg/L CaCl2, 0.5g/L 酵母浸粉，5.0mmol/LEDTA-Pb, 9mmol/L的PEG2000，pH 5.0。以2.5%的体积比(种子液/培养基)接入培养7天的SRB种子液(0D600?0.6)，并置于32 °C下厌氧培养。
[0052]步骤四、将培养两周后所得产物离心收集，并用水和乙醇分别洗涤五次后在105°C下烘干，进行更进一步的结构(XRD)、组成(EDX)和形貌形态(SEM)的表征。XRD分析(图
4)，产物为PbS纳米片，与其标准图谱相吻合。EDX图谱(图5)可看出，产物中仅含有Pb和S两种元素且Pb/S原子个数比约为1: 1，与XRD的分析结果一致。SEM图像(图6)可看出，PbS纳米片的厚度约为10nmo
[0053]实施例3:
[0054]步骤一、SRB的筛选和培养
[0055]1.SRB的富集培养基的组成成分为:0.lmol/L乳酸，8.0g/L Na2S04, 1.0g/LNH4C1, 0.5g/L KH2P0