血红密孔菌回收金纳米颗粒方法与原理及产物应用研究

发布时间：2020-04-13 03:13

【摘要】：贵金属资源是当今社会日益紧缺的重要资源,因其具有众多优异性能而在现代工业中发挥举足轻重的作用,被誉为“现代工业生命的维他命”,广泛应用于电子产品、传感器、生物医学、金银首饰等领域,不可避免地产生了大量富含贵金属的废弃物,从这些废弃物中有效回收贵金属是环境领域的重要任务和研究热点。传统的金属资源回收方法如化学沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法、吸附法能耗大,成本高,且会带来次生环境污染。微生物回收法操作简单且环境友好,有些微生物可将回收的贵金属转化成贵金属纳米颗粒,有利于实现废弃物的无害化和资源化,在贵金属资源回收领域备受关注。本课题提出利用血红密孔菌(Pycnoporus sanguineus)回收贵金属金获得金纳米颗粒(AuNPs),并将AuNPs用于催化应用的研究思路,首先建立P.sanguineus回收AuNPs的方法,其次探讨P.sanguineus回收金过程中的吸附行为和机理,随后在此基础上通过微生物菌体表面修饰增加菌体表面有效官能团的含量从而强化回收过程,最后考察回收的AuNPs在对硝基苯胺(p-Nitroaniline,p-NA)降解过程中的催化性能和氧还原反应的催化性能。论文取得的主要研究成果如下:(1)P.sanguineus细胞内含物(IPE)和菌体在不添加外源电子供体的条件下,能够有效回收溶液中的金离子,并获得高结晶度AuNPs。序批式实验结果表明,IPE添加量、初始金离子浓度、溶液pH、菌体投加量显著影响金离子的回收率和产物AuNPs的形貌与粒径分布。随着IPE添加量或菌体投加量的增加,金离子的回收率增加,获得的AuNPs粒径减小且分布更均匀。初始金离子浓度越大,金离子回收率越低,获得的AuNPs粒径越大。提高溶液pH值有利于获得粒径分布均匀且平均粒径较小的AuNPs,但不利于金离子的回收。比较IPE和菌体对金离子的回收效果,发现在相同条件下,菌体对金离子的回收率更高,IPE回收的AuNPs具有更好的分散性,而菌体回收的AuNPs主要沉积于细胞质中。(2)条件优化实验结果表明,P.sanguineus菌体对金离子的吸附效果受生物量、溶液pH、初始金离子浓度和吸附温度的影响,其中溶液pH和温度的影响较大。当初始金离子浓度为1.0 mM、吸附温度为30℃时,优化生物量为2.0 g/L、最佳pH值为4.0,吸附率达到95.30%。在生物量2.0 g/L、溶液pH值4.0、吸附温度30℃的条件下,初始金离子浓度为1.0、2.0和3.0 mM时,吸附达到平衡所需时间分别为4.0、8.0和12.0 h。实验数据拟合分析显示,P.sanguineus菌体对金离子的吸附过程符合准二级动力学模型(R~2=0.9340-0.9988)和Langumir等温线模型(R~2=0.9702-0.9958),且最大吸附容量高达358.69 mg/g。通过傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析及官能团掩蔽实验,证实了氨基、羧基和羟基在P.sanguineus吸附金离子过程中的重要作用,且其贡献大小顺序为:氨基羧基羟基。(3)基于氨基在回收过程中的重要贡献,对微生物菌体进行表面修饰,增加菌体表面氨基含量,从而强化P.sanguineus对金离子的回收过程。定性分析和定量测量结果表明,通过微生物菌体表面修饰,菌体表面氨基含量由1.29 mmol/g增加至2.81 mmol/g。扫描电镜观察显示菌体表面修饰使其形貌由表面光滑且具有一些树枝状结构变成表面呈层叠状结构且具有较多空隙。比较修饰菌体和原始菌体对金离子的吸附过程,发现菌体表面修饰极显著加速了菌体对金离子的吸附(P=0.0000.01)。吸附动力学研究表明,在生物量2.0 g/L、溶液pH值4.0、吸附温度30℃、初始金离子浓度为1.0、2.0和3.0 mM时,修饰菌体对金离子的吸附平衡时间分别为0.5、3.0和5.0 h,是原始菌体对金离子的吸附平衡时间的12.5%、37.5%和41.7%,菌体表面修饰使吸附速率常数增加至原来的11.2、3.1和3.7倍。30℃下吸附等温线研究表明,菌体表面修饰使其对金离子的最大吸附容量增加了30%,且金离子与菌体之间的结合力极显著增加(P=0.0000.01)。此外,菌体表面修饰能够促进金离子的后续还原和AuNPs的形成。菌体表面形貌的变化和表面氨基含量的明显增加是强化P.sanguineus回收金离子过程的内在原因。(4)催化实验结果表明,P.sanguineus IPE回收的AuNPs能够有效催化p-NA的降解,菌体回收的AuNPs经过煅烧处理后能够有效催化氧还原反应。0.197 mg、0.0197 mg和0.00197 mg平均粒径为6.07 nm的AuNPs能够分别在3 min、6 min和40 min内催化12.5μmol p-NA完全的降解。此外,回收完成后负载AuNPs的菌体在氩气氛围下于900℃煅烧2.0 h获得电催化剂Au@NC。其电化学测试结果显示,以KOH为电解液,获得的起始电位为+0.97 V,氧还原反应电子转移数为3.86,氧还原反应催化性能与商业20wt%Pt/C的催化性能相当,且Au@NC具有良好的甲醇耐受性和稳定性。
【图文】：

图片,添加量

图 2-4 不同 IPE 添加量下获得 AuNPs 的 TEM 图片Fig. 2-4 TEM images of AuNPs obtained with different IPE addition152025303510.3822.1729.4826.89Percentage(%)21.9745.1940mL IPE18.41<30 30-60 60-90 90-120 120-150 >1505.544.168.5916.3432.96Particle size (nm)10mL IPE32.41

形貌,金离子,图片,浓度

华南理工大学博士学位论文子反应来获得AuNPs，，其发现通过控制初始金离子浓度与IPE添加种形貌和粒径的 AuNPs，这与本实验中的结果相类似。0.5 mM 1.0 mM
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X705

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