一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法，包括以下步驟：制備磁性Fe3O4磁粒子，并用油酸對其進(jìn)行改性，標(biāo)記為油酸-Fe3O4；以苯乙烯和甲基丙烯酸縮水甘油酯為單體、二乙烯基苯為交聯(lián)劑、Span-80為表面活性劑、油酸-Fe3O4為磁粒子，采用表面活性劑反膠團(tuán)乳化聚合法制備，制備聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。本發(fā)明步驟簡單，實驗條件溫和，所制備出磁性多孔微球粒徑分布均勻，表面含有多種可共價結(jié)合微生物的官能基團(tuán)，具有超順磁性，可在外加磁性的條件下實現(xiàn)回收和再利用。
【專利說明】—種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]氮氧化物(NOx)是酸雨、光化學(xué)煙霧等空氣污染的主要原因之一。煙氣中95%以上的NOx為難溶于水的NO，脫除難度高。Fe11 (EDTA)可與NO絡(luò)合形成Fe11 (EDTA) -NO,快速脫除NOx，脫除效率高，同時Fe11(EDTA)易被煙氣中的O2(體積含量3~8%)氧化成Fem(EDTA)，難以再生和循環(huán)利用。部分微生物可還原Fe11 (EDTA) -NO和Fe111 (EDTA)，能很好地解決吸收劑的再生問題，由此生物還原耦合絡(luò)合吸收脫除煙氣中NOx的工藝應(yīng)運(yùn)而生。但如何提高工藝中優(yōu)勢菌種的數(shù)量，維持優(yōu)勢菌種的性能，減少Fe11 (EDTA) -NO對Fe111 (EDTA)還原的抑制，是實現(xiàn)絡(luò)合吸收劑完全再生，使系統(tǒng)達(dá)到高效、穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。為此，專利發(fā)明人提出了采用固定化微生物兩級還原耦合化學(xué)吸收凈化NOx的新工藝。
[0003]磁性聚合微球利用多種有機(jī)高分子聚合物復(fù)合而成，可有效調(diào)節(jié)微球結(jié)構(gòu)并對其改性。磁性聚合微球不僅具有良好的生物相容性，且在外加磁場條件下可實現(xiàn)有效分離和回收。由于微球的粒徑小，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，已應(yīng)用于靶向藥物、固定化酶和細(xì)胞、固定化活性污泥、吸附去除重金屬離子和基因研究等方面，涉及生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程、生物工程等諸多領(lǐng)域。
[0004]制備性能優(yōu)良的磁性聚合微球載體是固定化微生物兩級還原耦合化學(xué)吸收凈化NOx新工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證條件之一。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，在于提供一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法，該方法步驟簡單，實驗條件溫和，所制備出磁性多孔微球粒徑分布均勻，表面含有多種可共價結(jié)合微生物的官能基團(tuán)，具有超順磁性，可在外加磁性的條件下實現(xiàn)回收和再利用。
[0006]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:
[0007]—種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟10、制備磁性Fe3O4磁粒子，并用油酸對其進(jìn)行改性，標(biāo)記為油酸-Fe3O4 ；
[0009]步驟20、以苯乙烯和甲基丙烯酸縮水甘油酯為單體、二乙烯基苯為交聯(lián)劑、Span-80為表面活性劑、油酸-Fe3O4為磁粒子,采用表面活性劑反膠團(tuán)乳化聚合法制備,制備聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。
[0010]進(jìn)一步地，所述步驟10的具體步驟如下:
[0011]充N2保護(hù)下，摩爾比為`2:1的FeCl3 *6H20,FeCl2.4Η20混合物溶解于去離子水中，反應(yīng)半小時后，在80°C以上的水浴條件下快速加入NH3.H20，2min后緩慢滴加油酸;反應(yīng)4小時后冷卻至室溫，用磁鐵將所得產(chǎn)物與溶液分離，并用去離子水洗滌產(chǎn)物至中性；最后于室溫條件下真空干燥，得到油酸改性Fe3O4，標(biāo)記為油酸_Fe304。[0012]進(jìn)一步地，所述步驟20的具體步驟如下:
[0013]用超純水配制質(zhì)量濃度為2%的聚乙烯醇溶液，在80°C以上的水浴條件下使其充分溶解，然后調(diào)節(jié)水浴溫度為48~53°C，依次加入Na2S04、十二烷基硫酸鈉、對苯二酹，即為水相；
[0014]取適量甲基丙烯酸縮水甘油酯、苯乙烯、二乙烯基苯、過氧化苯甲酰、十六烷、油酸_Fe304、Span-80，超聲分散至均勻，即為油相；
[0015]將油相逐滴加入水相中，在75~85°C條件下反應(yīng)20~25小時，得到溶膠狀磁性物質(zhì)，冷卻至室溫，得磁性聚合微球；最后把所得磁性聚合微球用磁鐵分離后，分別用蒸餾水和乙醇清洗，室溫下真空干燥，所得產(chǎn)物為聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。
[0016]進(jìn)一步地，所述聚乙烯醇為PVA-124。
[0017]進(jìn)一步地,聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球內(nèi)嵌入了 Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)。
[0018]進(jìn)一步地，聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的油酸-Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~23%。。
[0019]進(jìn)一步地，聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的磁飽和強(qiáng)度為1.8~2.0emu/g。
[0020]進(jìn)一步地,聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的粒徑在30~ΙΙΟμπι之間。
[0021]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0022]本發(fā)明方法步驟簡單，實驗條件溫和，采用改良的表面活性劑反膠團(tuán)乳化聚合法制備出聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球，并利用油酸作為改性劑有效地改善了磁粒子Fe3O4的分散性和表面活性，能夠保證磁性Fe3`O4可以均勻的分散到油性有機(jī)反應(yīng)物中并參與聚合反應(yīng)。
[0023]本發(fā)明所制備出的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球粒徑分布均勻，表面含有多種可共價結(jié)合微生物的官能基團(tuán)，具有超順磁性，可在外加磁性的條件下實現(xiàn)回收和再利用。微生物經(jīng)過磁性聚合微球固定化后，不僅提高了對Fe111 (EDTA)的還原活性，而且增強(qiáng)了抵抗外界不利環(huán)境的能力。同時，可以有效的與鐵還原菌共價結(jié)合，不僅為微生物提供了附著場所，減小外界不利條件對其的毒害作用，又可提高優(yōu)勢菌種的密度。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0024]下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0025]圖1為本發(fā)明的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的SEM圖。
[0026]圖2為本發(fā)明的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的紅外波譜圖。
[0027]圖3為本發(fā)明的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的XRD圖。
[0028]圖4為本發(fā)明的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的熱重圖。
[0029]圖5為本發(fā)明的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的磁滯回線圖。
[0030]圖6為本發(fā)明的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球固定化鐵還原菌的SEM圖。
【【具體實施方式】】
[0031]請參閱圖1~6所示，對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0032]本發(fā)明涉及一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法，包括以下步驟:
[0033]步驟10、制備磁性Fe3O4磁粒子，并用油酸對其進(jìn)行改性，標(biāo)記為油酸-Fe3O4 ；[0034]步驟20、以苯乙烯和甲基丙烯酸縮水甘油酯為單體、二乙烯基苯為交聯(lián)劑、Span-80為表面活性劑、油酸-Fe3O4為磁粒子,采用表面活性劑反膠團(tuán)乳化聚合法制備,制備聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。
[0035]所述步驟10的具體步驟如下:
[0036]充N2保護(hù)下，摩爾比為2:1的FeCl3.6H20、FeCl2.4H20混合物溶解于去離子水中，反應(yīng)半小時后,在80°C以上的水浴條件下快速加入適量NH3 -H2O,約2min后緩慢滴加適量油酸；反應(yīng)數(shù)小時后冷卻至室溫，用磁鐵將所得產(chǎn)物與溶液分離，并用去離子水洗滌產(chǎn)物至中性；最后于室溫條件下真空干燥，得到油酸改性Fe3O4，標(biāo)記為油酸-Fe304。
[0037]所述步驟20的具體步驟如下:
[0038]用超純水配制質(zhì)量濃度為2%的聚乙烯醇溶液，在80°C以上的水浴條件下使其充分溶解，然后調(diào)節(jié)水浴溫度為48~53°C，依次加入Na2SO4、十二烷基硫酸鈉、對苯二酹，即為水相；
[0039]取適量甲基丙烯酸縮水甘油酯、苯乙烯、二乙烯基苯、過氧化苯甲酰、十六烷、油酸_Fe304、Span-80，超聲分散至均勻，即為油相；
[0040]將油相逐滴加入水相中，在75~85°C條件下反應(yīng)20~25小時，得到溶膠狀磁性物質(zhì)，冷卻至室溫，得磁性聚合微球；最后把所得磁性聚合微球用磁鐵分離后，分別用蒸餾水和乙醇清洗，室溫下真空干燥，所得產(chǎn)物為聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。
[0041]各原料投加質(zhì)量比例如下:
[0042]聚乙烯醇=Na2SO4:SDS:`HQ:GMA:St:DVB:BP0:HD:油酸-Fe3O4:Span-80 約為 200:10:1.5:1:200:100:200:20:30:10:200。
[0043]所述聚乙烯醇為PVA-124 ;聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球內(nèi)嵌入了 Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)；聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的油酸-Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)20~23% ;聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的磁飽和強(qiáng)度為1.8~2.0emu/g ;聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的粒徑在30~110 μ m之間。
[0044]本發(fā)明提供的方法所制備的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球材料，如圖1所示，呈均勻的球形，表面布滿了孔道。其粒徑分布在30~IlOym之間。
[0045]聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球表面含有-CH2的對稱和不對稱的延伸振動峰，-C=C, -C-O的伸縮振動峰，以及-COOH的伸縮振動峰，如圖2所示。
[0046]聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球內(nèi)嵌入了 Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
[0047]聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的油酸-Fe3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)20~23%，如圖4所示。
[0048]聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的具有超順磁性,磁飽和強(qiáng)度為1.8~2.0emu/g,如圖5所示。
[0049]本發(fā)明所制備的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球表面可以共價結(jié)合鐵還原菌，如圖6所不，圖中圓圈圈出的部分為一結(jié)合的鐵還原菌。
[0050]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0051]1.鐵還原菌富集和馴化
[0052](I)富集:本實驗所用的菌株分離、純化自福建某污水處理廠的活性污泥?？死撞暇鷮?，其基因庫號碼為⑶167258。用LB培養(yǎng)基富集培養(yǎng)。
[0053]LB培養(yǎng)基(g/L):蛋白胨10，酵母粉5，NaC110。[0054](2)馴化:取上述菌液IOmL接種于已經(jīng)高溫滅菌的Fe111 (EDTA) (2mmol/L)選擇培養(yǎng)基中(400mL)。調(diào)節(jié)pH值至6.5~7.0,放入恒溫?fù)u床中培養(yǎng)，每天更換一次培養(yǎng)液，接種IOmL到400mL新鮮培養(yǎng)液中進(jìn)行馴化，以2mmol/L為梯度，逐步增加Fem(EDTA)在培養(yǎng)液中的濃度，使其最終達(dá)20mmol/L，馴化30天。
[0055]基礎(chǔ)培養(yǎng)基(mg/L)=K2HPO4.3H201000, KH2P04625, Na2S0370, MgSO4IOO, CaCl22,MnSO40.5, Na2MoO40.1, CuSO4.5H200.1。
[0056]Fe111 (EDTA)選擇培養(yǎng)基的制備:葡萄糖 lmg/L，NH4Cl lmg/L, K2HPO4.3H201000mg/L, KH2P04625mg/L, Fe111 (EDTA) 10mmol/L，基礎(chǔ)培養(yǎng)基 100mL。
[0057]2、聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的制備
[0058](I)充N2保護(hù)下，把FeCl3.6H20和FeCl2.4H20摩爾比為2:1的混合物質(zhì)溶解于去離子水中，水浴加熱至90~100°C反應(yīng)30min ;然后迅速加入60~80mLNH3.Η20，2π?η后緩慢滴加油酸；反應(yīng)4h后冷卻至室溫，用磁鐵將所得產(chǎn)物吸出并與溶液分離，再用蒸餾水將產(chǎn)物洗滌至中性；最后，室溫條件下真空干燥，得到油酸改性Fe3O4，標(biāo)記為油酸-Fe304。
[0059](2)首先，配制由聚乙烯醇(3g)、Na2SO4 (0.lg)、十二烷基硫酸鈉(0.015g)和對苯二酚(0.01)組成的水相，溶解于去離子水中，攪拌均勻；在N2保護(hù)環(huán)境下，將以苯乙烯和甲基丙烯酸縮水甘油酯組成的單體(質(zhì)量比為1:2)、二乙烯基苯(2g)、十六烷(0.2g)、Span-80 (占單體質(zhì)量50%)、過氧化苯甲酰(0.16g)和油酸-Fe3O4 (0.15~2.0g)配制成的油相經(jīng)過超聲分散均勻后加入到水相中，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至300~400r/min，溫度為75~85°C，聚合反應(yīng)20h ;最后把所得磁性聚合微球用磁鐵分離后，分別用蒸餾水和乙醇清洗，溫室下真空干燥，所得產(chǎn)物為聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。
[0060]3、磁性生物微球的制備
[0061]稱取5.0mg/mL聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球,置于IOOmL血清瓶中，加入60mL已滅菌的Fe111 (EDTA) (10mmol/L)選擇性基礎(chǔ)培養(yǎng)基，以N2驅(qū)氧并密封，在140°C高溫條件下滅菌20min后,接種0.14mg/mLFD_3。隨后置于40°C , 140r/min的恒溫?fù)u床中振蕩培養(yǎng)24h，用磁鐵將磁性生物微球與培養(yǎng)基分離開來，棄去上層清液，磷酸緩沖液清洗數(shù)次，得到磁性生物微球。
[0062]實施例1
[0063]將磁性生物微球接種到60mL已滅菌的Fe111 (EDTA) (IOmmoI/L)選擇性培養(yǎng)基，在400C，140r/min的恒溫?fù)u床中振蕩培養(yǎng)24h后，培養(yǎng)基中Fe111 (EDTA)的濃度為0.5mmol/L。相同培養(yǎng)條件下只添加游離菌的對照組，培養(yǎng)基中Fem(EDTA)的濃度為lmmol/L。
[0064]實施例2
[0065]將磁性生物微球接種到60mL已滅菌的Fe111 (EDTA) (IOmmoI/L)選擇性培養(yǎng)基，在45°C,140r/min的恒溫?fù)u床中振蕩培養(yǎng)24h后，培養(yǎng)基中Fem(EDTA)的濃度為2.29mmol/L0相同培養(yǎng)條件下只添加游離菌的對照組，培養(yǎng)基中Fem(EDTA)的濃度為2.05mmol/L。
[0066]實施例3
[0067]將磁性生物微球接種到60mL已滅菌的Fe111 (EDTA) (IOmmoI/L)選擇性培養(yǎng)基，在50°C,140r/min的恒溫?fù)u床中振蕩培養(yǎng)24h后，培養(yǎng)基中Fem(EDTA)的濃度為4.13mmol/L0相同培養(yǎng)條件下只添加游離菌的對照組，培養(yǎng)基中Fem(EDTA)的濃度為5.18mmol/L。
[0068]實施例4[0069]將磁性生物微球接種到60mL已滅菌的Fe111 (EDTA) (IOmmoI/L)選擇性培養(yǎng)基，在60°C,140r/min的恒溫?fù)u床中振蕩培養(yǎng)24h后，培養(yǎng)基中Fem(EDTA)的濃度為5.18mmol/L0相同培養(yǎng)條件下只添加游離菌的對照組，培養(yǎng)基中Fem(EDTA)的濃度為5.64mmol/L。
[0070]以上實例說明鐵還原菌經(jīng)過聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球固定化后，對Fe111(EDTA)的還原較相同培養(yǎng)條件下的游離鐵還原菌有所提高，這是因為菌種經(jīng)過磁性聚合微球固定化后不僅提高了優(yōu)勢菌種的密度，而且提高了菌種對外界不利環(huán)境的抵抗作用。40°C時固定化鐵還原菌對Fe111 (EDTA)的還原效率最高，因此最佳的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球固定化鐵還原菌的溫度為40°C。
[0071]本發(fā)明方法步驟簡單，實驗條件溫和，采用改良的表面活性劑反膠團(tuán)乳化聚合法制備出聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球，并利用油酸作為改性劑有效地改善了磁粒子Fe3O4的分散性和表面活性，能夠保證磁性Fe3O4可以均勻的分散到油性有機(jī)反應(yīng)物中并參與聚合反應(yīng)。
[0072]本發(fā)明所制備出的聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球粒徑分布均勻，表面含有多種可共價結(jié)合微生物的官能基團(tuán)，具有超順磁性，可在外加磁性的條件下實現(xiàn)回收和再利用。微生物經(jīng)過磁性聚合微球固定化后，不僅提高了對Fe111 (EDTA)的還原活性，而且增強(qiáng)了抵抗外界不利環(huán)境的能力。同時，可以有效的與鐵還原菌共價結(jié)合，不僅為微生物提供了附著場所，減小外界不利條件對其的毒害作用，又可提高優(yōu)勢菌種的密度。
[0073]雖然以上描述了本發(fā)明的【具體實施方式】，但是熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，我們所描述的具體的實施例只是說明性的，而不是用于對本發(fā)明的范圍的限定，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在依照本發(fā)明的精神所作的等效的修飾以及變化，都應(yīng)當(dāng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求所保護(hù)的范圍內(nèi)。`
【權(quán)利要求】
1.一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟10、制備磁性Fe3O4磁粒子，并用油酸對其進(jìn)行改性，標(biāo)記為油酸-Fe3O4 ； 步驟20、以苯乙烯和甲基丙烯酸縮水甘油酯為單體、二乙烯基苯為交聯(lián)劑、Span-80為表面活性劑、油酸-Fe3O4為磁粒子，采用表面活性劑反膠團(tuán)乳化聚合法制備，制備聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法，其特征在于:所述步驟10的具體步驟如下: 充N2保護(hù)下，摩爾比為2:1的FeCl3.6H20、FeCl2.4H20混合物溶解于去離子水中，反應(yīng)半小時后，在80°C以上的水浴條件下快速加入NH3 *H20,2min后緩慢滴加油酸；反應(yīng)4小時后冷卻至室溫，用磁鐵將所得產(chǎn)物與溶液分離，并用去離子水洗滌產(chǎn)物至中性；最后于室溫條件下真空干燥，得到油酸改性Fe3O4,標(biāo)記為油酸_Fe304。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可用于固定化鐵還原菌的磁性聚合微球的制備方法，其特征在于:所述步 驟20的具體步驟如下: 用超純水配制質(zhì)量濃度為2%的聚乙烯醇溶液，在80°C以上的水浴條件下使其充分溶解，然后調(diào)節(jié)水浴溫度為48°C~53°C，依次加入Na2S04、十二烷基硫酸鈉、對苯二酹，即為水相； 取甲基丙烯酸縮水甘油酯、苯乙烯、二乙烯基苯、過氧化苯甲酰、十六烷、油酸-Fe304、Span-80,超聲分散至均勻，即為油相； 將油相逐滴加入水相中，在75~85°C條件下反應(yīng)20~25小時，得到溶膠狀磁性物質(zhì)，冷卻至室溫，得磁性聚合微球；最后把所得磁性聚合微球用磁鐵分離后，分別用蒸餾水和乙醇清洗，室溫下真空干燥，所得產(chǎn)物為聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述聚乙烯醇為PVA-124。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于--聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球內(nèi)嵌入了 Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于--聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的油酸-Fe3O4量分?jǐn)?shù)20~23%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于--聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的磁飽和強(qiáng)度為1.8~2.0emu/g。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于--聚(苯乙烯-GMA)磁性多孔微球的粒徑在30~110 μ m之間。
【文檔編號】C12N11/08GK103554389SQ201310460267
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】荊國華, 周作明, 王曉艷 申請人:華僑大學(xué)