核壳结构磁性粒子制备及应用

张少君，王明雨，刘冰冰，宫月红，潘新祥

(1. 山东交通学院 船舶与轮机工程学院，山东 威海 264310；2. 威海市海洋油污染处理工程技术研究中心，山东 威海 264310； 3. 大连海事大学，辽宁 大连 116024)

乳化油废水是石油开采、机械加工、金属维修等过程中排放的一种较难处理的含油废水。乳化油的粒径通常小于10 μm，大部分为0.1～2 μm，在动力学上具有较强的稳定性。其成分不仅包括乳化油，还有大量表面活性剂、烷烃、芳烃、酚、酮、酯、酸、卤代烃及含氮化合物等，同时还有大量Cl-、S2-、Na+、Ca2+、Mg2+、K+等无机离子。乳化油的化学需氧量(COD)高达几万。目前使用的乳化油废水除油方法主要有破乳、离心、重力沉降、浮选、电解、吸附、絮凝、膜分离等方法[1-2]，这些工艺在实际应用中除油效果较好，一般出水中油的质量浓度为几十毫克每升，但COD仍高达几百甚至几千，不能满足排放指标的要求，通常还需进行二次处理，如物理化学法(吸附、膜分离等)和生物氧化法等手段。因此，研究新型快速高效的水处理方法显得尤为重要。

固定化微生物技术是将微生物固定在载体上，使微生物高度密集并保持生物活性，在适宜条件下能够快速增殖的生物技术。这种技术应用于废水处理，有利于提高生物反应器内微生物的增殖、反应后的固液分离，提高系统的处理能力，可有效降解废水中的氮、磷、重金属、难降解有机物等，是一项高效低耗、运行管理简单的废水处理技术。磁性高分子粒子是近年来迅速发展起来的一种新型高分子材料，不仅具备高分子材料的优良性质，还具有良好的磁响应性[3-5]，在固定化、药物传送、分析化学、分离纯化等领域应用广泛[6-7]。将固定化技术与磁分离技术巧妙结合，是当今生物工程领域中一个十分活跃的研究方向[8-9]，其原理是将固定化微生物的磁性材料放入磁场稳定的反应器，利用磁性材料自身具有的磁场以及能够高效分离的特点，克服目前污水处理行业中无法实现污染物高效分离的缺陷[10]。在污水处理研究中，磁性材料应具有疏松多孔、生物亲和性强、可漂浮、易流化的特点[11-12]，磁性材料的制备是生物处理技术应用于含油水处理的关键。本研究使用分散聚合法制备磁性胶体磁核[13-14]，通过控制条件合成核壳结构的多孔材料，在磁性材料上固定微生物，制成乳化油废水处理剂，用于降解乳化油废水。

1 试验材料与方法

1.1 试剂与材料

包括氯化亚铁、氢氧化钠、双氧水、无水乙醇、盐酸、聚乙二醇(PEG)、十二烷基硫酸钠(SDS)、苯乙烯(St)、过氧化苯甲酰(BPO)、甲基丙烯酸(MAA)、二乙烯基苯(DVB)、聚合氯化铝(PAC)、聚天冬氨酸(PASA)、正己烷、琼脂、蛋白胨、牛肉浸膏、葡萄糖、酵母浸膏粉、蜡样芽胞杆菌、石油(密度为889 kg/m3)、柴油(密度为822 kg/m3)、重油、乳化油由实验室配制。

1.2 核壳结构磁性粒子的制备

称取FeCl3·6H2O (4 g)和FeCl2·4H2O (8 g) 溶于80 mL去离子水中，水浴加热至80 ℃，在氮气保护下，逐滴加入5 mL浓度为4 mol/L的氨水，搅拌30 min，使Fe3+与Fe2+沉淀。冷却至室温，滴加溶于50 mL去离子水的PEG(2 g)和SDS(3 g)进行改性，继续搅拌1 h。得到黑色溶液用乙醇絮凝后，得到Fe3O4磁性胶体，使用稀盐酸和去离子水洗涤至中性，烘干保存。配置100 mL 7%的PEG溶液，水浴加热至70 ℃，加入Fe3O4(12 g)磁性胶体，在氮气的保护下加入100 mL无水乙醇，60 ℃下搅拌0.5 h。将混合溶液升温至80 ℃，依次加入溶有BPO(4 g)的10 mL St、2 mL MAA、4mL DVB、12 mL正庚烷、12 mL甲苯、1 g PAC、1 g PASA，以丙酮为良溶剂，在索氏提取器中抽提48 h，120 ℃下烘干10 h，得到主要成分为苯乙烯-丙烯酸共聚物的磁性多孔粒子。

1.3 样品的表征测试

扫描电子显微镜(SEM)用于制备材料的形貌表征，X射线衍射仪(XRD)用于材料结构的测定，振动样品磁强计(VSM)用于测定所制备材料的磁性，Zeta电位测定仪用于表征胶体分散的稳定性，接触角测量仪测量表面接触角，比表面和孔径测量仪测定样品的比表面积，气相色谱用于测定微生物对乳化油的降解率。

气相色谱分析条件为：进样量为1 μL，分流比为1：10；载气为高纯氮气，柱流速为26.2 cm/s，柱温梯度设置为40 °C，保持5 min，以4 °C /min升温到240 °C，保持25 min。

吸附性能测试包括材料的吸油能力、保油能力测试[15]。样品吸附油品之前的质量记为m1，取去离子水和油品质量比按100:1混合，搅拌、超声分散处理30 min得到模拟乳化油溶液。样品浸没于溶液中吸附饱和取出静置约30 s后称量，样品的质量为m2；继续静置15 min再次称量，样品的质量为m3。

2 结果与讨论

2.1 吸附性能测试

在装满水的培养皿中滴加一滴重油，利用重油在水中分散较慢的特点，投入制备的材料，观察材料与油滴之间的相互作用，如图1a)、1b)所示，当材料从侧方靠近重油滴时，材料便会表现出明显的吸油性；如果材料垂直投入油滴，如图1c)、1d)所示，材料则会迅速吸附油滴，稍加外力震荡即迅速将油滴完全包覆。无论先投入材料和先滴入油滴，当材料和油滴接触时，材料迅速被油滴包覆，由此初步判定载体具有较好的亲油性。

合成高分子固定化材料对重油、原油和柴油的吸油率k和保油率q的计算式分别为：

(1)

(2)

试验3次，记录试验结果，取平均值，计算得到k和q,结果见表1。通过表1可以看出，制备的材料对3种油的吸附能力差异较大，说明油的品种与吸附能力相关。

a)从油滴侧方投放材料 b)油滴与材料相互吸引 c)从油滴垂直方向投放材料 d) 材料迅速被油滴包覆图1 合成高分子材料的亲油性能测试

序号品种m1/gm2/gm3/gk/(g·g-1)q/%1重油0．15054．22924．073827．100796．192原油0．14992．66142．315816．754586．243柴油0．15031．45221．16178．662077．69

2.2 静态接触角测试

为了测试载体材料的微观亲油疏水性能，使用接触角测量仪测试载体材料的接触角，测试结果见图2。

图2 材料的静态接触角

根据杨氏方程[16]可知，接触角θ可以度量材料润湿程度。当θ<90°时，液滴被拉开，沿材料表面展开，材料表面被润湿，表现为亲水。当θ>90°时，液滴收缩，沿材料表面聚集成珠状，材料表面不易被润湿，表现为疏水。θ如果大于150°，就会表现出明显的超疏水性。本研究制备的材料载体接触角θ显示值为133.4°，介于90°～150°，接近150°。制备的材料表现为疏水性，也说明制备载体具有良好的疏水性，适合作为固定化微生物材料。材料的疏水特性一方面保证了对石油的吸附性能，能够为石油降解微生物提供赖以生存的碳源，另一方面材料不是超疏水的结构，保证载体可以为微生物的生长留存所需必要的水分和营养。

2.3 X射线衍射表征

图3为制备的磁性材料的X射线衍射图。从图3中可以看出衍射角为30°、36°、43°、54°、57°、63°、71°和74°分别对应Fe3O4的8个晶面的衍射特征峰值220、311、400、422、511、440、620和523。由于XRD谱图中衍射峰尖锐且不存在其它杂峰，可以确定试验所制得的磁性材料含有Fe3O4。通过Scherrer公式晶粒垂直于晶面方向的平均厚度

式中：K为Scherrer常数；B为实测样品衍射峰半高宽度；θ为衍射角；γ为X射线波长，γ=0.154 0 nm。

可得D约为50 nm。

2.4 磁性测试

图4显示在室温300 K时，磁性粒子载体的室温磁滞回线。从图4可以看出，磁性粒子矫顽力为零，呈现出典型的超顺磁性。图中磁性粒子的比饱和磁化强度为3.95×103A/m，证明所制备磁性复合微粒具有较强的磁响应性，有利于固定化微生物材料使用后的回收及重复利用。

图3 制备材料的XRD谱图 图4 室温下磁性粒子的磁滞回线图

2.5 固定化微生物

采用吸附法固定微生物。制备的材料及固定化微生物的表面形貌电镜扫描见图5。由图5中可以看出，磁性粒子表面粗糙多孔，凹凸不平，成蜂窝网状结构，孔洞密集且相互连接，适合作为乳化油降解微生物的固定化材料。其中，磁性粒子的内核由磁性胶体构成，外壳由高分子材料合成。粒子疏松多孔，孔洞边缘颜色较淡，这是吸附了一层PEG和SDS的缘故。其形成基理为PEG和SDS通过非价键(氢键、配位键、静电)作用于Fe3O4粒子表面，形成溶剂化层壳，阻止了小粒子的生长和团聚，从而均匀分散于液体中，形成稳定性好的磁核，同时也加强了与非极性物质的亲和性。材料表面和孔隙间附着有大量杆状微生物，表明微生物在载体上呈现良好的生长、增殖状态，这也说明载体材料具有良好的生物亲和性，适宜微生物的生长繁殖。

a)磁性粒子表面形貌电镜扫描图 b)磁性粒子固定化微生物的表面形貌电镜扫描图图5 磁性粒子的SEM图

2.6 吸附机理分析

制备的材料应具有多孔结构方可用于固定化微生物。多孔材料的制备离不开致孔剂和交联剂。在发生聚合反应前，致孔剂溶于单体，但随着进一步的反应，聚合物不再溶于分散介质和致孔剂，以聚合物长链的形式从介质和致孔剂中析出。其中，致孔剂存于聚合物链间，而聚合物长链之间相互聚集并交联，最后组成多孔的骨架。抽提致孔剂，电热干燥箱干燥后即可制得磁性粒子。致孔剂一般可以分为良溶剂、不良溶剂以及线性聚合物3类。比较典型的良溶剂有甲苯，不良溶剂有环己烷、正己烷等，线型聚合物主要是聚苯乙烯。制备的磁性粒子的孔径与致孔剂的种类有关。用不良溶剂和线性聚合物作致孔剂制备的粒子一般具有不规则大孔的表面特征，因此会得到结构紧密的粒子。使用良溶剂阻止聚合物链的缠绕，得到的粒子结构膨松、孔径小、表面积大。

通过化学共沉淀法制备Fe3O4磁性纳米颗粒，反应式为: 2Fe3++ Fe2++8OH-→Fe3O4+ 4H2O，并采用PEG和SDS对颗粒进行改性，使其具有双亲性，得到磁性胶体。以磁性胶体为磁核，采用分散聚合的方法制备核壳结构的磁性粒子。核壳结构通过嵌套关系结合，从而最大程度保持了粒子的双亲性，通过控制致孔剂的条件，获得疏松多孔的粒子。多孔的结构使亲水磁核能够透过孔隙与外界接触，疏水的壳层对乳化油具有吸附性能，从而体现材料的双亲特性。经测试，材料比表面积高达1 032.43 m2/g。该材料吸附能力强、吸附容量大的主要原理是疏水性的外壳对乳化油具有亲和力，被吸附的乳化油滴被材料表层发达的孔隙捕捉，而由于材料内部空隙丰富且比表面积大，进一步提高了材料的油吸附容量。

2.7 石油降解效果

将微生物与培养液按1：10的体积比混合后制成菌悬液，原油、表面活性剂、水按10：1：100的体积比混和并超声处理配制成乳化油。GC-FID对固定化、直接投放(游离态)石油降解微生物的降解率

(3)

式中：Xc为空白乳化油的体积分数；Xs为经过降解作用后各样品中所含残油的体积分数。

降解测试12 h，分别计算游离态微生物和固定化微生物的降解率，得到降解率分别为11.83%、13.47%。石油降解微生物经过固定化后，在短时间内乳化油降解率显著增高，12 h内乳化油降解率比游离态降解微生物提高13.86%。该反应启动快、处理效率高，相较于游离态微生物，固定化微生物材料可以为微生物提供保活场所和源源不断的碳源，从而大幅提高微生物浓度，减少反应器体积，增强抗负荷冲击能力。结合实际应用伴随温度、pH等不确定工况，合成高分子固定化微生物材料具有良好的应用前景。

3 结论

1)将性能优良的磁性纳米材料引入到新型复合固定化材料的制备研究中，通过制备Fe3O4磁性纳米颗粒，并对之改性，得到双亲性磁性胶体磁核，采用分散聚合法制备核壳结构的磁性粒子。疏水性外壳对乳化油具有相互吸附的作用力，被吸附的乳化油滴被材料表层发达的孔隙捕获，而由于材料内部空隙丰富且比表面积大，进一步提高了材料的油吸附容量。

2)材料的比饱和磁化强度为3.95×103A/m，磁性粒子的磁响应性能优异，利于材料的回收和重复使用。SEM表征发现，材料布满了大量孔洞，微生物在磁性粒子中呈现出良好的生长状态，说明新型粒子具有生物亲和性，宜于作固定化微生物材料。

3)制备的材料固定化微生物处理含乳化油废水的除油效果较好。对游离态和固定化微生物分别降解乳化油进行降解率计算比对，微生物经过固定化之后，降解效率提高13.86%。本试验制备的材料处理乳化油废水具有反应启动快、处理效率高的特点，可以应用于处理含乳化油废水。

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