一種負載脫氮副球菌的改性氧化石墨烯復合材料及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種負載微生物(尤其是脫氮副球菌)的改性氧化石墨烯復合材料，該復合材料的制備方法，以及利用該復合材料來處理含高濃度DMF廢水的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題也日趨嚴重。其中，醫(yī)藥、農(nóng)藥、石化和制革等工業(yè)領(lǐng)域排出的廢水中含有大量的N，N_二甲基甲酰胺(DMF)，僅制革行業(yè)每年排放的含DMF廢水就高達I億噸。DMF可以經(jīng)過呼吸道、消化道和皮膚進入人體內(nèi)，具有一定的毒性。我國職業(yè)性接觸毒物危害程度分級確定DMF為II級(中度危害)，并且成為實驗動物的致癌物質(zhì)。在日常生產(chǎn)過程中，由于DMF通常僅作為有機溶劑使用，并不發(fā)生化學反應，因此在量上幾乎沒有損耗，生產(chǎn)完成后會全部進入生產(chǎn)廢水中，并且在廢水中長期穩(wěn)定存在。如不加以處理，將對環(huán)境造成很大污染。
[0003]吸附法是一種常用的含DMF廢水處理方法，具有工藝流程短、操作簡單、處理效果好等特點，但是該法在處理完成后需要對吸附劑進行解吸，成本較高，同時極易造成二次污染，并且吸附材料在吸附的過程中會達到吸附飽和，因而不能達到完全處理。為了解決上述問題，生物降解法應運而生。生物降解法具有高效、經(jīng)濟、環(huán)保、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但是高濃度的DMF(2000 mg/L)會對微生物細胞產(chǎn)生毒害作用，從而對廢水生物處理過程產(chǎn)生抑制作用，影響處理效果，因此這種方法在實際應用中也受到了一定的限制。
[0004]鑒于此，尋找一種經(jīng)濟、高效且穩(wěn)定的含高濃度DMF廢水的處理方法勢在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述情況，本發(fā)明利用吸附法和生物降解法各自的優(yōu)點，將兩者加以結(jié)合，采用對DMF具有吸附性的吸附劑(通過自由基聚合方法改性的氧化石墨烯)作為負載微生物的載體，并利用所負載的微生物(脫氮副球菌Paracoccus denitrificans)來完成DMF的降解處理。這種新型的復合方法不僅解決了吸附法中吸附劑需要再生以及無法完全處理的問題，同時打破了生物降解法在DMF濃度上的限制，降低了處理成本，同時避免了二次污染。
[0006]首先，本發(fā)明提供了一種負載脫氮副球菌的改性氧化石墨烯復合材料的制備方法，其包括如下步驟:
(I)氧化石墨烯(GO)的制備:
在冰水浴及攪拌的條件下，按照Ig石墨:20?25mL濃硫酸的比例，將石墨加入到濃硫酸中，攪拌均勻后，按照石墨:高錳酸鉀=1:5?8的質(zhì)量比，向上述體系中分批加入高錳酸鉀，并于35?40°C反應15?20小時，反應結(jié)束后，將上述體系倒入含有過氧化氫的冰水中，經(jīng)離心、洗滌、干燥，得到氧化石墨烯；
(2 )改性氧化石墨烯(PGO)的制備: 在惰性氣體保護下，在冰水浴及攪拌的條件下，按照氧化石墨烯:甲基丙烯酰氯=1:0.5?1.5的質(zhì)量比以及甲基丙烯酰氯:三乙胺=1:1的摩爾比，將步驟(I)中獲得的氧化石墨烯分散于溶解有三乙胺的二甲基乙酰胺中，然后向上述體系中滴加溶解有甲基丙烯酰氯的二甲基乙酰胺，滴加完畢后，室溫反應20?24小時，經(jīng)洗滌、干燥，得到甲基丙烯?；难趸。?br> 在惰性氣體保護下，將上述甲基丙烯?；难趸┓稚⒂诙谆柞０分?，按照甲基丙烯?；难趸?甲基丙烯酸=1:0.5?2.5的質(zhì)量比以及甲基丙烯酸:甲基丙烯酸丁酯:偶氮二異丁腈=50:50-100:1?2的摩爾比，向上述體系中加入作為聚合單體的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯以及作為引發(fā)劑的偶氮二異丁腈，于60?70°C進行自由基聚合反應8?10小時，反應結(jié)束后，將上述體系滴入乙醚中，經(jīng)過濾、干燥，得到改性氧化石墨烯；
(3)脫氮副球菌的馴化和固定化:
將擴大培養(yǎng)后的脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)放在含有1000mg/L葡萄糖的液體培養(yǎng)基中，按照下法進行馴化:每3?6日調(diào)整一次濃度，每次將葡萄糖的濃度減少100mg/L，同時將DMF的濃度增加100mg/L，當葡萄糖的濃度降低至Omg/L時，更換一次培養(yǎng)液，當DMF的濃度增加至1000mg/L后，繼續(xù)提高DMF的濃度直至2000mg/L，完成對脫氮副球菌的馴化；
按照改性氧化石墨烯:N-羥基丁二酰亞胺:N，N’_二環(huán)己基碳二亞胺=1:1?2:1?3的質(zhì)量比以及N，N’_二環(huán)己基碳二亞胺:4-二甲氨基吡啶=1:1的摩爾比，將步驟(2)中獲得的改性氧化石墨烯和N-羥基丁二酰亞胺(NHS)分散于二甲基甲酰胺中，然后向上述體系中加入N，N’-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)，加入完畢后，室溫攪拌反應20?24小時，得到酰胺化的改性氧化石墨烯；
按照酰胺化的改性氧化石墨烯:脫氮副球菌=1:1?3的質(zhì)量比，將上述酰胺化的改性氧化石墨烯連同馴化后的脫氮副球菌一起加入到磷酸鹽緩沖液(PBS)中，于30°C培養(yǎng)20?24小時，得到負載脫氮副球菌的改性氧化石墨稀復合材料。
[0007]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(I)中所述石墨與濃硫酸的比例為Ig:23mL0
[0008]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(I)中所述石墨與高錳酸鉀的質(zhì)量比為1:6。
[0009]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(I)中所述高錳酸鉀分為等質(zhì)量的兩批加入。
[0010]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(2)中所述惰性氣體選自氮氣、氦氣、氬氣中的任意一種，優(yōu)選氮氣。
[0011 ]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(2)中所述氧化石墨烯與甲基丙烯酰氯之間的質(zhì)量比為1:1。
[0012]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(2)中所述甲基丙烯?；难趸┡c甲基丙烯酸之間的質(zhì)量比為1:0.5。
[0013]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(2)中所述甲基丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯、偶氮二異丁腈之間的摩爾比為50:50:1。
[0014]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(3)中所述改性氧化石墨烯、N-羥基丁二酰亞胺、N，N’-二環(huán)己基碳二亞胺之間的質(zhì)量比為1: 1: 3。
[0015]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(3)中所述酰胺化的改性氧化石墨烯與脫氮副球菌的質(zhì)量比為1:2。
[0016]優(yōu)選的，在上述制備方法中，步驟(3)中所述磷酸鹽緩沖液的pH值為7。
[0017]其次，本發(fā)明提供了通過上述制備方法制備的負載脫氮副球菌的改性氧化石墨烯復合材料。
[0018]最后，本發(fā)明提供了上述負載脫氮副球菌的改性氧化石墨烯復合材料在處理含DMF廢水，特別是含高濃度DMF廢水中的用途，其中所述含高濃度DMF廢水中DMF的濃度為2000mg/Lo
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用上述技術(shù)方案的本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
(1)制備過程中所采用的原材料成本低廉、容易獲得；
(2)操作簡單、方便，整個過程中沒有使用昂貴的設備；
(3 )本發(fā)明的復合材料可以完全去除廢水中的DMF，并且處理效率高、可再重復性好、經(jīng)濟環(huán)保、可行性強。
【附圖說明】
[0020]圖1為氧化石墨烯改性前后的掃描電鏡圖(SEM)。
[0021]圖2為氧化石墨烯改性前后對DMF的吸附量隨時間變化的對比圖。
[0022]圖3為脫氮副球菌的馴化圖。
[0023]圖4為游離脫氮副球菌對DMF降解的最佳pH值條件測試圖。
[0024]圖5為游離脫氮副球菌對DMF降解的最佳溫度條件測試圖。
[0025]圖6為最佳條件下游離脫氮副球菌對DMF降解隨時間變化的曲線圖。
[0026]圖7為脫氮副球菌的OD6qq與細胞干重的關(guān)系曲線圖。
[0027]圖8為負載脫氮副球菌的改性氧化石墨烯的掃描電鏡圖(SEM)。
[0028]圖9為負載脫氮副球菌的改性氧化石墨烯對低濃度(1000mg/L)和高濃度(2000mg/L)DMF的降解及循環(huán)性能圖。
【具體實施方式】
[0029]以下將結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做出進一步的說明。除非特意指出，下列實施例中所使用的藥劑、實驗材料及儀器等均可通過商業(yè)手段獲得。
[0030]實施例1:氧化石墨烯的制備。
[0031]將片狀石墨(3g)加入到濃硫酸(69mL)中，在冰水浴中磁力攪拌2h。攪拌均勻后，將一半劑量的高錳酸鉀(9g)緩慢加入到上述混合物中，并維持體系溫度低于20°C。隨后將反應體系加熱至35°C并攪拌7h，將剩余的高錳酸鉀(9.0g)—次性加入到反應體系中，繼續(xù)攪拌12h。反應結(jié)束后，將上述混合物倒入400mL冰水中，再加入3mL過氧化氫，得到黃色混合物。離心后依次用5%鹽酸和去離子水各洗滌三次，在真空干燥箱中干燥12h，得到氧化石墨稀(4g)。
[0032]實施例2:改性氧化石墨烯的制備。
[0033]在犯保護下，將實施例1中獲得的干燥的氧化石墨烯(Ig)分散在二甲基乙酰胺中，加入三乙胺(0.0lmol )，然后通過恒壓滴液漏斗緩慢滴加溶解有甲基丙烯酰氯(Ig，
0.0lmol)的二甲基乙酰胺，滴加完畢后，冰水浴攪拌0.5h，隨后常溫攪拌24h，采用丙酮洗滌兩次，在真空干燥箱中干燥12h，得到甲基丙烯?；难趸?。
[0034]在犯保護下，將上述產(chǎn)物分散二甲基甲酰胺中，加入甲基丙烯酸(0.5g，0.006mol)和甲基丙烯酸丁酯(0.006mol)，采用偶氮二異丁腈(0.12mmol)作為引發(fā)劑引發(fā)自由基聚合反應，反應體系于70°C攪拌反應8h。反應結(jié)束后，將上述產(chǎn)物逐滴加入乙醚中，過濾，在45°C真空干燥箱中干燥12h，得到改性氧化石墨烯(1.Sg)，改性后的氧化石墨烯表面的共聚物會與DMF分子形成范德華力，有利于DMF的吸附。
[0035]圖1a為氧化石墨烯的SEM，從中可以看出:氧化石墨烯的表面較為光滑，邊緣有褶