一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法及其产物与应用技术

本发明专利技术公开了一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法及其产物与应用。本发明专利技术通过在硫酸亚铁溶液中加入β

【技术实现步骤摘要】
一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法及其产物与应用


[0001]本专利技术属于水处理吸附材料
，具体涉及一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法及其产物与应用。

技术介绍

[0002]重金属污染广泛存在于矿山开采、机械加工、金属冶炼、表面处理等行业。工业生产中产生了大量的废水，未经适当处理就排入地表水和地下水中。重金属污染可通过多种途径对环境和人体健康产生长期的毒性。目前重金属污染废水处理的主要技术有混凝
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絮凝、膜处理、化学沉淀、离子交换、吸附等。然而，诸如处理效率低、成本高和缺乏选择性等限制使得这些工艺不切实际。吸附作用以其简单、方便、去除效率高等特点引起了人们越来越多的关注。在广泛使用的吸附剂中，纳米铁氧化物、铝氧化物和锰氧化物等金属氧化物被认为是去除重金属的理想吸附剂。铁基吸附材料因其巨大的储量、简便的合成和环境友好性使成为应用最广泛的吸附剂，且低成本的铁基材料已经引起了全世界越来越多的关注。施氏矿物(Fe8O8(OH)8‑
2x
(SO4)
x
·
nH2O是在酸性、富含硫酸盐的水中形成的一种赭色的羟基铁硫酸盐次生矿物，具有高比表面积、表面反应活性和隧道结构，且无生物毒性，具有环境友好的优点等特点，对环境中重(类)金属的迁移和钝化有着重要影响。因而倍受地质学家和地球化学工作者的关注。
[0003]施氏矿物通常只存在于极端酸性富Fe、富SO
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的矿山排水环境中，成矿的环境条件窗口窄、产率低。目前，通过人工合成方法主要有双氧水氧化法(化学快法)、透析法(化学慢法)和微生物法。如中国专利技术专利CN110713224B(CN201910958408.2)公开了一种透析法制备施氏矿物的方法，它是先将合成体系在50
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70℃保温，然后常温透析7天得到接近自然环境下形成的海胆状具有毛刺结构的施氏矿物；但H2O2快速氧化仅需1d便可得400～500nm的球形施氏矿物(Loan et al.,2005)；而氧化亚铁硫杆菌氧化FeSO4在约3d后便可以得到的粒径约2μm的海胆状施氏矿物。现有合成方法存在的问题主要有：透析法合成周期太长，需要大量去离子水，在工程应用上不切实际；虽然H2O2快速氧化法速度快，但获得的矿物未观察到典型的海胆状毛刺结构，对污染物的吸附去除能力明显弱于毛刺状施氏矿物。微生物氧化法可获得微观形貌(海胆状)接近自然环境下成矿的施氏矿物，但微生物合矿周期较长，矿物颗粒团聚严重，比表面积小，限制了其对污染物的最大化去除。此外，李浙英等人(环境科学学报,2011,31(3):460
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467；环境科学学报,2011,31(5):912
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918)也发现与化学合成施氏矿物相比，微生物合成的施氏矿物因其毛刺的微观结构对污染物具有更高的吸附容量，且生物成矿比化学氧化法铁沉淀率更高。因此，微生物成矿作为一种有效、可持续、低成本的铁基材料合成方法，近年来受到越来越多的关注。但通过微生物方法合成的施氏矿物通常以微米级的球形聚集体形式呈现，由于较大的球形结构，内部反应区将受到保护而导致其比表面积减小，导致其吸附能力不能最大化应用。因此研究人员致力于改造生物合成的施氏矿物提高吸附活性和吸附容量。所采取的措施主要集中在控制pH、温度、形成时间
和培养基等环境因素。然而，这些措施并不能有效地调节施氏矿物的结构。同时吸附剂在处理废水中(类)金属时受pH的影响较大，在酸性条件下吸附效果比中性环境差，施氏矿物也是如此。于是本专利技术想通过添加晶种(为施氏矿物的形成提供更多的表面位点)来温和且非生物致命的方法来改善生物合成施氏矿物的性能。
[0004]一般来说，晶种需要提供足够的表面(即生长位点)用于生长，因此常采用较小的晶体颗粒作为晶种，而非常少量的大晶体在晶化过程中往往较难起到显著的效果。根据施氏矿物合成的条件，所需晶种还需要酸性条件下稳定，比表面积大、颗粒粒度均匀、适宜，性价比高，具有固定的内部结构，和施氏矿物结构和成分类似，对Fe(III)和SO
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有一定的吸附能力。因此，我们首先考虑到普遍存在于自然环境中铁氧化物，主要包括铁的氧化物与铁的氢氧化合物(也称之为羟基氧化铁，FeOOH)。其中FeOOH具有较大的比表面积、较稳定的理化性质和特殊的结构特征等优点，对环境中的污染物的治理起着重要的净化作用。目前关注的FeOOH主要为针铁矿(α
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FeOOH)、四方纤铁矿(β
‑
FeOOH)、纤铁矿(γ
‑
FeOOH)。其中，四方纤铁矿(β
‑
FeOOH)是在富含氯离子和铁环境中形成的纳米颗粒，在富含氯的地带和酸性矿山废水中也曾发现它的存在。β
‑
FeOOH具有与施氏矿物类似的隧道结构结，结构中包含着共用边的双链八面体，共边八面体与相邻的链共用角，形成平行于c轴的通道。β
‑
FeOOH为纳米颗粒，具有无毒性、低成本、在酸性条件下具有良好的稳定性等优点。因此，在β
‑
FeOOH特定官能团(大量的羟基)的诱导作用下，无机物可能会迁移、富集、转化并形成次生矿物。形成的施氏矿物的性质将随着β
‑
FeOOH的添加剂量而变化。在此基础上，本专利技术系统研究了β
‑
FeOOH作为晶种介导生物合成纳米级施氏矿物的可行性。我们的目的是在生物合成系统中调节施氏矿物的形态、结构和表面性质，增加官能团的数量，提高其对重金属的反应活性。该专利技术为生物合成的高性能吸附剂做出了贡献，对深化施氏矿物生物合成的认识具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中，生物合成施氏矿物产率不高、周期长的问题，本专利技术的目的之一是提供一种高产率的施氏矿物的合成方法；且可以缩短生物合成施氏矿物的周期。本专利技术目的之二是为了增强施氏矿物去除酸性废水中五价砷和六价铬的性能。利用本专利技术制备的施氏矿物产量高，合成周期短，成本低廉，对水体中As(V)和Cr(VI)污染治理效果好，可应用于采矿等工业废水的治理。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法，包括以下步骤：
[0008](1)在硫酸亚铁溶液中加入β
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FeOOH纳米晶种溶液，然后加入A.ferrooxidans休止细胞悬浮液，得混合液；
[0009](2)将步骤(1)的混合液置于25～30℃培养42
‑
72h，培养结束后；矿物沉淀洗涤、冷冻干燥、过筛，得添加外源晶种介导合成的施氏矿物。
[0010]优选的，步骤(1)所述A.ferrooxidans休止细胞悬浮液中A.ferrooxidans的密度为1
×
108～3
×
108cells/ml；更优选的密度为1
×
108cells/ml。
[0011]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在硫酸亚铁溶液中加入β
‑
FeOOH纳米晶种溶液，然后加入A.ferrooxidans休止细胞悬浮液，得混合液；(2)将步骤(1)的混合液置于25～30℃培养42
‑
72h，培养结束后；矿物沉淀洗涤、冷冻干燥、过筛，得添加外源晶种介导合成的施氏矿物。2.根据权利要求1所述的一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法，其特征在于，步骤(1)所述A.ferrooxidans休止细胞悬浮液中A.ferrooxidans的密度为1
×
108～3
×
108cells/ml；所述β
‑
FeOOH纳米晶种溶液的浓度为0.001～0.1g/mL。3.根据权利要求1所述的一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法，其特征在于，步骤(1)所述混合液中硫酸亚铁的浓度为20～160mMol/L；所述β
‑
FeOOH纳米晶种溶液和混合液的体积比为2～128：:1000；所述A.ferrooxidans休止细胞悬浮液和混合液的体积比为1:50～100。4.根据权利要求1所述的一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法，其特征在于，步骤(2)所述培养在150～200r/min摇床中培养；所述洗涤为去离子水洗涤；所述冷冻干燥的温度为
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30～
‑
45℃，时间为12～36h；所述过筛为过100～200目筛。5.根据权利要求1所述的一种添加外源晶种介导施氏矿物的生物合成方法，其特征在于，步骤(1)所述β
‑
FeOOH纳米晶种溶液的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：党志，江锋，易筱筠，薛潮，阳月贝，王衡，曾丽娟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：