生物球霰石及其制备方法和应用与流程

本发明涉及重金属吸附材料，尤其涉及一种生物球霰石及其制备方法和应用。

背景技术：

由于重金属生产需求大幅增加以及日益严格的环保要求，全球重金属污染问题备受关注。我国土壤重金属污染的点位超标率约为16.1％，近期出现的镉稻谷和镉小麦已经引起公众对食品安全的恐慌，重金属污染严重威胁着我国的粮食等食品安全。重金属离子cd(ii)、pb(ii)、ni(ii)、cu(ii)等是工业废水中最常见的有毒污染物，目前这些重金属排放到环境中的数量还在不断增加。现有几种处理方法可以降低废水中重金属的浓度，包括沉淀法，电渗析，离子交换，溶剂萃取，反渗透，膜分离，以及吸附等方法。

目前常用的吸附法是一种简单易行的含重金属离子废水处理方法，其吸附工艺简单易于操作，具有实用性，因此在废水处理方面得到了广泛应用。而该技术的关键是吸附材料，现有的吸附剂选择非常有限，同时也存在吸附容量低，吸附的重金属离子不牢固，容易解吸，导致吸附率低的问题。随着我国重金属污染的加剧和重金属排放标准的日益严格，发明一种吸附稳定性高的新型吸附剂材料对重金属的污染治理具有积极的意义。环境中的碳酸盐矿物可用于重金属离子的去除，然而，天然碳酸钙对重金属的吸附效率很低。关于生物源球霰石型碳酸钙对重金属的吸附未见报道，值得进一步研究开发。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种生物球霰石，提供了一种新型高效的重金属吸附剂；本发明的目的之二是提供该生物球霰石的制备方法和应用。

技术方案：

一种生物球霰石的制备方法，包括：将枯草芽孢杆菌接种于含可溶性钙盐的液体培养基中进行培养，培养结束后分离得到生物球霰石。

所述液体培养基为lb培养基或牛肉膏蛋白胨培养。

所述可溶性钙盐的浓度为6～16g/l，进一步为8～16g/l。

所述可溶性钙盐为氯化钙。

所述枯草芽孢杆菌可选自来自中国农业微生物菌种保藏管理中心的菌株accc01185，但不仅限于此，也可采用其他的枯草芽孢杆菌菌株，同样能达到本发明的效果，例如，中国普通微生物菌种保藏管理中心的枯草芽孢杆菌cgmcc1.7740，或其他商业途径购买的菌株。

所述枯草芽孢杆菌的接种量为：每100ml培养基中添加2～5ml种子液，种子液中枯草芽孢杆菌的浓度为(6～9)×10⁷cfu/ml左右。

所述培养的温度为30～37℃，时间为72～168h；培养结束后，收集沉淀，干燥后得生物球霰石。

本发明还提供了所述制备方法制备得到的生物球霰石。

本发明还提供了所述的生物球霰石在重金属吸附中或者制备重金属吸附剂中的应用。

其中重金属包括但不仅限于cd、pb、ni、cu中的一种或几种。

本发明还提供了一种重金属吸附剂，包括所述的生物球霰石。

有益效果：

本发明的生物球霰石是利用我国常见的功能性微生物肥料菌株-枯草芽孢杆菌(bacillussubtilis)诱导合成的具有多孔迭层特征的球霰石有机复合体，是含有球霰石的碳酸钙、菌体碎片及其代谢产物的复合产品，是基于生物成矿机理开发出来的具有高效重金属吸附特性的生物矿物材料。

本发明的生物球霰石对重金属具有优异的吸附能力，对重金属cd(ii)、pb(ii)、ni(ii)和cu(ii)的最大吸附量分别可达172.41、769.23、270.27、178.57mg/g。

本发明的生物球霰石在酸性环境下较稳定，具有很好的缓冲能力，在ph大于等于3的环境下依然能够保持良好的稳定性和重金属吸附特性。

本发明生物球霰石的制备方法经济环保、操作简易快速、成本低、适用范围广、且得到的球霰石稳定性好，具备发育良好的多介孔；合成过程中没有添加任何有毒有害物质，因此该生物球霰石产品不会带来二次污染，对环境无任何潜在风险，对重金属的修复具有较好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1生物球霰石的结构及形貌特征图；

图2为实施例3氯化钙的浓度对生物球霰石的结构的影响；

图3为实施例4ph值对生物球霰石吸附性及结构稳定性的影响；

图4为本发明生物球霰石的诱导合成及其对重金属的吸附过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1

生物球霰石的制备方法如下：

①种子液制备：在200ml已灭菌(115℃20min)的lb液体培养基[(胰蛋白胨1％(m/v)，酵母提取物0.5％(m/v)，nacl1％(m/v)，6.5≤ph≤7.5]中接种2-3环枯草芽孢杆菌(可购自中国农业微生物菌种保藏管理中心，菌株编号:accc01185)，置于30℃、180rpm的摇床中振荡培养10h以制备细菌种子液[菌液浓度为8×10⁷cfu/ml左右]。

②扩大培养及生物球霰石的诱导合成：在洁净的250ml锥形瓶中加入100ml含有cacl2(0.8g)的lb液体培养基。115℃灭菌20min后接种2ml细菌种子液，设置30个平行，于30℃、180rpm振荡培养7天以诱导生物球霰石的形成。

③生物球霰石的收集：发酵液经8000rpm离心15min；将收集获得的沉淀置于55℃的烘箱中烘干后研磨，待用。

④采用xrd(x射线衍射)、ftir(傅里叶转换红外线光谱)和sem-eds(扫描电镜-能谱)等对上述制备所得沉淀物的结构及形貌进行鉴定。结合xrd及ftir结果表明该沉淀物主要为球霰石及有机质结合形成的复合体(图1中a，b)。sem可观察到球状及其他无规则的碳酸钙，表面多孔，并且可形成球状的多孔迭层特征聚集体(图1中c1～c4)。

实施例2

生物球霰石对重金属的吸附特性：

利用上述实施例1中制备的生物球霰石用于重金属的吸附：按照2.5g/l的吸附剂用量，将上述制备的生物球霰石分别加入不同浓度(10-610mg/l)的重金属(cd、pb、ni、cu)模拟废水中，在25℃100rpm的摇床中吸附24h。吸附结束后离心(8000rpm，15min)，采用原子吸收光谱法测定各重金属离子的浓度，计算求得生物球霰石对重金属的吸附率(％)(见公式(1))及吸附量(mg/g)(见公式(2))。采用langmuir吸附模型(见公式(3))分析其吸附数据，可求得生物球霰石对重金属离子的最大吸附量qmax(mg/g)，其结果如表1所示。

式中：ci为起始金属离子的浓度(mg/l)，ce为吸附达到平衡时金属离子的浓度(mg/l)，w为吸附剂的质量(g)，v为吸附体系金属离子浓液的体积(l)，qe为吸附达到平衡时金属离子的吸附量(mg/g)，qmax为吸附剂的最大吸附量(mg/g)，kl为langmuir吸附常数。)

表1生物球霰石对重金属的最大吸附量

实施例3

氯化钙的浓度对生物球霰石的结构和吸附性的影响：

①配制低浓度(2g/l)及高浓度(8g/l)的氯化钙lb液体培养基各100ml，115℃灭菌20min后各接种2ml细菌种子液，每组设置30个平行，于30℃、180rpm振荡培养7天以诱导生物球霰石的形成，采用xrd分析其晶体结构的差异。如图2所示，低浓度氯化钙诱导形成的主要为无定形碳酸钙，而高浓度氯化钙诱导形成的为球霰石碳酸钙，说明氯化钙的浓度能够影响生物球霰石的结构，只有当氯化钙的浓度大于等于6g/l时才能诱导球霰石的形成，最终确定氯化钙的最佳浓度范围为：6-16g/l。氯化钙浓度低于6g/l则形成无定形碳酸钙，而浓度高于16g/l则会抑制细菌的生长。

②将①中制备得到无定形碳酸钙及生物球霰石用于重金属cd、pb、ni、cu的吸附，具体吸附方法参照实施例2中吸附的方法，可求得无定形碳酸钙及生物球霰石对重金属cd、pb、ni、cu的最大吸附量。结果发现生物球霰石的最大吸附量要显著高于无定形碳酸钙的吸附量(如表2所示)，这说明氯化钙的浓度不仅会影响生物球霰石的结构，还会影响其吸附性能。

表2无定形碳酸钙及生物球霰石最大吸附量的比较

实施例4

生物球霰石在酸性条件下的稳定性及对重金属的吸附特性：

称取0.05g实施例1中所获得的生物球霰石于50ml离心管中，分别加入20ml不同ph(1-8)的重金属浓液(cd：131mg/l、pb：218mg/l、ni：115mg/l、cu：194mg/l)。充分混匀后置于25℃、100rpm的摇床中吸附24h。吸附结束后，离心收集各组上清液，采用原子吸收分光光度法测定各金属离子的浓度，计算其吸附量(mg/g)。结果表明在ph≥3时，生物球霰石依然可以保持较高的吸附能力，基本不受酸性(如ph＝3)环境的影响(图3中a)，说明生物球霰石具有较好的耐酸能力，并且在ph＝3时生物球霰石也能够稳定存在(图3中b)。

实施例5

计算1吨重金属cd、pb、ni、cu废水(浓度均为1ppm)所需生物球霰石的制作方法：

(1)种子液制备

200mllb培养基成分为：胰蛋白胨2g，酵母提取物1g，nacl2g，加水定容至200ml，ph＝7.0。115℃灭菌20min，用接种环接入1-2环枯草芽孢杆菌后，30℃，180rpm培养10h，获得种子液[菌浓度为8×10⁷cfu/ml]。

(2)扩大培养及生物球霰石的诱导合成

按照生物球霰石对cd的最大吸附量(172.41mg/g)计算所需生物球霰石的量为5.8g。按照生物球霰石对pb的最大吸附量(769.23mg/g)计算所需生物球霰石的量为1.3g。按照生物球霰石对ni的最大吸附量(270.23mg/g)计算所需生物球霰石的量为3.7g。按照生物球霰石对cu的最大吸附量(178.57mg/g)计算所需生物球霰石的量为5.6g。以110ml种子液接种到二级lb培养液5.5l(含44gcacl2)中，30℃，180rpm中培养7天，离心获得沉淀物即为生物球霰石样品。

使用方法：将所得生物球霰石样品加入至1吨废水中充分搅拌均匀，2h后即可将废水中的金属离子去除，效率在95％以上。本发明制得的重金属离子吸附材料吸附容量大，吸附性能好，不容易解吸脱附，具有广阔的应用前景。