用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高分子纳米复合材料技术领域，具体涉及温度响应纳米复合物与微生 物复合的制备方法及在苯酚降解上的应用。
【背景技术】
[0002] 苯酚是常见化工原料，随着国家经济的发展，化学工业的扩张，苯酚已成为污水中 常见的污染物之一，在污水处理中，去除苯酚也成为常规任务。由于苯酚在水中溶解性较 高，因此含有苯酚的废水被认为最难处理的废水之一。目前，处理含苯酚废水的方法主要有 吸附，化学氧化以及生物法等。其中，微生物能够将苯酚降解为二氧化碳和水，不会产生二 次污染，因此生物法被公认为最为经济有效的处理手段。但是，相比于吸附法，生物降解的 处理的速度较慢。这是因为，除了较长时间的生物代谢过程之外，微生物周围的苯酚浓度与 整个水体环境的浓度相同，因此微生物从周围环境中摄取苯酚也将会耗费较长的时间；同 时，为了避免微生物群落对环境造成新的不利影响，人们会控制微生物的投放与生长。
[0003] 近些年来，纳米技术的发展给废水的治理带来了新的机遇。纳米粒子的小尺寸效 应以及特殊的光电性能被广泛的应用于废水的处理。纳米粒子尺寸较小，因此具有较大的 比表面积，从而具有较强的吸附能力。为了进一步增加纳米粒子的吸附能力，一大批介孔纳 米材料被用于废水的处理。但是，普通的介孔纳米粒子，很难达到自动脱附的目的，因此很 难重复利用；另外，吸附法的另一项缺点就是很难能够彻底吸附掉一定浓度的含酚废水，一 旦达到吸附平衡，将不会吸附水体中的苯酚分子；并且介孔纳米粒子的投放量需要很大，远 超过吸附对象，才会有吸附效果。这些都限制了吸附法的应用。
[0004] 将微生物与介孔纳米材料连用可以增加微生物的活性，发挥两者的优势；其中微 生物纳米粒子复合体系的设计是两者能够发挥功效的关键，复合体系的设计不仅影响复合 体系的稳定性，更涉及微生物与纳米粒子功能的发挥。中国专利申请CN102603083A提供一 种以真菌等微生物为连续相基体、纳米材料为分散相的能够有效去除水中有机物的生物纳 米复合材料；利用微生物表面的活性基团与纳米材料有机的整合，从而获得能有效去除水 中有机物且易于回收的生物纳米复合材料。但是其制备方法过于复杂，并且未发挥微生物、 纳米材料的协同作用，很难推广。
[0005] 在水体环境因素一定的情况下，复合体系内部的稳定性、协同性以及表面特性对 其处理活性有着重要的影响；同时对于苯酚水处理剂而言，还需要具有脱吸附的功能。
【发明内容】
[0006] 本发明目的是提供一种用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法， 由此将多孔纳米粒子接枝到微生物表面，制备出高效稳定的苯酚处理剂，以实现其在含苯 酚水处理方面的应用。
[0007] 为达到上述发明目的，本发明采用的具体技术方案是： 一种用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系的制备方法，包括以下步骤： (1) 将中空多孔纳米粒子加入含有硅烷与酸酐的有机溶剂A中，搅拌，得到表面修饰的 中空多孔纳米粒子； 所述有机溶剂A为二甲基甲酰胺或者二甲亚砜；所述硅烷、酸酐、中空多孔纳米粒子的 质量比例为2 : 1 : 0. 1 ; (2) 将表面修饰的中空多孔纳米粒子加入含有N-异丙基丙烯酰胺、功能单体、交联剂 与引发剂的有机溶剂B中，搅拌；然后离心处理、除去上清，将得到的沉淀再分散至有机溶 剂B中，氮气气氛下，于60?90°C反应7?9h，离心，沉淀真空干燥得到接枝聚合物的中空 多孔纳米粒子； 所述有机溶剂B为二甲基甲酰胺或二甲亚砜；所述功能单体为丙烯酰胺或者甲基丙烯 酸；所述交联剂为二乙烯基苯或者N，N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为偶氮二异丁腈或 过氧化苯甲酰；所述N-异丙基丙烯酰胺、功能单体、交联剂、引发剂、表面修饰的中空多孔 纳米粒子的质量比例为1 : 1 : 0.01 : 1; (3) 将接枝聚合物的中空多孔纳米粒子分散至磷酸缓冲溶液中，然后加入1-(3-二甲 氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺，搅拌后离心处理，沉淀为活化的中空多 孔纳米粒子；所述1-(3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、接枝聚合 物的中空多孔纳米粒子的质量比例为2 : I : 1; (4) 将细菌分散至磷酸缓冲溶液中；然后加入活化的中空多孔纳米粒子，震荡得到用于 降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系；所述细菌为恶臭假单胞菌或脱氮副球菌。
[0008] 上述技术方案中，所述中空多孔纳米粒子为中空多孔四氧化三铁或中空多孔二氧 化硅，其粒径为50?500nm。
[0009] 上述技术方案中，所述有机溶剂A为二甲亚砜；所述硅烷为γ-氨丙基三乙氧基硅 烷；所述酸酐为丁二酸酐。
[0010] 上述技术方案中，步骤（1)中，搅拌5?7小时后经过离心处理，沉淀干燥后得到 表面修饰的中空多孔纳米粒子。
[0011] 上述技术方案中，步骤（2)中，所述有机溶剂B为二甲亚砜；所述功能单体为甲基 丙烯酰胺；所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为偶氮二异丁腈。
[0012] 上述技术方案中，步骤（2)中，搅拌12?24小时；单体与引发剂小分子有效进入 到纳米粒子空腔内。
[0013] 上述技术方案中，步骤（3)中，搅拌10?20分钟；有效活化接枝聚合物的中空多 孔纳米粒子。
[0014] 上述技术方案中，步骤（4)中，细菌与活化的中空多孔纳米粒子质量比为I : 1 ;震 荡1?3 h〇
[0015] 上述技术方案中，细菌为恶臭假单胞菌或脱氮副球菌，为现有产品；本发明将含有 细菌的LB培养基（0D600=1. 5)离心得到细菌，含有细菌的LB培养基无特殊要求，菌种购于 中国工业微生物菌种保藏管理中心；磷酸缓冲溶液亦为现有技术，可市购或自行配制。
[0016] 通过上述方法可以成功将纳米粒子接枝到微生物表面，得到用于降解苯酚的微生 物与纳米粒子复合体系。
[0017] 本发明将修饰后的纳米复合粒子与微生物复合，一方面能够通过微生物达到降解 作用彻底代谢掉废水中的苯酚；另一方面，通过修饰后的纳米复合物在不同刺激条件下的 吸附与解吸附过程，增加了微生物周围的苯酚浓度，从而加速整个微生物代谢过程。通过化 学键将细菌与纳米粒子相结合，相比于传统的挂膜技术，更加提高了复合系统的稳定性。因 此本发明的产品可以用于处理污水，所以本发明还公开了上述用于降解苯酚的微生物与纳 米粒子复合体系在制备污水处理剂中的应用。
[0018] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点： 1.本发明首次将中空多孔纳米粒子通过化学键接枝到微生物表面，制备了微生物与 纳米粒子复合体系；将该复合体系用于处理污水，能够将废水中的苯酚降解至零左右，而且 降解之后的产物为二氧化碳和水，因此不会产生二次污染。
[0019] 2.本发明得到的微生物与纳米粒子复合体系中，接枝多孔纳米粒子一方面可以 增加纳米粒子的苯酚吸附量，另一方面可以在不同温度下实现苯酚在纳米粒子上的吸附与 解吸附，克服了现有吸附材料在水处理领域脱吸附困难的缺陷。
[0020] 3.本发明将纳米粒子与微生物复合，在室温情况下，复合体系能够从污水中吸附 苯酚，而在较高温度下又能够将吸附的苯酚分子释放，通过这一个过程，可以使细菌周围的 相对苯酚浓度增加，从而加快其代谢过程；通过不同温度下纳米粒子对苯酚的吸附与解吸 附，增加了微生物周围的苯酚浓度，从而加快整个生物降解过程，大大提高了细菌活性，与 纯微生物处理相比，处理同样苯酚的时间降为不到60%;最大限度的发挥了两种材料的协 同作用，可以完全、快速的清除污水中的苯酚，取得了意想不到的效果。
[0021] 4.本发明公开、的制备方法简单，制备的微生物与纳米粒子复合体系结构稳定， 能够有效地代谢掉废水中的苯酚，大大拓展了污水处理剂的应用。
【附图说明】
[0022] 图1为实施例一中TRPOHMS的透射电镜照片图； 图2为实施例一中BacteriaOTRPOHMS的扫描电镜照片图； 图3实施例二中TRP0HMS的吸附以及在不同温度下的解吸附情况图； 图4为实施例三中单纯细菌以及细菌与纳米粒子复合物代谢苯酚的情况图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述： 实施例一用于降解苯酚的微生物与纳米粒子复合体系 (1)将聚合物引入到中空多孔二氧化硅（HMS) 2ηι1γ-氨丙基三乙氧基娃烧与0.8 g丁二酸酐溶解至IOml二甲亚砜中，然后将50 mg， 中空多孔二氧化硅（HMS)分散至此溶液中，常温下搅拌5h，离心，沉淀真空干燥得到表面修 饰的中空多孔二氧化硅HMS-COOH ;得到的HMS-COOH纳米粒子分散至含有113mg N-异丙 基丙稀酰胺、lmmolN, N-亚甲基双丙稀酰胺、I. Ommol甲基丙稀酰胺和7mg偶氮二异丁腈的 IOml二甲亚砜中，搅拌12 h，让单体与引发剂小分子进入到纳米粒子空腔内；离心除去上 清液，剩下的沉淀重新分散至10 ml二甲亚砜中，氮气保护下，70°C聚合7h，离心，沉淀真空 干燥得到接枝聚合物的中空多孔纳米粒子TRPOHMS。
[0024] 附图1为上述TRPOHMS的透射电镜照片，从图中可以明显的看出聚合物已经成功 引入到HMS空腔，得到的复合物粒径约为140 nm。
[0025] (2)将纳米复合物接枝到微生物细胞表面，具体步骤如下所示： 纳米复合物的活化 将上述TRPOHMS分散至IOml磷酸缓冲溶液中，然后加入90mgl