一种酵母菌载纳米零价铁的制备方法与流程

本发明提供一种酵母菌载纳米零价铁的制备方法，涉及到酵母菌的培养、处理和纳米零价铁的制备方法，更进一步涉及通过该方法制备的酵母菌载纳米零价铁及其在重金属离子去除和有机污染物降解中的应用。属于环境功能材料制备和环境修复技术领域。

背景技术：

纳米零价铁具有较强的还原能力和优良的吸附性能，被广泛用于含卤有机物的还原脱卤、染料的还原脱色以及重金属离子的去除，是一种颇具有应用潜力的污染环境修复控制材料。但纳米零价铁存在易氧化、团聚和钝化的缺点，阻碍了其在污染物处理中的实际应用。

将纳米零价铁载在载体上，不仅能提高纳米零价铁的分散性，而且使纳米零价铁易于回收，防止二次污染。

中国发明专利zl200910090616.1(活性碳负载纳米铁材料的制备方法及应用)采用预处理过的活性碳作为负载材料，在氩气和超声波的辅助下，利用活性碳多孔隙的特征使反应产生的纳米零价铁颗粒充分地分散并负载在活性碳上，得到的活性碳负载纳米铁材料可降解水体中的五氯苯酚；中国发明专利zl201210447511.9(以蒙脱石为载体的纳米零价铁及其制备方法和应用)公开了一种在可溶性淀粉存在的乙醇介质中，以蒙脱石为载体制备纳米零价铁的方法，充分利用蒙脱石层间及表面空间减少纳米零价铁的聚合，制得的纳米零价铁活性高，稳定性好，在处理六价铬废水时效果显著。

酵母菌具有多孔网状结构及丰富的氨基、羟基、羧基和磷酸基团，是一种天然的生物吸附剂。将纳米零价铁颗粒负载到酵母菌上能在不减弱纳米零价铁活性的前提下减少纳米零价铁颗粒间的团聚，同时发挥酵母菌的吸附作用和纳米铁的还原作用，有利于污染物的富集并加快其去除反应速率。目前还未见以酵母菌为载体制备纳米零价铁的文献报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对纳米零价铁极易氧化、团聚的不足，以天然的酵母菌为载体，将纳米零价铁的强还原性与酵母菌优良的吸附性相结合，提供一种制备工艺简单、成本低廉、环境友好、寿命长的纳米零价铁的制备方法，以及用这种方法制备的酵母菌载纳米零价铁。

本发明的技术原理是以酵母菌为载体、分散剂和稳定剂，利用酵母菌的氨基、羟基、羧基和磷酸等基团吸附可溶性fe²⁺或fe³⁺后，原位还原为零价铁，利用酵母菌的双层网状多孔结构分散并稳定纳米零价铁，并利用酵母菌吸附反应中生成的fe²⁺或fe³⁺，阻止fe²⁺或fe³⁺在纳米零价铁表面上共沉淀，维持纳米零价铁的还原活性，降低使用纳米零价铁时所带来的大量铁泥污染风险。通过调节酵母菌载体与铁盐的质量比、还原剂浓度、反应温度、反应时间和搅拌或振荡速度达到控制纳米零价铁反应活性的目的。

因此，本发明的第一个目的是提供一种酵母菌载纳米零价铁的制备方法，包括如下步骤：

(1)按常规方法培养酵母菌，将所得的酵母菌离心，洗涤后，冷冻干燥得酵母菌载体。或将所得的酵母菌离心，洗涤后，重新悬浮在具有促进酵母菌自溶的化学试剂中，在40～60℃的温度下搅拌或振荡处理24～48小时进行化学处理。离心、洗涤后，冷冻干燥，得到经过化学处理的改性酵母菌载体；

(2)将铁盐或亚铁盐水溶液加入到步骤(1)得到的酵母菌载体或改性酵母菌载体中，在50～200r·min^-1搅拌或振荡下反应0.5～2h，离心、洗涤后，得到吸附有fe²⁺或fe³⁺的酵母菌或改性酵母菌；

(3)在持续搅拌或振荡的条件下，往步骤(2)得到的吸附有fe²⁺或fe³⁺的酵母菌或改性酵母菌中加入还原剂溶液，继续搅拌或振荡反应0.5h～2h，再进行固液分离，固体用二次蒸馏水洗涤3次，冷冻干燥研磨后即得酵母菌或改性酵母菌载纳米零价铁。

优选地，步骤(1)中，所述的酵母菌为面包酵母或酿酒酵母。

优选地，步骤(1)中，所述的化学试剂为质量百分比浓度为0.1～5％的吐温-80溶液、质量百分比浓度为0.5～10％的盐酸溶液、质量百分比浓度为0.5～10％的氢氧化钠溶液、质量百分比浓度为1～20％的乙醇溶液、质量百分比浓度为1～20％的氯化钾溶液和质量百分比浓度为1～20％的氯化钠溶液中的一种或一种以上。

优选地，步骤(2)中所述的酵母菌或改性酵母菌载体质量为0.2～8.0g，所述的铁盐或亚铁盐浓度为0.02～1.43mol·l^-1。

优选地，步骤(3)中所述的还原剂为硼氢化钠或硼氢化钾，所述的硼氢化钠或硼氢化钾溶液的浓度为0.04～2.80mol·l^-1，加入的速率为0.20～1.00ml·min^-1，硼氢化钠或硼氢化钾与fe²⁺或fe³⁺的物质的量比为2～10:1。

优选地，步骤(3)在搅拌或振荡的同时以0.5～0.8ml·min^-1的供气速度往所述溶液中通n2，所述的固液分离为在8000r·min^-1转速下离心10min或采用磁选法进行分离。

本发明的第二个目的是提供一种酵母菌载纳米零价铁，包括酵母菌载体或经过化学处理的改性酵母菌载体及纳米零价铁颗粒。其中所述纳米零价铁颗粒是以硼氢化钠或硼氢化钾为还原剂将酵母菌吸附的fe²⁺或fe³⁺原位还原为零价铁所得。

本发明的第三个目的是提供利用所制备的酵母菌载纳米零价铁去除水体或土壤中的重金属离子污染的方法，其中

在一个具体实施方案中，所去除的重金属离子为cr(vi)，优选的重金属离子浓度为10～100mg·l^-1。

cr(vi)的去除在10ml离心管中进行。依次往10ml比色管中加入4.50ml0.10mol·l^-1磷酸盐缓冲溶液(ph＝6.0)、0.50ml500mg·l^-1cr(vi)溶液和10.0mg酵母菌载纳米零价铁，摇匀后置于25℃水浴中并开始计时，定时取出0.10ml采用1,5-二苯基碳酰二肼法测定cr(vi)的去除率。

本发明的第四个目的是提供利用所制备的酵母菌载纳米零价铁降解水体或土壤中有机污染物的方法，其中

在一个具体实施方案中，所降解的有机污染物是含氯有机化合物，所涉及到的含氯有机化合物包括氯代苯、氯代酚、氯代酸和有机氯类农药等，优选的含氯有机化合物浓度为0.02～0.20mmol·l^-1。

酵母菌载纳米零价铁降解含氯有机化合物的反应在10ml玻璃离心管中进行。将4.00ml浓度为0.02～0.20mmol·l^-1的含氯有机化合物溶液和4.0～40.0mg酵母菌载纳米零价铁混合均匀后，定时取出0.20ml，采用高效液相色谱法测定含氯有机化合物的降解率。

在一个具体实施方案中，所降解的氯代有机物为2,4,6-三氯苯酚，优选0.02～0.20mmol·l^-1的2,4,6-三氯苯酚。

在另一个具体实施方案中，所降解的氯代有机物为2,4-二氯苯酚，优选0.02～0.20mmol·l^-1的2,4-二氯苯酚。

在另一个具体实施方案中，所降解的氯代有机物为2-氯苯酚，优选0.02～0.20mmol·l^-1的2-氯苯酚。

还在另一个具体实施方案中，所降解的氯代有机物为4-氯苯酚，优选0.02～0.20mmol·l^-1的4-氯苯酚。

技术效果

(1)利用稳定且具有一定孔径结构的酵母菌或改性酵母菌为载体、分散剂和稳定剂制备酵母菌载纳米零价铁，制备方法简单，反应条件温和，在室温常压下使用常规仪器便能完成。酵母菌负载既增加了纳米零价铁在空气中的稳定性，又有效减少了物耗、能耗，不产生二次污染，具有可观的经济效益和社会效益。

(2)制备的酵母菌载纳米零价铁能将反应物牢牢限定在酵母菌内，使反应物达到极高的浓度条件，从而加快反应速度。经过化学处理后所得的改性酵母菌比未经处理的酵母菌更适于作为纳米零价铁的载体和稳定剂，改性酵母菌载的纳米零价铁能在空气中稳定3个月，且反应活性更高。

①酵母菌经过化学处理后制得的改性酵母菌载纳米零价铁比未经处理者对去除cr(vi)具有更高的反应活性。在ph为6的0.1mol·l^-1磷酸盐缓冲介质中，10mg改性酵母菌载纳米零价铁在15min内对50mg·l^-1cr(vi)的去除率为100％，等量的酵母菌载纳米零价铁在反应24h后，对cr(vi)的去除率为56.4％。比专利zl201210447511.9公开的蒙脱石负载纳米零价铁具有更高的cr(vi)去除活性：ph为6时，1g·l^-1蒙脱石负载纳米零价铁在40min内对20mg·l^-1cr(vi)的去除率为99％，而2g·l^-1本发明实施例9制备的改性酵母菌载纳米零价铁能在15min内将50mg·l^-1cr(vi)完全去除。

②改性酵母菌载纳米零价铁降解2,4,6-三氯苯酚的反应活性略高于未改性酵母菌负载的纳米零价铁，二者在相同条件下对等量2,4,6-三氯苯酚的降解率分别为54.4％和50.6％。

(3)该酵母菌载纳米零价铁在合成或使用完毕后会自动沉降，便于回收利用。

附图说明

图1为制备的酵母菌及酵母菌载纳米零价铁的扫描电镜图(a,c)和eds图(b,d)。

具体实施方式

下面，本发明将用实施例进行进一步的说明，但是它并不限于这些实施例的任一个或类似实例。

实施例1：

(1)酵母菌培养及处理：如前所述，进行摇瓶培养酵母菌，然后收集并洗涤菌体，冷冻干燥。

(2)准确称取1.0g酵母菌于100ml烧杯中，加入5.0ml0.18mol·l^-1的feso4·7h2o溶液，置于30℃水浴中以200r·min^-1的转速搅拌30min，在3000r·min^-1转速下离心10min，得到吸附有fe²⁺的酵母菌载体。

(3)将步骤(2)得到的吸附有fe²⁺的酵母菌转入250ml三口瓶中，加入5.0ml水，置于30℃水浴中以200r·min^-1的转速搅拌30min，同时以0.5ml·min^-1的速度通入n2。在持续搅拌和在通n2的条件下，通过恒压漏斗以0.8ml·min^-1的速度滴入25.0ml0.25mol·l^-1的nabh4溶液。继续反应1h后取出。在8000r·min^-1条件下离心10min，固体用二次蒸馏水洗涤3次，冷冻干燥研磨后即得酵母菌载纳米零价铁。

实施例2：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例1，除了加入的feso4·7h2o溶液浓度为0.36mol·l^-1。

实施例3：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例1，除了加入的feso4·7h2o溶液浓度为0.72mol·l^-1，nabh4溶液浓度为0.69mol·l^-1。

实施例4：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例1，除了加入的feso4·7h2o溶液浓度为0.90mol·l^-1，nabh4溶液浓度为0.69mol·l^-1。

实施例5：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例1，除了加入的feso4·7h2o溶液浓度为1.07mol·l^-1，nabh4溶液浓度为1.72mol·l^-1。

实施例6：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例1，除了加入的feso4·7h2o溶液浓度为1.43mol·l^-1，nabh4溶液浓度为0.58mol·l^-1。

实施例7：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例6，除了滴入的nabh4溶液浓度为0.25mol·l^-1。

实施例8：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例6，除了滴入的nabh4溶液浓度为0.86mol·l^-1。

实施例9：

酵母菌的培养及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例6，除了所用的载体为改性酵母菌载体，即将常规方法培养酵母菌，离心，洗涤后，重新悬浮在质量百分比浓度为0.5～10％的氢氧化钠溶液中，在40～60℃的温度下以100r·min^-1进行振荡处理24～48小时后，离心、洗涤后，冷冻干燥，得到改性酵母菌载体。

实施例10：

酵母菌的培养及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例9，除了用为质量百分比浓度为0.5～10％的盐酸溶液代替质量百分比浓度为0.5～10％的氢氧化钠溶液。

实施例11：

酵母菌的培养及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例9，除了用质量百分比浓度为1～20％的氯化钠溶液代替质量百分比浓度为0.5～10％的氢氧化钠溶液。

实施例12：

酵母菌的培养及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例9，除了用质量百分比浓度为1～20％的氯化钾溶液代替质量百分比浓度为0.5～10％的氢氧化钠溶液。

实施例13：

酵母菌的培养及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例9，除了用质量百分比浓度为1～20％的乙醇溶液代替质量百分比浓度为0.5～10％的氢氧化钠溶液。

实施例14：

酵母菌的培养及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例9，除了用质量百分比浓度为0.1～5％的吐温-80溶液代替质量百分比浓度为0.5～10％的氢氧化钠溶液。

实施例15：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例9，除了加入的改性酵母菌载体为0.3g,feso4·7h2o溶液浓度为0.129mol·l^-1，nabh4溶液浓度为0.0512mol·l^-1。

实施例16：

培养、处理酵母及酵母菌载纳米零价铁的制备步骤同实施例1，除了加入的酵母菌载体为8.0g,加入的是25.0ml浓度为1.16mol·l^-1的feso4·7h2o溶液和38.5ml浓度为2.80mol·l^-1的nabh4溶液。

应用实施例1：

酵母菌载纳米零价铁去除水体中的cr(vi)。

水体中cr(vi)的去除在10ml离心管中进行。依次往10ml比色管中加入4.50ml0.10mol·l^-1磷酸盐缓冲溶液(ph＝6.0)、0.50ml500mg·l^-1cr(vi)溶液和10.0mg酵母菌载纳米零价铁，摇匀后置于25℃水浴中并开始计时，定时取出0.10ml采用1,5-二苯基碳酰二肼法测定cr(vi)的去除率。

当加入的是10.0mg实施例1中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为10.1％。

当加入的是10.0mg实施例2中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为16.4％。

当加入的是10.0mg实施例3中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为30.3％。

当加入的是10.0mg实施例4中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为46.0％。

当加入的是10.0mg实施例5中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为90.6％。

当加入的是10.0mg实施例6中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为56.4％。

当加入的是10.0mg实施例7中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为50.7％。

当加入的是10.0mg实施例8中制备的酵母菌载纳米零价铁时，24h后，cr(vi)的去除率为78.3％。

当加入的是10.0mg实施例9中制备的酵母菌载纳米零价铁时，5min时，5.00ml50mg·l^-1cr(vi)的去除率为51.3％，10min时为89.0％，15min时为100％。

当加入的是10.0mg酵母菌载体时，24h后，5.00ml50mg·l^-1cr(vi)的去除率为7.7％。

当加入的是10.0mg实施例9中所用改性酵母菌载体时，24h后，5.00ml50mg·l^-1cr(vi)的去除率为15.5％。

通过对比表明，在相同条件下，改性酵母菌载纳米零价铁去除cr(vi)的反应活性高于未改性酵母菌负载的纳米零价铁，前者在15min内对50mg·l^-1cr(vi)的去除率为100％，等量的后者在反应24h后，对cr(vi)的去除率为56.4％。

应用实施例2：

酵母菌载纳米零价铁降解2,4,6-三氯苯酚。

酵母菌载纳米零价铁降解2,4,6-三氯苯酚的反应在10ml玻璃离心管中进行。称取4.0～10.0mg酵母菌载纳米零价铁于10ml离心管中，加入4.00ml0.05～0.10mmol·l^-1的2,4,6-三氯苯酚溶液。充分摇匀后置于30℃空气浴振荡器中进行反应。定时取0.20ml上清液进行hplc检测，采用外标法计算2,4,6-三氯苯酚的降解率。

当加入的是10.0mg实施例8中制备的酵母菌载纳米零价铁时，反应9h后，4.00ml0.10mmol·l^-12,4,6-三氯苯酚的降解率为50.6％。

当加入的是10.0mg实施例16中制备的酵母菌载纳米零价铁时，反应9h后，4.00ml0.10mmol·l^-12,4,6-三氯苯酚的降解率为50.5％。

当加入的是10.0mg实施例9中制备纳米零价铁酵母菌时，反应9h后，4.00ml0.10mmol·l^-12,4,6-三氯苯酚的降解率为54.4％。

当加入的是4.0mg实施例15中制备纳米零价铁酵母菌时，反应12h后，8.00ml0.05mmol·l^-12,4,6-三氯苯酚的降解率为28.8％。

通过对比表明，改性酵母菌载纳米零价铁降解2,4,6-三氯苯酚的反应活性略高于未改性酵母菌负载的纳米零价铁，二者在相同条件下对等量2,4,6-三氯苯酚的降解率分别为54.4％和50.6％。

应用实施例3：

酵母菌载纳米零价铁降解2,4-二氯苯酚。

在10ml玻璃离心管中加入4.0mg实施例15中制备的改性酵母菌载纳米零价铁和8.00ml0.05mmol·l^-1的2,4-二氯苯酚溶液，充分摇匀后置于30℃空气浴振荡器中进行反应。反应10h后，2,4-二氯苯酚的降解率为18.0％。

应用实施例4：

酵母菌载纳米零价铁降解4-氯苯酚。

在10ml玻璃离心管中加入4.0mg实施例15中制备的改性酵母菌载纳米零价铁和8.00ml0.05mmol·l^-1的4-氯苯酚溶液，充分摇匀后置于30℃空气浴振荡器中进行反应。反应16h后，4-氯苯酚的降解率为7.0％。

应用实施例5：

酵母菌载纳米零价铁降解2-氯苯酚。

在10ml玻璃离心管中加入4.0mg实施例15中制备的改性酵母菌载纳米零价铁和8.00ml0.05mmol·l^-1的2-氯苯酚溶液，充分摇匀后置于30℃空气浴振荡器中进行反应。反应12h后，2-氯苯酚的降解率为11.0％。