一种基于微生物矿化技术的包膜型缓释材料、及其制备方法技术

本发明专利技术属于重金属污染治理技术领域，尤其公开了一种能够实现尿素缓释的基于微生物矿化技术的包膜型缓释材料及其制备方法。该包膜型缓释材料以尿素颗粒作为芯材，并通过以脲酶微生物

【技术实现步骤摘要】
一种基于微生物矿化技术的包膜型缓释材料、及其制备方法


[0001]本专利技术属于重金属污染治理
，具体来讲，涉及一种能够实现尿素缓释的基于微生物矿化技术的包膜型缓释材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]微生物矿化是自然界中普遍存在的一种现象，是指某些微生物能够利用自身的新陈代谢活动生成多种矿物结晶的过程。微生物矿化技术由于其过程中无需添加大剂量的沉淀剂，同时伴有生物体代谢、细胞、有机质的参与，和传统化学胶结矿化技术相比，其具有绿色无污染、生态相容性好等优点。
[0003]随着微生物矿化技术的兴起，近年来该技术已被提出应用于处理重金属污染废水，称为微生物诱导碳酸钙沉淀技术(MICP)。该技术是指在微生物参与下，重金属离子从环境中选择性地沉淀在特定有机质上，在生物大分子的调控和诱导作用下，形成矿物的过程。该过程依靠胞外聚合物(EPS)与金属离子之间的静电作用，将金属离子固定，并最终在生物控制、影响下完成重金属离子向固相矿物的转变。如目前有相关研究中报道了利用一种产脲酶菌(巴氏芽孢八叠球菌)来分解尿素产生碳酸根，通过产生的碳酸根与重金属离子形成不可溶的碳酸盐沉淀，从而达到去除中金属的效果。
[0004]以往MICP技术应用固定重金属过程中，选取MICP所需的微生物菌种进行活性培养；将菌液与胶结液(由氯化钙和尿素组成)均匀混合，将其作用在待处理的重金属污水中，检测去除重金属效果。但是，当前这种MICP技术通常是基于过量尿素溶解在污水中，这就会导致在将菌种与尿素混合物添加到待处理污水之前，尿素在脲酶作用下已经开始提前水解，造成固定重金属效果变低，也即存在尿素过度浪费、尿素在环境中被提前水解的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决目前MICP技术应用于水体中重金属污染治理时所存在的尿素因直接投放污水而提前分解、造成过度浪费的问题，本专利技术的专利技术人在对MICP技术长期研究的基础之上对该类材料的结构进行了改进，提供了一种包膜型缓释材料。该包膜型缓释材料能够在重金属污水中应用时才缓释出尿素，避免直接投放尿素而造成的尿素提前水解的问题，避免尿素浪费，提升治理效率。
[0006]具体地，本专利技术提供了下述技术方案：
[0007]一种基于微生物矿化技术的包膜型缓释材料，其包括以尿素颗粒为材料的芯部、包覆在该芯部外表的以脲酶微生物
‑
多糖聚合物复合物为材料的内包膜层、以及包覆在该内包膜层外表的以碳酸钙为材料的外包膜层。
[0008]具体地，在该包膜型缓释材料中，芯部材料除了尿素颗粒外，会存在少许因尿素与脲酶微生物接触而被分解产生的碳酸根，但是，因该部分结构几乎为无水环境，上述因二者接触而被分解的尿素的量是极少的。
[0009]与此同时，作为外包膜层的材料的碳酸钙，也主要是由上述因部分尿素被分解产
生的碳酸根而形成的，该形成的碳酸钙即以包覆有芯部的内包膜层颗粒物作为成核位点，而覆盖沉积在该内包膜层外表，形成了外包膜层。
[0010]如此，易于分解的尿素颗粒即被双层包膜包覆在内部，即便与具有脲酶微生物的内包膜层相接触，几乎无水的环境也不会导致其过早被大量分解；同时最外层通过致密坚硬的碳酸钙外包膜层进行包覆，可以使MICP技术中发挥作用的几种有效成分(尿素、脲酶微生物)均保持原始状态而不被分解。而当该包膜型缓释材料应用至含有重金属的污水中时，通常呈酸性的重金属污水可破坏上述外包膜层的碳酸钙结构，而将内部的尿素颗粒及脲酶微生物进行缓慢释放。此时，脲酶微生物代谢产生脲酶，而尿素在水性环境中即在脲酶的作用下首先水解成氨及氨基甲酸，氨基甲酸再自发水解成氨及碳酸，污水中的重金属离子与尿素水解后产生的碳酸根离子反应生成碳酸盐沉淀，从而降低重金属离子的迁移性，完成重金属固定过程。
[0011]进一步地，上述尿素颗粒呈粒径为2mm～5mm的球状。
[0012]进一步地，上述脲酶微生物是具有高脲酶活性的巴氏芽孢杆菌，当然，也可以是任意目前已知可应用至MICP技术中的其他脲酶微生物；上述多糖聚合物选自海藻酸钠、纳米纤维素、琼脂、黄原胶中的至少一种。
[0013]进一步地，在上述包膜型缓释材料中，芯材的质量占比为80％～95％，而内包膜层和外包膜层的总质量占比为5％～20％。
[0014]本专利技术提供的上述包膜型缓释材料，采用下述方法来制备获得：
[0015]步骤S1、将脲酶微生物溶液加入多糖聚合物溶液中，制备脲酶微生物
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多糖聚合物混合液；
[0016]步骤S2、将尿素颗粒和脲酶微生物
‑
多糖聚合物混合液进行包衣处理，并进行干燥，形成由以尿素颗粒为材料的芯材、和包覆在芯材外表面的以脲酶微生物
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多糖聚合物复合物为材料的内包膜层组成的单层包膜中间体；
[0017]步骤S3、将上述单层包膜中间体置于含钙矿化液中进行矿化反应，在内包膜层的外表面形成以碳酸钙为材料的外包膜层，获得包膜型缓释材料。
[0018]具体地，在上述步骤S1中，脲酶微生物溶液与多糖聚合物溶液的体积比为1:20～20:1。
[0019]进一步地，脲酶微生物溶液的脲酶活性为2U/mL～20U/mL(1U表示1min内该溶液中脲酶分解尿素释放的氨基氮的量)。
[0020]具体地，在上述步骤S2中，可基于包衣机并采用下述方式来进行包衣处理：选用工业用球状颗粒尿素置于包衣机的包衣锅中，将脲酶微生物
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多糖聚合物混合液置于包衣机的加料桶中，打开喷枪喷射脲酶微生物
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多糖聚合物混合液，当球状尿素表面附着一层溶胶状液体时，停止喷射直至球状尿素表面干燥为止，即获得上述单层包膜中间体。
[0021]进一步地，在上述步骤S2中，尿素颗粒与脲酶微生物
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多糖聚合物混合液的用量比例为每kg尿素颗粒对应100mL～300mL脲酶微生物
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多糖聚合物混合液。
[0022]具体地，在上述步骤S3形成外包膜层的过程中，一方面，将上述单层包膜中间体放置于含钙矿化液中进行矿化反应，含钙矿化液中含有的钙离子同包衣(即内包膜层)中的多糖聚合物发生交联反应，形成凝胶将脲酶微生物固定在包衣中，防止流失；另一方面，包衣中含有的脲酶微生物产生的具有脲酶活性的脲酶菌水解芯部的尿素产生碳酸根，同含钙矿
化液中的钙离子反应形成不溶的碳酸钙附着在该单层薄膜中间体外表，形成外包膜层。
[0023]进一步地，上述含钙矿化液可以是氯化钙溶液、硝酸钙溶液、醋酸钙溶液等水溶性含钙溶液中的任意一种、或至少两种的混合液；其中，钙离子的浓度为0.1mol/L～2mol/L。
[0024]进一步地，上述含钙矿化液的用量为其与尿素颗粒的体积之比为1:1～10:1。
[0025]本专利技术通过简单的包衣技术，即实现了对尿素颗粒的第一次包覆，并借助第一次包覆过程中生成的碳酸根进行矿化处理，即实现了第二次包覆，仅在将获得的包膜型缓释材料应用至酸性含重金属污水中时，才得以破本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微生物矿化技术的包膜型缓释材料，其特征在于，包括以尿素颗粒为材料的芯部、包覆在所述芯部外表的以脲酶微生物
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多糖聚合物复合物为材料的内包膜层、以及包覆在所述内包膜层外表的以碳酸钙为材料的外包膜层。2.根据权利要求1所述的包膜型缓释材料，其特征在于，所述尿素颗粒呈粒径为2mm～5mm的球状。3.根据权利要求1所述的包膜型缓释材料，其特征在于，所述脲酶微生物为巴氏芽孢杆菌，所述述多糖聚合物选自海藻酸钠、纳米纤维素、琼脂、黄原胶中的至少一种。4.根据权利要求1～3任一所述的包膜型缓释材料，其特征在于，在所述包膜型缓释材料中，所述芯材的质量占比为80％～95％，所述内包膜层和所述外包膜层的总质量占比为5％～20％。5.如权利要求1～4任一所述的包膜型缓释材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、将脲酶微生物溶液加入多糖聚合物溶液中，制备脲酶微生物
‑
多糖聚合物混合液；S2、以所述脲酶微生物
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多糖聚合物混合液为包衣料，对尿素颗粒进行包衣处理，形成单层包膜中间体；其中，所述单层包膜中间体...

【专利技术属性】
技术研发人员：成亮，张超群，曾海鹏，王胜，庄琛，
申请(专利权)人：南通南京大学材料工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：