CN102531116A - 一种利用零价纳米铁磁分离及灭活去除水体中细菌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用零价纳米铁颗粒磁分离和灭活去除水体中细菌的方法，包括以下步骤：(1)用化学反应方法合成零价纳米铁，并配制成一定浓度的悬浮液；(2)将零价纳米铁悬浮液与细菌液或含菌废水样充分混合，并在有氧条件下剧烈振荡一定时间；(3)将反应后的混合体系置于磁铁旁静置一定时间；(4)待磁性颗粒与其所吸附的细菌富集到磁铁一侧，将剩余的水样取出，实现水体中细菌的去除与灭活。本发明利用零价纳米铁颗粒自身的磁性、吸附特性及其对细菌的灭活作用，高效地实现对水体中细菌的去除与灭活，步骤简单快速，经济无害，在污水净化、废水处理中具有十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用化学合成的零价纳米铁颗粒磁分离和灭活去除水体中细菌的方法，主要应用于污水净化、废水处理等过程。
背景技术
缺少安全和清洁的水源一直是一项严重的全球挑战。根据世界卫生组织的报告，那些经水体传播的细菌会对人体健康构成很大威胁。除了直接接触或摄入污染水体引起的健康风险之外，污水处理等过程产生的生物污泥所包含的病原体通过空气传播间接导致的暴露风险更大，而这些风险在当前环保实践中常常被低估甚至忽视。显而易见，对饮用水或废水进行预处理对于减少其相关的生物健康危害十分必要。
传统的水处理技术包括紫外辐射、氯气和臭氧化学消毒法以及膜过滤法等，其各有优点和缺陷。近年来，有越来越多的研究利用零价纳米铁颗粒来灭活细菌，研究显示其活性要明显高于微米级的零价铁。另一方面，多项研究显示，由于纳米颗粒相互之间的磁力作用，零价纳米铁颗粒很快会发生聚集，且聚集速度随纳米铁颗粒的浓度和饱和磁化程度的增加而增加。加之根据Banfield等人的研究(Banfield et al，2000，Science，289，751-754.)，水合氧化铁纳米晶体的表面是环境中重要的活性吸附位点，因此这些铁氧化物能够迅速吸附到微生物表面并通过聚集作用将其从溶液中去除。目前已经有许多研究关注零价纳米铁对微生物的灭活作用及其机理，但很少有研究利用其磁性特质进行污染物去除，尤其是水体微生物的去除。
发明内容
本发明的内容是：主要利用零价纳米铁颗粒的磁性、吸附特性及其灭活作用进行水体中细菌的去除；通过胰蛋白酶大豆琼脂培养揭示该发明对水体中的细菌具有较高的物理去除和灭活效率。
本发明的技术方案如下：
方案1：一种利用零价纳米铁磁分离和灭活去除水体中细菌的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)用化学方法反应合成零价纳米铁，并配制成一定浓度的悬浮液；
b)将零价纳米铁悬浮液与细菌液或含菌废水样充分混合，并在有氧条件下剧烈振荡一定时间；
c)将反应后的混合体系置于磁铁旁静置一定时间；
d)待磁性颗粒与其所吸附的细菌富集到磁铁的一侧，将剩余的水样取出，实现水 体中细菌的去除与灭活。
方案2：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤a)中，所述化学方法为等摩尔浓度NaBH4与Fe(NO3)3·9H2O溶液反应，且NaBH4需过量，然后将NaBH4溶液逐滴加入到磁子快速搅拌的Fe(NO3)3·9H2O溶液中；
方案3：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤a)中，所述合成的零价纳米铁颗粒由无菌去离子水洗涤两次，4000rpm离心收集，再用无菌去离子水配制成悬浮液，尽量减少零价纳米铁和空气接触；
方案4：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤a)中，所述一定纳米铁浓度为0.1-20mg/ml；
方案5：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤b)中，所述菌液或废水样品与零价纳米铁悬浮液的体积比为10～0.01；
方案6：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤b)中，所述有氧条件是指反应器内可利用的氧气含量足够将加入的零价纳米铁颗粒全部氧化；
方案7：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤b)中，所述剧烈振荡是指振荡器或漩涡仪转速在3200rpm左右；
方案8：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤b)中，所述一定时间是指5-10min；
方案9：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤c)中，所述磁铁的大小和磁性强度足够吸附反应体系中的所有纳米铁颗粒；
方案10：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤c)中，所述一定时间是指5-30min；
方案11：作为方案1的一种优选实现，其特征在于，所述步骤d)中，所述剩余水样是指不含或有微量磁性颗粒的水体；
本发明的有益效果：
(1)本发明利用零价纳米铁自身的磁性、吸附特性及与细菌细胞膜的得失电子反应，实现对水体中细菌同时磁分离和灭活，提高了对水体中细菌的总去除效率(对大肠杆菌的灭活效率可达3-log，总去除效率高达6-log)；
(2)步骤简单快速，利用零价纳米铁颗粒的磁力和易团聚的特点，5min以内即可完成磁分离；
(3)化学合成的零价纳米铁颗粒粒径小(30-40nm)，比表面积大，反应能力强，且经济无害，并具有便携和重复利用的潜力，在污水净化、废水处理中具有十分广阔的应 用前景；
(4)本发明涉及细菌的纳米铁磁分离和灭活两个过程，对其中混合体系细菌浓度、DNA浓度、吸光度等数据的动态分析能为零价纳米铁灭活微生物的机理提供一个更好的理解。
具体实施方式
实施例1零价纳米铁去除水体枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)
(1)将NaBH4溶液逐滴加入到等摩尔浓度的Fe(NO3)3·9H2O溶液中，磁子快速搅拌并伴随氢气的释放，离心收集合成的零价纳米铁颗粒并用无菌去离子水洗涤两次，但可根据情况省略该步，最后加入无菌去离子水配成浓度为5mg/ml的零价纳米铁悬浮液备用；
(2)将1.8ml 5mg/ml的零价纳米铁悬浮液加入到15ml无菌试管中(对照试管加入1.8ml无菌去离子水)，再将0.2ml枯草芽孢杆菌浓度为104-1010CFU/ml的菌液注入零价纳米铁悬浮液液面以下，充分混合并用漩涡仪以3200rpm有氧剧烈振荡5min后，分别取对照组试管和处理组试管的菌液100μl涂板培养确定细菌浓度，计算灭活率；
(3)将反应后的试管置于磁铁旁静置5min后，绝大部分细菌即被纳米铁所吸附并富集到靠近磁铁的一侧，取出剩余的水体即为处理后的水样。通过胰蛋白酶大豆琼脂培养的方法确定剩余水体中细菌浓度，计算总去除率。经培养方法检测对初始可培养浓度为103CFU/ml的枯草芽孢杆菌的灭活率为40.18％，而对初始浓度为108、106、104CFU/ml的枯草芽孢杆菌的总去除率分别为4.08-log、3.80-log和2.54-log。
实施例2零价纳米铁去除水体大肠杆菌(Escherichia coli)
(1)将NaBH4溶液逐滴加入到等摩尔浓度的Fe(NO3)3·9H2O溶液中，磁子快速搅拌并伴随氢气释放，离心收集合成的零价纳米铁颗粒并用无菌去离子水洗涤两次，最后加入无菌去离子水配成浓度为5mg/ml的零价纳米铁悬浮液备用；
(2)将1.8ml 5mg/ml的零价纳米铁悬浮液加入到15ml无菌试管中(对照试管加入1.8ml无菌去离子水)，再将0.2ml大肠杆菌浓度为104-1010CFU/ml的菌液注入零价纳米铁悬浮液液面以下，充分混合并用漩涡仪以3200rpm有氧剧烈振荡5min后，分别取对照组试管和处理组试管的菌液100μl涂板培养确定细菌浓度，计算灭活率；
(3)将反应后的试管置于磁铁旁静置5min后，绝大部分细菌即被纳米铁所吸附并富集到靠近磁铁的一侧，取出剩余的水体即为处理后的水样。通过胰蛋白酶大豆琼脂培养的方法确定剩余水体中细菌浓度，计算总去除率。经检测对初始可培养浓度为103CFU/ml 的大肠杆菌的灭活率为81.18％，而对初始可培养浓度为108、106、104CFU/ml的大肠杆菌的总去除率分别为5.06-log、5.81-log和3.81-log。
实施例3零价纳米铁去除生活废水中的细菌
(1)将NaBH4溶液逐滴加入到等摩尔浓度的Fe(NO3)3·9H2O溶液中，磁子快速搅拌并伴随氢气释放，离心收集合成的零价纳米铁颗粒并用无菌去离子水洗涤两次，最后加入无菌去离子水配成5mg/ml零价纳米铁悬浮液备用；
(2)将1.8ml 5mg/ml的零价纳米铁悬浮液加入到15ml无菌试管中(对照试管加入1.8ml无菌去离子水)，再将0.2ml细菌浓度为104CFU/ml的生活废水注入零价纳米铁悬浮液液面以下，充分混合并用漩涡仪以3200rpm有氧剧烈振荡5min后，分别取对照组试管和处理组试管的菌液100μl涂板培养确定细菌浓度，计算灭活率；
(3)将反应后的试管置于磁铁旁静置5min后，绝大部分细菌即被纳米铁所吸附并富集到靠近磁铁的一侧，取出剩余的水体即为处理后的水样。通过胰蛋白酶大豆琼脂培养的方法确定剩余水体中细菌浓度，计算总去除率。经检测对初始可培养浓度为103CFU/ml的生活废水中细菌的灭活率为57.20％，而总去除率为2.81-log。
Claims (11)
1.一种利用零价纳米铁磁分离和灭活去除水体中细菌的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)用化学反应等方法合成零价纳米铁，并配制成一定浓度的悬浮液；
b)将零价纳米铁悬浮液与菌液或废水样品充分混合，并在有氧条件下剧烈振荡一定时间；
c)将反应后的混合体系置于磁铁旁静置一定时间；
d)待磁性颗粒与其所吸附的细菌富集到磁铁的一侧，将剩余的水样取出，实现水体中细菌的去除与灭活。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述化学方法为等摩尔浓度NaBH4与Fe(NO3)3·9H2O溶液的反应，且NaBH4需过量，然后将NaBH4溶液逐滴加入到磁子快速搅拌的Fe(NO3)3·9H2O溶液中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述合成的零价纳米铁颗粒由无菌去离子水洗涤两次，4000rpm离心收集，再用无菌去离子水配制成悬浮液，尽量减少零价纳米铁和空气接触。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述一定纳米铁浓度为0.1-20mg/ml。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述菌液或废水样品与零价纳米铁悬浮液的体积比10～0.01。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述有氧条件是指反应器内可利用的氧气含量足够将加入的零价纳米铁颗粒全部氧化。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述剧烈振荡是指振荡器或漩涡仪转速在3200rpm左右。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中，所述一定时间是指5-10min。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，所述磁铁的大小和磁性强度足够吸附反应体系中的所有纳米铁颗粒。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中，所述一定时间是指5-30min。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤d)中，所述剩余水样是指不含或有微量磁性颗粒的水体。
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