本发明专利技术公开了一种负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯复合材料及其制备方法和用途。该复合材料通过包括下列步骤的制备方法制得：1）氧化石墨烯的制备；2）改性氧化石墨烯的制备；3）脱氮副球菌的驯化和固定化。本发明专利技术的制备方法中所采用的原材料成本低廉、容易获得；操作简单、方便，整个过程中没有使用昂贵的设备；本发明专利技术的复合材料可以完全去除废水中的DMF，并且处理效率高、可再重复性好、经济环保、可行性强。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能材料
，具体涉及一种负载微生物(尤其是脱氮副球菌)的改性氧化石墨烯复合材料，该复合材料的制备方法，以及利用该复合材料来处理含高浓度DMF废水的用途。
技术介绍
伴随着全球经济的飞速发展，环境污染问题也日趋严重。其中，医药、农药、石化和制革等工业领域排出的废水中含有大量的N，N_二甲基甲酰胺(DMF)，仅制革行业每年排放的含DMF废水就高达I亿吨。DMF可以经过呼吸道、消化道和皮肤进入人体内，具有一定的毒性。我国职业性接触毒物危害程度分级确定DMF为II级(中度危害)，并且成为实验动物的致癌物质。在日常生产过程中，由于DMF通常仅作为有机溶剂使用，并不发生化学反应，因此在量上几乎没有损耗，生产完成后会全部进入生产废水中，并且在废水中长期稳定存在。如不加以处理，将对环境造成很大污染。吸附法是一种常用的含DMF废水处理方法，具有工艺流程短、操作简单、处理效果好等特点，但是该法在处理完成后需要对吸附剂进行解吸，成本较高，同时极易造成二次污染，并且吸附材料在吸附的过程中会达到吸附饱和，因而不能达到完全处理。为了解决上述问题，生物降解法应运而生。生物降解法具有高效、经济、环保、稳定性强等优点，但是高浓度的DMF(2000 mg/L)会对微生物细胞产生毒害作用，从而对废水生物处理过程产生抑制作用，影响处理效果，因此这种方法在实际应用中也受到了一定的限制。鉴于此，寻找一种经济、高效且稳定的含高浓度DMF废水的处理方法势在必行。
技术实现思路
针对上述情况，本专利技术利用吸附法和生物降解法各自的优点，将两者加以结合，采用对DMF具有吸附性的吸附剂(通过自由基聚合方法改性的氧化石墨烯)作为负载微生物的载体，并利用所负载的微生物(脱氮副球菌Paracoccus denitrificans)来完成DMF的降解处理。这种新型的复合方法不仅解决了吸附法中吸附剂需要再生以及无法完全处理的问题，同时打破了生物降解法在DMF浓度上的限制，降低了处理成本，同时避免了二次污染。首先，本专利技术提供了一种负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯复合材料的制备方法，其包括如下步骤: (I)氧化石墨烯(GO)的制备: 在冰水浴及搅拌的条件下，按照Ig石墨:20?25mL浓硫酸的比例，将石墨加入到浓硫酸中，搅拌均匀后，按照石墨:高锰酸钾=1:5?8的质量比，向上述体系中分批加入高锰酸钾，并于35?40°C反应15?20小时，反应结束后，将上述体系倒入含有过氧化氢的冰水中，经离心、洗涤、干燥，得到氧化石墨烯； (2 )改性氧化石墨烯(PGO)的制备: 在惰性气体保护下，在冰水浴及搅拌的条件下，按照氧化石墨烯:甲基丙烯酰氯=1:0.5?1.5的质量比以及甲基丙烯酰氯:三乙胺=1:1的摩尔比，将步骤(I)中获得的氧化石墨烯分散于溶解有三乙胺的二甲基乙酰胺中，然后向上述体系中滴加溶解有甲基丙烯酰氯的二甲基乙酰胺，滴加完毕后，室温反应20?24小时，经洗涤、干燥，得到甲基丙烯酰化的氧化石墨稀； 在惰性气体保护下，将上述甲基丙烯酰化的氧化石墨烯分散于二甲基甲酰胺中，按照甲基丙烯酰化的氧化石墨烯:甲基丙烯酸=1:0.5?2.5的质量比以及甲基丙烯酸:甲基丙烯酸丁酯:偶氮二异丁腈=50:50-100:1?2的摩尔比，向上述体系中加入作为聚合单体的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯以及作为引发剂的偶氮二异丁腈，于60?70°C进行自由基聚合反应8?10小时，反应结束后，将上述体系滴入乙醚中，经过滤、干燥，得到改性氧化石墨烯； (3)脱氮副球菌的驯化和固定化: 将扩大培养后的脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)放在含有1000mg/L葡萄糖的液体培养基中，按照下法进行驯化:每3?6日调整一次浓度，每次将葡萄糖的浓度减少100mg/L，同时将DMF的浓度增加100mg/L，当葡萄糖的浓度降低至Omg/L时，更换一次培养液，当DMF的浓度增加至1000mg/L后，继续提高DMF的浓度直至2000mg/L，完成对脱氮副球菌的驯化； 按照改性氧化石墨烯:N-羟基丁二酰亚胺:N，N’_二环己基碳二亚胺=1:1?2:1?3的质量比以及N，N’_二环己基碳二亚胺:4-二甲氨基吡啶=1:1的摩尔比，将步骤(2)中获得的改性氧化石墨烯和N-羟基丁二酰亚胺(NHS)分散于二甲基甲酰胺中，然后向上述体系中加入N，N’-二环己基碳二亚胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)，加入完毕后，室温搅拌反应20?24小时，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:脱氮副球菌=1:1?3的质量比，将上述酰胺化的改性氧化石墨烯连同驯化后的脱氮副球菌一起加入到磷酸盐缓冲液(PBS)中，于30°C培养20?24小时，得到负载脱氮副球菌的改性氧化石墨稀复合材料。优选的，在上述制备方法中，步骤(I)中所述石墨与浓硫酸的比例为Ig:23mL0优选的，在上述制备方法中，步骤(I)中所述石墨与高锰酸钾的质量比为1:6。优选的，在上述制备方法中，步骤(I)中所述高锰酸钾分为等质量的两批加入。优选的，在上述制备方法中，步骤(2)中所述惰性气体选自氮气、氦气、氩气中的任意一种，优选氮气。优选的，在上述制备方法中，步骤(2)中所述氧化石墨烯与甲基丙烯酰氯之间的质量比为1:1。优选的，在上述制备方法中，步骤(2)中所述甲基丙烯酰化的氧化石墨烯与甲基丙烯酸之间的质量比为1:0.5。优选的，在上述制备方法中，步骤(2)中所述甲基丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯、偶氮二异丁腈之间的摩尔比为50:50:1。优选的，在上述制备方法中，步骤(3)中所述改性氧化石墨烯、N-羟基丁二酰亚胺、N，N’-二环己基碳二亚胺之间的质量比为1: 1: 3。优选的，在上述制备方法中，步骤(3)中所述酰胺化的改性氧化石墨烯与脱氮副球菌的质量比为1:2。优选的，在上述制备方法中，步骤(3)中所述磷酸盐缓冲液的pH值为7。其次，本专利技术提供了通过上述制备方法制备的负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯复合材料。最后，本专利技术提供了上述负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯复合材料在处理含DMF废水，特别是含高浓度DMF废水中的用途，其中所述含高浓度DMF废水中DMF的浓度为2000mg/Lo与现有技术相比，利用上述技术方案的本专利技术具有如下优点: (1)制备过程中所采用的原材料成本低廉、容易获得； (2)操作简单、方便，整个过程中没有使用昂贵的设备； (3 )本专利技术的复合材料可以完全去除废水中的DMF，并且处理效率高、可再重复性好、经济环保、可行性强。【附图说明】图1为氧化石墨烯改性前后的扫描电镜图(SEM)。图2为氧化石墨烯改性前后对DMF的吸附量随时间变化的对比图。图3为脱氮副球菌的驯化图。图4为游离脱氮副球菌对DMF降解的最佳pH值条件测试图。图5为游离脱氮副球菌对DMF降解的最佳温度条件测试图。图6为最佳条件下游离脱氮副球菌对DMF降解随时间变化的曲线图。图7为脱氮副球菌的OD6qq与细胞干重的关系曲线图。图8为负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯的扫描电镜图(SEM)。图9为负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯对低浓度(1000mg/L)和高浓度(2000mg/L)DMF的降解及循环性能图。【具体实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯复合材料的制备方法，其包括如下步骤：1）氧化石墨烯的制备：在冰水浴及搅拌的条件下，按照1g石墨:20~25mL浓硫酸的比例，将石墨加入到浓硫酸中，搅拌均匀后，按照石墨:高锰酸钾=1:5~8的质量比，向上述体系中分批加入高锰酸钾，并于35~40℃反应15~20小时，反应结束后，将上述体系倒入含有过氧化氢的冰水中，经离心、洗涤、干燥，得到氧化石墨烯；2）改性氧化石墨烯的制备：在惰性气体保护下，在冰水浴及搅拌的条件下，按照氧化石墨烯:甲基丙烯酰氯=1:0.5~1.5的质量比以及甲基丙烯酰氯:三乙胺=1:1的摩尔比，将步骤1）中获得的氧化石墨烯分散于溶解有三乙胺的二甲基乙酰胺中，然后向上述体系中滴加溶解有甲基丙烯酰氯的二甲基乙酰胺，滴加完毕后，室温反应20~24小时，经洗涤、干燥，得到甲基丙烯酰化的氧化石墨烯；在惰性气体保护下，将上述甲基丙烯酰化的氧化石墨烯分散于二甲基甲酰胺中，按照甲基丙烯酰化的氧化石墨烯:甲基丙烯酸=1:0.5~2.5的质量比以及甲基丙烯酸:甲基丙烯酸丁酯:偶氮二异丁腈=50:50~100:1~2的摩尔比，向上述体系中加入作为聚合单体的甲基丙烯酸和甲基丙烯酸丁酯以及作为引发剂的偶氮二异丁腈，于60~70℃进行自由基聚合反应8~10小时，反应结束后，将上述体系滴入乙醚中，经过滤、干燥，得到改性氧化石墨烯；3）脱氮副球菌的驯化和固定化：将扩大培养后的脱氮副球菌放在含有1000mg/L葡萄糖的液体培养基中，按照下法进行驯化：每3~6日调整一次浓度，每次将葡萄糖的浓度减少100mg/L，同时将DMF的浓度增加100mg/L，当葡萄糖的浓度降低至0mg/L时，更换一次培养液，当DMF的浓度增加至1000mg/L后，继续提高DMF的浓度直至2000mg/L，完成对脱氮副球菌的驯化；按照改性氧化石墨烯:N‑羟基丁二酰亚胺:N,N’‑二环己基碳二亚胺=1:1~2:1~3的质量比以及N,N’‑二环己基碳二亚胺:4‑二甲氨基吡啶=1:1的摩尔比，将步骤2）中获得的改性氧化石墨烯和N‑羟基丁二酰亚胺分散于二甲基甲酰胺中，然后向上述体系中加入N,N’‑二环己基碳二亚胺和4‑二甲氨基吡啶，加入完毕后，室温搅拌反应20~24小时，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:脱氮副球菌=1:1~3的质量比，将上述酰胺化的改性氧化石墨烯连同驯化后的脱氮副球菌一起加入到磷酸盐缓冲液中，于30℃培养20~24小时，得到负载脱氮副球菌的改性氧化石墨烯复合材料。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：路建美，陈冬赟，郑媛，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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