用于收集微藻的季銨鹽化單寧磁改性絮凝劑的制備和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及化學(xué)工程分離領(lǐng)域，具體涉及用于收集微藻的季銨鹽化單寧磁改性絮凝劑制備方法及其應(yīng)用。。
【背景技術(shù)】
[0002]為了減少使用石化燃料對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染，一種可替代石化柴油的綠色能源-生物柴油受到越來越多的關(guān)注。微藻作為一種單細(xì)胞光合微生物，光合效率高，油脂產(chǎn)量高，且培養(yǎng)占地面積小、生長(zhǎng)速度快，是較為理想的生物柴油制造者。但由于微藻細(xì)胞體積小，在水溶液中的濃度低，所以分離脫水的成本較高，制約了微藻能源化發(fā)展。
[0003]微藻采收常采用的方法有氣浮、過濾、沉淀法和動(dòng)力離心法，由于微藻個(gè)體微小，培養(yǎng)過程中水分含量高，一般在采收前常常進(jìn)行絮凝預(yù)處理，使得微藻細(xì)胞在絮凝藥劑的作用下，聚集成較大的絮凝體，提高采收和脫水效率。常用的絮凝劑包括傳統(tǒng)無機(jī)鹽類(鐵鹽、鋁鹽)、聚合高分子類(聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁鐵)、生物類(粘土、果殼、殼聚糖等)。但傳統(tǒng)金屬鹽類絮凝劑由于含有重金屬離子，會(huì)給收獲的生物量帶來污染，影響后續(xù)生物量的再生產(chǎn)利用。生物類絮凝劑如殼聚糖、菌劑等價(jià)格昂貴。因此，一種高效、廉價(jià)、易降解的天然絮凝劑，將具有很好的應(yīng)用前景。
[0004]植物多酚是植物體內(nèi)的酚類次生代謝產(chǎn)物，一般將其分為水解類多酚和縮合類多酚。落葉松單寧是縮合類多酚的主要代表，具有多酚羥基的化學(xué)結(jié)構(gòu)和易縮合達(dá)到高聚合度的特性，因而將其開發(fā)成高效水處理絮凝劑的潛力很大。由于植物單寧對(duì)于水中大部分呈陰電荷的膠體具有顯著的分散作用，考慮到植物單寧苯環(huán)狀結(jié)構(gòu)的親核性，在環(huán)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)親核位點(diǎn)上引入其他帶電荷的基團(tuán)后，絮凝性質(zhì)可以得到大大提高。由于植物單寧能夠被微生物所降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，因此是一種環(huán)境友好的綠色產(chǎn)品。
[0005]磁性分離具有操作簡(jiǎn)單、分離速度快的特點(diǎn)。近年來，用磁性材料收集微藻生物量的方法已有不少報(bào)道。中科院過程所的劉春朝、郭晨、王峰等人曾發(fā)明“一種采用磁性介質(zhì)分離、收集微藻的方法”，但該方法使用過程中是須將微藻培養(yǎng)液的PH調(diào)至8-10。蔡冬清、柳丹等人使用經(jīng)酸改性的粉煤灰與超純磁鐵礦粉復(fù)配物絮凝治理水華中的藍(lán)藻，可有效絮凝藻細(xì)胞連同水體顆粒污染物，但是鹽酸濃度減小會(huì)使改性效果顯著降低，且收集的微藻細(xì)胞經(jīng)過酸改性，無法實(shí)現(xiàn)再次培養(yǎng)。Liu和Ii等(Liu D.,Li F.T., Zhang B.R.WaterSc1.Technol.2009, 59, 1085)采用殼聚糖修飾的磁性聚合物作為磁分離介質(zhì)，成功分離了淡水藻華中的藍(lán)藻，但其磁分離介質(zhì)的合成較為復(fù)雜，且磁介質(zhì)受離子強(qiáng)度的影響無法重復(fù)使用，加上殼聚糖價(jià)格昂貴，極大的增加了成本，大規(guī)模應(yīng)用十分困難。
[0006]本發(fā)明在單寧胺甲基化改性的基礎(chǔ)上，對(duì)單寧進(jìn)行季銨鹽化的二次改性。將二次改性后的產(chǎn)物-季銨鹽化單寧與Fe3O4磁粉進(jìn)行自組裝，在外加磁場(chǎng)的作用下，使用該重組磁介質(zhì)對(duì)高密度藻液中的微藻進(jìn)行磁捕獲。與胺甲基化單寧磁性絮凝劑相比，季銨鹽化單寧磁性絮凝劑進(jìn)一步降低絮凝劑投加量，且適用范圍不受PH限制。優(yōu)化過的新型磁絮凝劑，所需分離時(shí)間短，效果顯著，而且上清液中幾乎無絮凝劑殘留，所處理的藻液不需要任何前處理，成本降低至傳統(tǒng)絮凝劑的1/5。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種用于收集微藻的季銨鹽化單寧磁改性絮凝劑。
[0008]本發(fā)明的再一目的是提供制備上述用于收集微藻的季銨鹽化單寧磁改性絮凝劑的方法。
[0009]本發(fā)明的再一目的是提供利用季銨鹽化單寧磁改性絮凝劑收集微藻的方法。
[0010]本發(fā)明提供了一種季銨鹽化單寧和磁粒子自組裝成的新型磁絮凝劑，進(jìn)一步降低了磁絮凝劑的投加量，適用范圍不受PH限制。該優(yōu)化后的磁絮凝劑，不僅克服了傳統(tǒng)絮凝劑對(duì)收獲的生物量帶來重金屬離子污染的問題，避免了上清液中高離子強(qiáng)度對(duì)培養(yǎng)基再利用的影響，并且能使收獲的微藻進(jìn)行二次培養(yǎng)、產(chǎn)量加倍，提高收獲率。與一般磁分離微藻生物量的技術(shù)相比，該方法進(jìn)一步降低絮凝劑投加量，且操作簡(jiǎn)單，所處理的藻液無需任何預(yù)處理，使得收集成本再次降低。根據(jù)本發(fā)明的用于分離微藻的自組裝磁改性絮凝劑為磁改性的季銨鹽化單寧，首先制備季銨鹽化單寧粉末:
(1)稱取落葉松單寧固體溶解于其質(zhì)量20倍的水中，抽濾去除不溶物，得到單寧水溶液；
(2)按照單寧水溶液:石油醚=1:1的體積比加入石油醚(沸程60°-90° )，萃取去除雜質(zhì)，劇烈震蕩并靜置后取下層水溶液；
(3)向(2)中水溶液加入3倍體積的100%乙醇溶液，混合均勻后，離心去除沉淀，上清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除乙醇，至溶液呈粘稠狀；
(4)向(3)中溶液加入4-5倍體積蒸餾水，按照質(zhì)量比單寧:二甲胺:甲醛=1:1:2的比例加入二甲胺(33%，v/v)和甲醛(37%，v/v)，再加入10% (v/v)的醋酸溶液使其終濃度為0.03%，在70°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下反應(yīng)3h ；
(5)將(4)反應(yīng)產(chǎn)物冷凍干燥，得到胺甲基化單寧粉末；
(6)稱取(5)所獲胺甲基化單寧粉末溶于質(zhì)量16-20倍的蒸餾水中，加入100%乙醇使其終濃度為20% (v/v)作為助溶劑，按照質(zhì)量比氯化卞:胺甲基化單寧=1:10和醋酸終濃度為0.5% (v/v)加入一定體積的氯化卞(100%)和醋酸(10%，v/v)，在80°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)2h ；
(7)將(6)冷凍干燥得到季銨鹽化單寧粉末。
[0011]然后，將上述制得的季銨鹽化單寧與磁粒子配成(季銨鹽化單寧粉末:磁性粒子:水)=(0.1mg:5mg:1ml-1Omg:200mg:1ml)的磁介質(zhì)，靜置混合后投加于培養(yǎng)后的帶培養(yǎng)基的藻液中，使得季錢鹽化單寧終濃度在5mg/L-400mg/L，磁粒子終濃度在0.lmg/mL-10mg/mL之間。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的用于收集微藻的二次改性的季銨鹽磁改性絮凝劑，其改進(jìn)在于，用普通植物單寧(終濃度50-2000mg/L)絮凝分離高密度藻液，無論是30s還是3h，都只有5%-10%的收集效率！Fe3O4磁粒子(終濃度10-50mg/mL)分離藻液，分離率也只有30%_40%，即使將植物單寧(終濃度60-1000mg/L)與Fe3O4磁粒子(終濃度10-50mg/mL)進(jìn)行混合投加，收集率依然只有40%-45% ;胺甲基化改性后的植物單寧與Fe3O4組裝成磁絮凝劑后，絮凝分離高密度藻液，可以提高到90%以上的收集率，但絮凝前需要將微藻培養(yǎng)液pH值調(diào)節(jié)在4.2-7.1之間。而季銨鹽改性單寧(終濃度5-400 mg/L)與Fe3O4 (0.1 mg/mL-10 mg/mL)組裝成的磁絮凝劑，在0.5 min以內(nèi)就可以達(dá)到90%分離率，并在Imin以內(nèi)達(dá)到96%，投加量進(jìn)一步降低，且所處理的藻培養(yǎng)原液不需經(jīng)過pH調(diào)節(jié)，更大程度上簡(jiǎn)化的操作程序，降低了操作成本。
[0013]本發(fā)明所用單寧是植物純天然提取物，是新型環(huán)境友好型材料。它與磁粒子自組裝后在外加弱磁場(chǎng)的作用下，能在Imin以內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)高密度藻液(細(xì)胞密度在多I XlOi^h/L)中藻細(xì)胞的磁捕獲收集，且分離率能達(dá)到96%以上。
[0014]本發(fā)明主要通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
提供了自組裝的磁介質(zhì)收集微藻，在室溫條件下將季銨鹽化單寧與磁粒子自組裝后直接投加到帶培養(yǎng)基的微藻原液中充分?jǐn)嚢杌旌?，形成被磁粒子包裹的微磁絮體，從而可在外加低磁場(chǎng)強(qiáng)度的條件下進(jìn)行快速分離。
[0015]所收集的微藻包括小球藻、普通小球藻、布朗葡萄球藻、蛋白小球藻、橢圓小球藻、微綠球藻、斜生柵藻、四尾柵藻、尖細(xì)柵藻、菱形藻、細(xì)柱藻、等鞭金藻、寇氏隱甲藻、鹽藻、褐指藻、四片藻、裂殖壺菌、銅綠微囊藻多種藻屬。優(yōu)選為球藻、柵藻、銅綠微囊藻。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的自組裝磁介質(zhì)收集微藻的方法可以包括以下步驟。
[0017]I)單寧季銨鹽化改性:
(1)稱取落葉松單寧固體溶解于其質(zhì)量20倍的水中，抽濾去除不溶物，得到單寧水溶液；
(2)按照單寧水溶液:石油醚=1:1的體積比加入石油醚(沸程60°-90° )，萃取去除雜質(zhì)，劇烈震蕩并靜置后取下層水溶液；
(3)向(2)中水溶液加入3倍體積的100%乙醇溶液，混合均勻后，離心去除沉淀，上清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除乙醇，至溶液呈粘稠狀；
(4)向(3)中溶液加入4-5倍體積蒸餾水，按照質(zhì)量比單寧:二甲胺:甲醛=1:1:2的比例加入二甲胺(33%，v/v)和甲醛(37%，v/v)，再加入10% (v/v)的醋酸溶液使其終濃度為
0.03%，在70°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下反應(yīng)3h ；
(5)將(4)反應(yīng)產(chǎn)物冷凍干燥，得到胺甲基化單寧粉末；
(6)稱取(5)所獲胺甲基化單寧粉末溶于質(zhì)量16-20倍的蒸餾水中，加入100%乙醇使其終濃度為20% (v/v)作為助溶劑，按照質(zhì)量比氯化卞:胺甲基化單寧=1:10和醋酸終濃度為0.5% (v/v)加入一定體積的氯化卞(100%)和醋酸(10%，v/v)，在80°C和氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)2h ；
(7)將(6)冷凍干燥得到季銨鹽化單寧粉末。
[0018]2)將步驟I)制得的季銨鹽化單寧粉末與磁粒子配成(季銨鹽化單寧:磁粒子:水)=(0.lmg:5mg:1ml-1Omg: 200mg: 1ml)的磁介質(zhì)，混合Imin后投加上述方案所列藻種的高密度藻液中，使得季銨鹽化單寧終濃度在5mg/L-400mg/L，磁粒子終濃度在0.lmg/mL-10mg/mL之間。
[0019]如上述所述，只有當(dāng)季錢鹽化單寧和磁粒子質(zhì)量比在1:4-1:500范圍內(nèi)變化時(shí)，組裝后的磁絮凝劑才會(huì)有較好的絮凝效果，季銨鹽化單寧和Fe3O4磁粒子任一物質(zhì)過量或不足，都不能形成