專利名稱：一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料。
背景技術(shù)：
固定化微生物技術(shù)是指通過化學(xué)或物理的方法將游離的細(xì)胞或微生物加以固定，使之成為不溶于水但仍具有高生物活性固定生長(zhǎng)體的一項(xiàng)技術(shù)。它是20世紀(jì)70年代在固定化酶技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，70年代后期由于水污染問題的日益嚴(yán)重，迫切要求開發(fā)高效的廢水處理新技術(shù)，于是開始將固定化微生物技術(shù)引入廢水處理領(lǐng)域。該技術(shù)可將篩選出的優(yōu)勢(shì)菌種或微生物加以固定，從而構(gòu)成一個(gè)高效的廢水處理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的懸浮生物處理法相比具有處理效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，產(chǎn)泥量少，無污泥膨脹，固液分離效果好，裝置容積小等優(yōu)點(diǎn)，在廢水處理中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。但是，目前由于沒有經(jīng)濟(jì)，高效、耐用的固定化材料，固定化微生物廢水處理技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究和小規(guī)模應(yīng)用試驗(yàn)階段。開發(fā)篩選理想的微生物固定化材料是固定化微生物技術(shù)能否投入實(shí)用的關(guān)鍵。
常用的固定化材料主要有無機(jī)材料(多孔玻璃、活性炭、硅澡土、多孔陶瓷等)與有機(jī)材料(多糖類、蛋白類、空心纖維等)。無機(jī)固定化材料如陶瓷、核桃殼、海藻酸鹽等價(jià)格較便宜，但固定效果差，微生物易脫落；有機(jī)材料如聚氨酯，聚乙烯醇(PVA)等有機(jī)聚合物固定效果好，但微生物生長(zhǎng)活性低，生物親和性差，且價(jià)格昂貴，污染物的降解效果不理想。進(jìn)一步開發(fā)新型性能優(yōu)良的固定化材料載體，對(duì)改善固定化技術(shù)的處理效果和使用性能及固定化技術(shù)的發(fā)展都至關(guān)重要。
膨潤(rùn)土的儲(chǔ)量大，價(jià)格低廉，具有良好的吸附性能和離子交換性能，被廣泛地應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域。殼聚糖是一種天然的水處理絮凝劑，脫己酰后形成的殼聚糖帶有大量的氨基和羥基，加入羧甲基纖維素CMC后，利用CMC分子中的羧基與殼聚糖醋酸溶液的NH3+基團(tuán)的離子交換反應(yīng)，得到兩性聚電解質(zhì)復(fù)合物，同時(shí)加入膨潤(rùn)土，使多余的殼聚糖吸附在膨潤(rùn)土的主要成分蒙脫石的表面，加入一定量的戊二醛酒精溶液，戊二醛分子的兩個(gè)醛基可以分別與載體及配基上的氨基形成希夫堿，將它們以五碳橋的形式連接起來，使其進(jìn)一步交聯(lián)硬化，最終形成多孔網(wǎng)狀的凝膠體材料。這種材料是一種無機(jī)-有機(jī)復(fù)合凝膠體，價(jià)格低，親水性好，生物親和性好，微生物易固定而不被其分解，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料。
廢水處理用微生物固定化凝膠材料由殼聚糖、膨潤(rùn)土、羧甲基纖維素鈉和戊二醛組成，膨潤(rùn)土與羧甲基纖維素鈉溶液質(zhì)量比為1∶1～1∶10，戊二醛酒精溶液與殼聚糖溶液體積比為30∶1～100∶1，膨潤(rùn)土與殼聚糖的質(zhì)量比為10∶1～40∶1。
所述的膨潤(rùn)土粒徑為8目～180目，膨潤(rùn)土為鈣基膨潤(rùn)土或鈉基膨潤(rùn)土。
所述的戊二二醛酒精溶液為戊二醛質(zhì)量濃度0.1％～5％的工業(yè)酒精溶液。
所述的殼聚糖醋酸溶液為殼聚糖質(zhì)量濃度0.3％～10％的醋酸溶液；所述的材料的密度范圍為1.00～1.17×103kg·m-3，吸水率范圍為12.00～18.50，熱穩(wěn)定性較好。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)微生物固定化CBC凝膠材料的價(jià)格低廉。它是利用殼聚糖與膨潤(rùn)土和CMC按一定的配比交聯(lián)反應(yīng)制得而成，主要成分為膨潤(rùn)土，價(jià)格便宜，為產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了條件。
(2)微生物固定化CBC凝膠材料的密度比水稍大一點(diǎn)，在水中不會(huì)被壓實(shí)而影響其上的菌體生長(zhǎng)。
(3)微生物固定化CBC凝膠材料的熱穩(wěn)定性好，耐熱溫度寬。
(4)固定化CBC凝膠材料的酸堿穩(wěn)定性好，廢水的pH在3.5～11范圍內(nèi)對(duì)CBC材料的溶脹性能影響不大，不會(huì)破壞。
(5)鹽離子濃度的CBC材料的傳質(zhì)與穩(wěn)定性影響較少，當(dāng)水溶液中離子濃度(NaCl濃度)超過0.4％后，固定化CBC凝膠材料的傳質(zhì)性能不再隨著濃度的增大而變化。
(6)CBC凝膠材料具有良好傳質(zhì)性能、吸附性能與生物親和性。殼聚糖能與膨潤(rùn)土，CMC和戊二醛三種物質(zhì)都發(fā)生反應(yīng)，在整個(gè)材料中具有橋梁的作用。膨潤(rùn)土的添加可以增加材料的沉降性能，并能為微生物生長(zhǎng)提供一定的無機(jī)鹽礦物質(zhì)，CMC的添加助于提高材料的溶脹性能，能使材料進(jìn)一步硬化，增強(qiáng)材料的機(jī)械性能。
具體實(shí)施例方式
廢水處理用微生物固定化CBC凝膠材料是由殼聚糖、膨潤(rùn)土、羧甲基纖維素鈉(CMC)和戊二醛組成，CBC材料的密度范圍為1.00～1.17×103kg·m-3，吸水率范圍為12.00～18.50，在較廣的溫度范圍內(nèi)(10～90℃)，該材料的熱穩(wěn)定性較好，pH在3～11范圍內(nèi)對(duì)CBC材料的溶脹性能影響不大。溶液中離子濃度(NaCl濃度)對(duì)CBC材料的傳質(zhì)性能有很大的影響，NaCl濃度超過0.4％后，傳質(zhì)性能不再隨著濃度的增大而變化。CBC材料具有良好的傳質(zhì)性能，能透過甲基橙等大分子有機(jī)物質(zhì)，甲基橙由外往內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)K1＝0.0040～0.0055mm·min-1，甲基橙由內(nèi)往外擴(kuò)散時(shí)，K2＝0.01～0.016mm·min-1。
實(shí)施例1選用8～40目的膨潤(rùn)土混勻于20mL CMC溶液中，放置，將0.5g殼聚糖溶解于25mL醋酸溶液中，混合膨潤(rùn)土-CMC溶液和殼聚糖-醋酸溶液，于400rpm下高速攪拌20min，加30mL戊二醛溶液固定1個(gè)小時(shí)后加水切割成所需要的大小，浸于水中，放置1天后備用。
制備的CBC材料的密度為1.06×103kg·m-3，吸水倍率為16.50，在10～90℃溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定性較好，pH在3～10范圍內(nèi)酸堿穩(wěn)定性。NaCl濃度超過0.4％后，傳質(zhì)性能不再隨著濃度的增大而變化。CBC材料具有良好的傳質(zhì)性能，甲基橙由外往內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)K1＝0.0046mm·min-1，甲基橙由內(nèi)往外擴(kuò)散時(shí)，K2＝0.016mm·min-1。
取濕重20gCBC材料于50mL200mg·L-1苯酚溶液中，加入1mL鐮刀菌孢子懸液，在30℃，100rpm下，培養(yǎng)一段4天后，測(cè)得苯酚去除率為97.30％。CBC凝膠材料在溶液中放置1年以上均未出現(xiàn)分解與生物降解現(xiàn)象，性質(zhì)穩(wěn)定。
實(shí)施例2選用180目以上的膨潤(rùn)土混勻于20mL CMC溶液中，放置，將0.75g殼聚糖溶解于25mL醋酸溶液中，混合膨潤(rùn)土-CMC溶液和殼聚糖-醋酸溶液，于400rpm下高速攪拌20min，加30mL戊二醛溶液固定4個(gè)小時(shí)后加水切割成所需要的大小，浸于水中，放置1天后備用。
制備的CBC材料的密度為1.17×103kg·m-3，吸水倍率為17.50，在10～80℃溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定性較好，pH在3～10范圍內(nèi)酸堿穩(wěn)定性。NaCl濃度超過0.5％后，傳質(zhì)性能不再隨著濃度的增大而變化。CBC材料具有良好的傳質(zhì)性能，甲基橙由外往內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)K1＝0.0052mm·min-1，甲基橙由內(nèi)往外擴(kuò)散時(shí)，K2＝0.012mm·min-1。
取濕重20gCBC材料于50mL250mg·L-1苯酚溶液中，加入1mL鐮刀菌孢子懸液，在30℃，100rpm下，培養(yǎng)一段4天后，測(cè)得苯酚去除率為92.30％。CBC凝膠材料在溶液中放置1年以上均未出現(xiàn)分解與生物降解現(xiàn)象，性質(zhì)穩(wěn)定。
實(shí)施例3選用40-180目的膨潤(rùn)土混勻于20mL CMC溶液中，放置，將1.0g殼聚糖溶解于25mL醋酸溶液中，混合膨潤(rùn)土-CMC溶液和殼聚糖-醋酸溶液，于400rpm下高速攪拌20min，加30mL戊二醛溶液固定2個(gè)小時(shí)后加水切割成所需要的大小，浸于水中，放置1天后備用。
制備的CBC材料的密度為1.09×103kg·m-3，吸水倍率為18.50，在10～80℃溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定性較好，pH在3～10范圍內(nèi)酸堿穩(wěn)定性。NaCl濃度超過0.4％后，傳質(zhì)性能不再隨著濃度的增大而變化。CBC材料具有良好的傳質(zhì)性能，甲基橙由外往內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)K1＝0.0055mm·min-1，甲基橙由內(nèi)往外擴(kuò)散時(shí)，K2＝0.013mm·min-1。
取濕重20gCBC材料于50mL100mg·L-1中性藍(lán)染料溶液中，加入1mL鐮刀菌孢子懸液，在30℃，100rpm下，培養(yǎng)一段4天后，測(cè)得中性藍(lán)染料去除率為98.30％。CBC凝膠材料在溶液中放置1年以上均未出現(xiàn)分解與生物降解現(xiàn)象，性質(zhì)穩(wěn)定。
實(shí)施例4選用180目以上的膨潤(rùn)土混勻于40mL CMC溶液中，放置，將0.5g殼聚糖溶解于25mL醋酸溶液中，混合膨潤(rùn)土-CMC溶液和殼聚糖-醋酸溶液，于400rpm下高速攪拌20min，加40mL戊二醛溶液固定2個(gè)小時(shí)后加水切割成所需要的大小，浸于水中，放置1天后備用。
制備的CBC材料的密度為1.11×103kg·m-3，吸水倍率為15.50，在10～80℃溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定性較好，pH在3～10范圍內(nèi)酸堿穩(wěn)定性。NaCl濃度超過0.4％后，傳質(zhì)性能不再隨著濃度的增大而變化。CBC材料具有良好的傳質(zhì)性能，甲基橙由外往內(nèi)擴(kuò)散時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)K1＝0.0045mm·min-1，甲基橙由內(nèi)往外擴(kuò)散時(shí)，K2＝0.014mm·min-1。
取濕重20gCBC材料于50mL100mg·L-1酸性藍(lán)染料溶液中，加入1mL鐮刀菌孢子懸液，在30℃，100rpm下，培養(yǎng)一段4天后，測(cè)得酸性藍(lán)染料去除率為99.20％。CBC凝膠材料在溶液中放置1年以上均未出現(xiàn)分解與生物降解現(xiàn)象，性質(zhì)穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料，其特征在于由殼聚糖、膨潤(rùn)土、羧甲基纖維素鈉和戊二醛組成，膨潤(rùn)土與羧甲基纖維素鈉溶液質(zhì)量比為1∶1～1∶10，戊二醛酒精溶液與殼聚糖醋酸溶液體積比為30∶1～100∶1，膨潤(rùn)土與殼聚糖的質(zhì)量比為10∶1～40∶1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料，其特征在于所述的膨潤(rùn)土粒徑為8目～180目，膨潤(rùn)土為鈣基膨潤(rùn)土或鈉基膨潤(rùn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料，其特征在于所述的戊二醛酒精溶液為戊二醛質(zhì)量濃度0.1％～5％的工業(yè)酒精溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料，其特征在于所述的殼聚糖醋酸溶液為殼聚糖質(zhì)量濃度0.3％～10％的醋酸溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料，其特征在于所述的材料的密度范圍為1.00～1.17×103kg·m-3，吸水率范圍為12.00～18.50。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種廢水處理用微生物固定化凝膠材料。本發(fā)明的廢水處理用微生物固定化凝膠材料是由殼聚糖、膨潤(rùn)土、羧甲基纖維素鈉(CMC)和戊二醛等組成。它是將干燥、一定粒徑的膨潤(rùn)土原土倒入一定配比的CMC溶液中，混勻，再與適量殼聚糖的醋酸溶液混合，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而得到的殼聚糖與膨潤(rùn)土的凝膠材料--Chitosan－Bentonite－CMC(簡(jiǎn)稱CBC)凝膠材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是凝膠材料具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，價(jià)格低廉，吸水率適中，在水溶液中不被微生物降解，熱穩(wěn)定性與酸堿穩(wěn)定性好，吸附性能、傳質(zhì)性能與生物親和性良好，且對(duì)微生物無害，壽命長(zhǎng)，用于廢水處理微生物固定化技術(shù)，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C12N11/04GK101045921SQ20071006756
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月15日
發(fā)明者李濟(jì)吾, 蔡偉建 申請(qǐng)人:浙江工商大學(xué)