一種負載具有核-殼結構的磁性納米顆粒的生物復合材料及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明屬于功能材料技術領域，具體涉及到一種負載具有核-殼結構的磁性納米顆粒的生物復合材料，該復合材料的制備方法，以及利用該復合材料來處理含六價鉻廢水的用途。
【背景技術】
[0002]六價鉻(簡寫為Cr(VI))為吞入性毒物/吸入性極毒物，具有致敏、致畸、致癌等嚴重不良后果，并且對環境具有持久危險性。六價鉻化合物常用于電鍍、電子元器件加工等工藝中，動物接觸含有六價鉻的水后，六價鉻會被體內許多組織和器官的細胞吸收，引起胃腸道及肝、腎功能損害，還可能傷及眼部，出現視網膜出血、視神經萎縮等問題，因此針對含六價鉻廢水的處理亟需受到社會各界的廣泛關注。
[0003]由于同時具備磁性顆粒和納米顆粒的雙重優勢，Fe3O4磁性納米顆粒已經廣泛應用于靶向藥物載體、細胞分離、核磁共振、免疫分析、核酸雜交等生物醫學領域。同時，這種超順磁性材料在環境保護監測領域也具有很好的應用前景，可以作為吸附材料來處理工業廢水中存在的重金屬。但是，Fe3O4磁性納米顆粒易氧化，比表面積較高，具有強烈的聚集傾向，難以直接應用。
[0004]采用定型S12對Fe3O4磁性納米顆粒進行表面包覆后，S12包覆層不但提高了Fe3O4磁性納米顆粒的化學穩定性，而且由于S12包覆層的表面存在羥基，也提高了 Fe3O4磁性納米顆粒的生物相容性，拓寬了在生物、催化等領域的應用。另外，由于復合材料表面存在大量的硅醇基，因此可以根據不同的需要，在其表面修飾不同的功能型聚合物，以實現去除不同重金屬的目的。然而，這種S12包覆Fe3O4磁性納米顆粒后形成的復合材料在吸附處理重金時有其固有的不足之處，成本較高，并且會造成二次污染等問題。由于這些原因，直接阻礙了其在環境治理中的應用。
[0005]近年來，由于具有處理方法清潔、無二次污染和低成本等優勢，生物法已經得到廣泛關注，但是微生物處理污染物也有其自身的弊端，處理周期長、菌體難以從水中分離等因素制約了實際應用。
【發明內容】
[0006]針對上述情況，本發明利用吸附法和生物降解法各自的優點，將兩者加以結合，通過將Fe304磁性納米顆粒經由包覆該磁性納米顆粒核芯的聚合物外殼修飾到枯草桿菌(Bacillus subtilis)表面，使其在利用Fe3(k磁性納米顆粒來快速富集Cr(VI)的同時，又可以利用將其負載的微生物來快速降解Cr(VI)，大大縮短了污染物的處理周期，同時還可以利用納米顆粒本身的磁性來實現從水體中快速分離，很好地克服了阻礙其應用的瓶頸，使其在重金屬污染治理方面得到廣泛應用。
[0007]首先，本發明提供了一種負載具有核-殼結構的Fe3O4磁性納米顆粒的枯草桿菌生物復合材料的制備方法，其包括如下步驟:
(1)Fe304納米顆粒的制備:
按照七水合硫酸亞鐵:無水醋酸鈉=1:5?8的摩爾比，將七水合硫酸亞鐵(FeS(k.7出0)和無水醋酸鈉(NaOAc)加入到乙二醇中，攪拌至溶液呈透明狀后轉移至高壓反應釜中，于150-200 0C密閉反應5?8小時，反應結束后，經離心、洗滌、干燥，得到Fe3O4納米顆粒；
(2)Fe304@mSi02納米顆粒的制備:
將步驟(I)中獲得的Fe3O4納米顆粒加入到乙醇和水的混合液中，超聲分散，在攪拌條件下，按照Fe3O4納米顆粒:十六烷基三甲基溴化銨:四乙氧基硅烷=1: 3-5:2?3的質量比，依次向上述體系中加入十六烷基三甲基溴化銨(CATB)和四乙氧基硅烷(又稱為原硅酸四乙酯，TE0S)，室溫反應6?10小時，反應完成后，經磁性分離、洗滌、干燥，得到Fe3O4OmS12納米顆粒；
(3)Fe304@mSi02@MANHE納米顆粒的制備:
將步驟(2)中獲得的Fe3O4OmS12納米顆粒加入到N，N-二甲基甲酰胺中，超聲分散，在攪拌條件下，按照Fe304@mSi02納米顆粒:γ _氨丙基三乙氧基娃燒=50?10mg:1mL的比例，向上述體系中加入γ -氨丙基三乙氧基硅烷(ΚΗ500)，室溫攪拌過夜，經磁性離心、洗滌、干燥，得到氨基修飾的Fe304@mSi02納米顆粒；
將上述氨基修飾的Fe304@mSi02納米顆粒加入到環己酮中，超聲分散，在惰性氣體保護及攪拌條件下，按照氨基修飾的Fe304@mSi02納米顆粒:4，4’_偶氮雙(4-氰基戊酰氯)=1: 20?30的質量比，向上述體系中加入4，4 ’ -偶氮雙(4-氰基戊酰氯)(ABCPA-Cl)，室溫攪拌過夜，經磁性離心、洗滌、干燥，得到ABCPA修飾的Fe304@mSi02納米顆粒；
將上述ABCPA修飾的Fe3O4OmS12納米顆粒加入到環己酮中，超聲分散，在惰性氣體保護及攪拌條件下，按照ABCPA修飾的Fe304@mSi02納米顆粒:N-丙稀酰氧基琥泊酰亞胺=1:20?30的質量比以及N-丙稀酰氧基琥泊酰亞胺:4-乙稀基卩比啶=Ig: 10?15mL的比例，向上述體系中加入N-丙烯酰氧基琥珀酰亞胺和4-乙烯基吡啶，于70?80 °C反應0.5?I小時，反應完成后，經磁性離心、洗滌、干燥，得到Fe304@mSi02_IANHE納米顆粒；
(4)枯草桿菌@Fe304@mSi02_IANHE復合材料的制備:
將枯草桿菌加入到PBS溶液中，分散均勻，按照枯草桿菌(濕重)=Fe3O4OmS12OMANHE納米顆粒=50~100:1的質量比，向上述體系中加入步驟(3)中獲得的Fe3O4OmS12OMANHE納米顆粒，并置于30°C/120rpm的恒溫搖床上過夜，經磁性離心、洗滌、干燥，得到負載具有核-殼結構的Fe3O4磁性納米顆粒的枯草桿菌生物復合材料。
[0008]優選的，在上述制備方法中，步驟(I)中所述七水合硫酸亞鐵與無水醋酸鈉之間的摩爾比為1:7。
[0009]優選的，在上述制備方法中，步驟(2)中所述乙醇和水的混合液中乙醇與水之間的體積比為4:1。
[0010]優選的，在上述制備方法中，步驟(2)中所述乙醇和水的混合液中使用的水為去離子水。
[0011]優選的，在上述制備方法中，步驟(2)中所述Fe304納米顆粒、十六燒基三甲基溴化銨、四乙氧基硅烷之間的質量比為1:3:2.3。
[0012]優選的，在上述制備方法中，步驟(3)中所述Fe304@mSi02納米顆粒與γ -氨丙基三乙氧基硅烷之間的比例為200mg: 3mL。
[0013]優選的，在上述制備方法中，步驟(3沖所述氨基修飾的Fe304@mSi02納米顆粒與4，4’-偶氮雙(4-氰基戊酰氯)之間的質量比為1:20。
[0014]優選的，在上述制備方法中，步驟(3)中所述ABCPA修飾的Fe304@mSi02納米顆粒與N-丙烯酰氧基琥珀酰亞胺之間的質量比1:20。
[0015]優選的，在上述制備方法中，步驟(3)中所述N-丙烯酰氧基琥珀酰亞胺與4-乙烯基吡啶之間的比例為lg:10mL。
[0016]優選的，在上述制備方法中，步驟(3)中所述惰性氣體選自氮氣、氦氣、氬氣中的任意一種，優選氮氣。
[0017]優選的，在上述制備方法中，步驟(4)中所述枯草桿菌(濕重)與Fe3O4OmS12OMANHE納米顆粒之間的質量比為100:1。
[0018]優選的，在上述制備方法中，步驟(4沖所述PBS溶液的pH值為7。
[0019]其次，本發明提供了通過上述制備方法制備的負載具有核-殼結構的Fe3O4磁性納米顆粒的枯草桿菌生物復合材料。
[0020]最后，本發明提供了上述負載具有核-殼結構的Fe3O4磁性納米顆粒的枯草桿菌生物復合材料在處理含六價鉻廢水中的用途。
[0021 ]與現有技術相比，利用上述技術方案的本發明具有如下優點:
(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)本發明的復合材料對水體中的Cr(VI)具有很好的吸附降解效果，并且能夠快速地從水體中分離出來，不會造成二次污染，具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0022]圖1為Fe 304納米顆粒的透射電鏡圖(TEM)。
[0023]圖2為Fe3O4OmS12納米顆粒的透射電鏡圖(TEM)。
[0024]圖3為Fe3O4OmS12OMANHE納米顆粒的透射電鏡圖(ΤΕΜ)。
[0025]圖4為處理Cr(VI)前后枯草桿菌的掃描電鏡圖(SEM)。
[0026]圖5為枯草桿菌OFe3O4OmS12OMANHE復合材料的透射電鏡圖(TEM)。
[0027]圖6為枯草桿菌對Cr(VI)的降解曲線和0D600曲線圖。
[0028]圖7為枯草桿菌處理Cr(VI)的過程中在不同時段下的紫外可見吸收光譜圖。
[0029]圖8為枯草桿菌、Fe304@mSi02@MANHE納米顆粒、枯草桿菌@Fe304@mSi02@MANHE復合材料對Cr(VI)的降解效果對比圖。
【具體實施方式】
[0030]以下將結合附圖和具體的實施例對本發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手段獲得。
[0031]實施例l:Fe304納米顆粒的制備。
[0032]將FeSO4.7H20(2.02g，7.2mmol)和無水NaOAc(4.lg，50mmol)加入到乙二醇(50mL)中，攪拌0.5h，溶液透明時轉移至高壓反應釜中，于180 °C反應6h，反應完成后冷卻至室溫，離心，得到黑色固體，用水和乙醇清洗3次，于60°C真空干燥5h，得到Fe3O4納米顆粒(0.5g)。
[0033]圖1為Fe3O4納米顆粒的TEM。從中可以看出，Fe3O4納米顆粒分散均勻且直徑約為30nmo
[0034]實施例2:Fe304@mSi02納米顆粒的制備。
[0035]稱取實施例1中制備的Fe3O4納米顆粒(10mg)，加入到乙醇(80mL)和去離子水(20mL)的混合液中，超聲分散30min，在機械攪拌下，向上述混合物中加入CATB(300mg)，然后通過微量注射器緩慢加入TE0S(0.25mL，234mg)，室溫反應6h，反應完成后，磁性分離，用去離子水洗滌3次，于60 °C干燥24h，得到Fe3OAiS12納米顆粒(260mg)。
[0036]圖2為Fe3OAiS12納米顆粒的TEM。從中可以看出，Fe3O4表面包覆了一層介孔二氧化娃(mesoporous silicon d1xide，簡寫為mSi02)，并且具