一种生物表面活性剂改性磁性膨润土的方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于资源利用与环境保护领域，特别涉及一种生物表面活性剂改性磁性膨润土的方法及其在含铀废水处理中的应用。
【背景技术】
[0002]随着我国国民经济和社会的快速发展，新能源的开发和利用越来越重要。核能一种作为清洁能源，其大规模建设已陆续重启，数量众多的核电站在为国民经济提供动力的同时，也需消耗大量的核燃料。铀作为核燃料的主要成分，其采冶的规模也将越来越大。铀是一种放射性元素，因其半衰期较长而受广泛关注，而且可以通过采矿作业、核试验、核燃料、核武器和意外泄露等方式释放到土壤、沉积物和地下水中，造成土壤和地下水中的铀污染，危害人类赖以生存的环境。工业中使用的铀和采矿业造成高浓度的铀污染，对环境和人的身体健康都是很大的威胁。世界卫生组织在2004年建立关于饮用水中铀的标准:最大含量不得超过15yg/L。然而，最新的调查研究表明在全世界范围内饮用水中铀的最大含量应低于lOyg/L或者5yg/L更为合理，这对铀矿开采和核燃料的生产提出了更高的要求。然而，以目前的工艺条件、技术和方法，在铀矿开采和核燃料的生产过程中产生的废水中低含量铀仍然得不到充分的处理，最终的排出水中含铀浓度高达0.1?0.2 mg/L，是我国国家规定的允许排放浓度的12.5?25倍，更是天然水体中浓度的2000?4000倍。因此，开展铀污染防治研究，尤其是含铀废水处理研究也已迫在眉睫。
[0003]目前，我国处理含铀废水的方法主要有化学沉淀法、混凝沉淀法、萃取法、氧化还原法、沉降-结晶法、凝结-絮凝法、膜分离法、蒸发浓缩法、离子交换法、浮选法、电化学处理法、渗析法、反渗透法和吸附法。但是上述处理含铀废水的方法均存在一些问题，如容易造成二次环境污染，后续工艺复杂，成本高、效率低等。吸附法则依靠吸附剂上密集的孔结构、较大的比表面积，或者利用吸附剂表面上的各种活性基团与吸附质之间所形成的各种化学键，可以选择性地富集分离含铀废水中的铀酰离子，从而达到去除废水中铀的目的，也被认为是一种极具应用前景的方法，能克服其他传统方法的诸多不足。吸附法的关键是寻找成本低、吸附性能好并且容易获得的，可以循环利用的资源节约型、环境友好型的吸附剂已经成为一个主要的研究重点，也是我国环境修复科技工作者亟需进行的紧迫任务。
[0004]膨润土是一种广泛存在于地球表层的含水层状硅酸盐矿物，其资源储量丰富，价格低廉。由于其特殊的二维纳米片层结构、较强的表面反应活性，而且化学性质相当稳定，膨润土不仅在地质过程中与自然界多种元素和分子的迀移密切相关，还在污水处理、重金属污染土壤修复等污染控制领域具有广阔的应用前景。
[0005]但是天然的膨润土对含铀废水中铀的去除能力十分有限，可以通过对其进行功能化改性提高其去除能力。目前关于膨润土的功能化改性方法有很多，主要是使用有机/无机化学试剂，而采用生物表面活性剂对膨润土改性的研究鲜有报道。与一般的化学表面活性剂相比，生物表面活性剂由于其对环境的友好性、生物可降解、低毒和高乳化性、选择性等显著特点而成为当前改性吸附材料的最有应用前景的选择。
[0006]对于一种吸附剂而言，其粒径越小比表面积越大，对含铀废水中铀的吸附能力越强。但是粒径越小的吸附剂吸附铀离子后，将悬浮于含铀废水中的时间就越久，这样就很难以快速分离回收，从而影响其循环利用。磁性吸附材料不仅可以有效去除含铀废水中的铀，而且可以通过外磁场的作用快速从含铀废水中分离出来，从而实现吸附材料对铀的高选择性、高吸附性与磁性分离特性的相结合。磁性氧化铁作为一种制备简单的磁性材料已经成为许多研究人员的研究对象，以磁性氧化铁作为辅助材料制备集吸附-磁性分离于一体的磁性吸附材料已经成为近年来废水处理领域的一个研究热点。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术中的问题，本发明将功能化改性方法与磁性技术相结合，首先将秸杆和谷壳埋入农田土壤进行堆肥，从堆肥中富集培养和驯化生物表面活性剂产生菌株，继续发酵培养，使用二氯甲烷对发酵液进行重新悬浮，过滤、抽取，离心，收集沉淀，得到纯化的生物表面活性剂。并将其代替传统的化学表面活性剂，对磁性膨润土进行改性，制备得到一种资源节约、环境友好的吸附剂，并将其应用于含铀废水处理中。
[0008]具体步骤如下:
(I)生物表面活性剂的制备
采用稻谷秸杆和谷壳作为堆肥的初始物料，埋入农田土壤中，并同时添加树枝皮作为填充剂，改善堆体的孔隙度。在4?5 °C下培养7 d后，保存待用。取10 g堆肥样品置于装有90 mL无菌水的250 mL三角瓶中振荡25 min后，静止30 min，得到土壤悬液。吸取2 mL土壤悬浮液接种到富集培养基中，放入温度为25 °C、转速为220 r/min的恒温培养箱中进行振荡培养3?5 d。吸取上述I mL富集培养液接种于发酵培养基中，放入温度为30 °C、转速为220 r/min的恒温培养箱中进行振荡培养，直到观测到乳化现象后。取I mL稀释至10—3之后，以该稀释发酵液I mL涂布于平板培养基上，于37 °C恒温静置培养2?3 d。挑选平板长势良好的菌落进行划线分离，按照上述方法进行再次发酵培养、驯化2次，即可得到驯化后的菌株。
[0009]将驯化后的菌株在富集培养液中继续培养Id后，吸取I mL菌液接种于发酵培养基中，调节pH值，在一定温度下转速为200 r/min的恒温培养箱中，继续进行振荡培养一段时间后，取出发酵液，离心，收集絮状沉淀，再使用二氯甲烷进行重新悬浮，过滤、抽取，离心，收集沉淀，常温自然晾干即为纯化后的生物表面活性剂。
[0010](2)生物表面活性剂改性磁性膨润土
称取一定质量的膨润土装入500 mL三口烧瓶中，分别加入100 mL去离子水和120 mL的乙二醇、60 mL聚乙二醇组成的混合溶剂，超声分散处理I h，以形成均匀的膨润土悬浮液。随后加入一定质量的FeCl3.6H20和一定质量的FeSO4.7H20，超声分散溶解后通入N2保护反应体系，并将三口烧瓶放入恒温水浴箱，于70 °C恒温磁力搅拌反应2 11，使用0.5 mol/L的NaOH溶液调节反体系pH为10后，待混合液颜色逐渐变为黑色后再继续反应30 min后结束反应。混合液经10000 r/min离心30 min后得到最终产物，洗涤至中性，放入真空干燥箱干燥8 h，得到磁性修饰膨润土。
[0011]将一定质量上述得到的磁性修饰膨润土装入250mL的烧杯中，加入100 mL去离子水，室温下超声分散2 h后，使用0.lmol/L的HCl溶液和NaOH溶液调节体系pH值为7。再向烧杯中加入一定质量的上述制备得到的生物表面活性剂，随后加入50 mL无水乙醇和质量浓度为35%浓盐酸进行超声分散，使其均匀分散在磁性修饰膨润土的悬浮液中。然后将烧杯置于45 °C的恒温水浴箱中磁力搅拌3 h，随后使之静止沉降，取上清液，经8000 r/min离心15 min后，再分别用无水乙醇和去离子水洗涤3次，60 °(:真空干燥2.5 h，即得到一种生物表面活性剂改性磁性膨润土吸附剂。
[0012](3)生物表面活性剂改性磁性膨润土吸附剂对铀的吸附
量取50 mL不同浓度的铀标准溶液，装入于150 mL的锥形瓶中，随后加入一定质量的上述制备得到的生物表面活性剂改性磁性膨润土吸附剂，调节溶液的PH值。然后将其放入50°C恒温水浴箱中进行恒温振荡。待吸附反应完成后，使用8000 r/min的离心机进行分离15min，取上清液并采用三氯化钛还原/钒酸铵氧化滴定法测定铀的剩余浓度，并根据吸附前后溶液中铀的浓度计算生物表面活性剂改性磁性膨润土吸附剂对铀的吸附率P (%)。
[0013]本发明所述的生物表面活性剂的制备中富集培养基，其组成为氯化钾1.5g;硫酸钱12 g;氯化钠1.2 g;七水硫酸亚铁3 X 10—5 g;磷酸氢二钾3.5 g;三水磷酸氢二钾0.65g;EDTA 1.1 g;酵母浸膏0.6 g;植物油5 g;去离子水1000 mL。
[0014]本发明所述的生物表面活性剂的制备中发酵培养基，其组成为氯化钾1.5g;硫酸钱12 g;氯化钠1.2 g;七水硫酸亚铁3 X 10—5 g;磷酸氢二钾3.5 g;三水磷酸氢二钾0.65g;硫酸镁0.6 g;氯化妈0.25 g;硫酸锌0.3 g;硫酸铜0.3 g；EDTA 1.1 g;酵母浸膏0.6 g；植物油5 g;去离子水1000 mL。
[0015]本发明所述的生物表面活性剂的制备中平板培养基，其组成为葡萄糖20g;蛋白胨5 g;酵母浸膏0.25 g;琼脂20 g;去离子水1000 mL。
[0016]本发明所述的生物表面活性剂的制备中驯化后的菌株发酵培养是在温度25?35°C，pH