孫昭玥，張秀霞，鄭西來(lái)，郭文浩，韓 康，夏 璐

（1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580）

研究報(bào)告

氨基介孔磁性載體在柴油生物脫硫中的應(yīng)用

孫昭玥1，張秀霞2，鄭西來(lái)1，郭文浩2，韓 康2，夏 璐1

（1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580）

制備了氨基介孔磁性載體（AMMC），分別采用FTIR，XRD，TEM等技術(shù)對(duì)AMMC的官能團(tuán)、磁性、表觀形態(tài)和沉降性能等進(jìn)行了表征，并將脫硫菌株固定于AMMC上，以含二苯并噻吩（DBT）的正十六烷為模擬柴油，比較了固定化脫硫菌和游離脫硫菌對(duì)柴油的脫硫性能。表征結(jié)果顯示，AMMC負(fù)載了氨基，是具有豐富孔結(jié)構(gòu)的磁性載體（比表面積為61 m2/g、孔體積為0.131 cm3/g、平均孔徑為11.339 nm），具有懸浮能力強(qiáng)、磁性良好、分離速度快的特點(diǎn)。脫硫?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明：AMMC固定化脫硫菌配合吐溫80使用，對(duì)DBT的降解率最高，脫硫反應(yīng)第3天，DBT降解率為75%；AMMC固定化脫硫菌未經(jīng)活化直接第5次重復(fù)使用時(shí)，DBT降解率維持在30%左右，游離脫硫菌的DBT降解率不足10%。

氨基介孔磁性載體；生物脫硫；固定化；柴油；正十六烷；二苯并噻吩

傳統(tǒng)的煉油加氫脫硫工藝投資費(fèi)用高，操作條件嚴(yán)苛，而且對(duì)柴油中噻吩類(lèi)化合物的脫除效果差［1］。為了實(shí)現(xiàn)深度脫硫，需要消耗大量的H2，釋放大量的CO2，造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染［2］。生物脫硫法對(duì)低濃度的雜環(huán)硫具有很好的降解能力，且投資費(fèi)用低，在深度脫硫方面具有更大的應(yīng)用潛力［3］。但在生物脫硫過(guò)程中，脫硫菌分泌的表面活性劑會(huì)造成嚴(yán)重的油品乳化現(xiàn)象，使菌體分離困難［4］。將菌體從反應(yīng)體系中快速分離，并對(duì)其進(jìn)行活化，提高載體的傳質(zhì)性能，是生物法高效脫硫的關(guān)鍵［5］。磁性材料作為固定化細(xì)胞載體，能夠節(jié)省分離時(shí)間，簡(jiǎn)化菌體回收過(guò)程。Ansari等［6］采用Fe3O4磁性納米粒子固定二苯并噻吩（DBT）降解菌（Rhodococcus erythropolisIGST8），發(fā)現(xiàn)固定細(xì)胞的DBT降解率比游離細(xì)胞高56%，而且容易回收利用。Li等［7］和Robatjazi等［8］也分別采用超順磁性Fe3O4納米粒子和羧酸鹽改性的磁性納米粒子固定脫硫菌，并進(jìn)行了脫硫性能的研究。納米氨基磁性材料在酶和細(xì)胞的固定［7］、基因工程［9］和重金屬處理［10］等領(lǐng)域均有應(yīng)用。

本工作制備了氨基介孔磁性載體（AMMC），分別采用FTIR，XRD，TEM等技術(shù)對(duì)AMMC的官能團(tuán)、磁性、表觀形態(tài)和沉降性能等進(jìn)行了表征，并將脫硫菌株固定于AMMC上，以含DBT的正十六烷模擬柴油，比較了固定化脫硫菌和游離脫硫菌對(duì)柴油的脫硫性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和試劑

從吐哈油田石油污染土壤中分離得到脫硫菌株，鏡檢為革蘭氏陽(yáng)性短桿菌，Gibb’s試劑顯色反應(yīng)為藍(lán)色。

正十六烷：色譜純；三甲基氯硅烷、吐溫80：化學(xué)純；其他試劑均為分析純。涉及生物實(shí)驗(yàn)的材料均經(jīng)過(guò)高壓蒸汽滅菌處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 AMMC的制備

在Fe3O4鐵磁流體制備的基礎(chǔ)上［11］，通過(guò)一步包硅、分子模板化、二步包硅、煅燒脫模等步驟合成介孔磁性載體（MMC）［12］。利用甲苯、吡啶、三甲基氯硅烷和硅烷偶聯(lián)劑KH-500對(duì)MMC進(jìn)行氨基負(fù)載，并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下回流反應(yīng)4 h，經(jīng)過(guò)洗滌、干燥后，得到AMMC［13］。

1.2.2 脫硫菌在AMMC上的固定化

將斜面保存的脫硫菌株接種于以DBT（20 mg/ L）為硫源的30 mL無(wú)菌LB培養(yǎng)基［14］中，在30 ℃、120 r/min的振蕩條件下培養(yǎng)2 d，得到活化菌液；取1 mL活化菌液，接種于上述LB培養(yǎng)基中，并加入0.05 g AMMC，在30 ℃、120 r/min的振蕩條件下培養(yǎng)1 d，用磁鐵進(jìn)行固液分離并用水沖洗固體表面數(shù)次，得到AMMC固定化脫硫菌，4 ℃低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 脫硫?qū)嶒?yàn)

將2 mL DBT質(zhì)量濃度為100 mg/L的正十六烷與28 mL無(wú)菌LB培養(yǎng)基混合（油水體積比為1∶14），投加一定量的AMMC固定化脫硫菌，在30 ℃、120 r/min的條件下振蕩培養(yǎng)。取相同濕重的游離脫硫菌，在相同條件下培養(yǎng)，作為對(duì)照。為考察乳化劑吐溫80對(duì)脫硫菌脫硫性能的影響，在上述相同條件下，分別添加0.2 mL吐溫80，重復(fù)相同的脫硫?qū)嶒?yàn)。在脫硫反應(yīng)進(jìn)行的不同時(shí)間取樣，用正己烷萃取溶液中的DBT，測(cè)定DBT的質(zhì)量濃度，計(jì)算DBT降解率。

1.3 表征方法

采用布魯克道爾頓公司450-GC型氣相色譜儀測(cè)定DBT的含量，Agilent HP-5氣相毛細(xì)管柱30 m×0.32 mm×0.25 μm，F(xiàn)ID檢測(cè)器；采用美國(guó)Thermo Nicolet公司NEXUS型原位漫反射傅里葉變換紅外光譜儀表征AMMC的結(jié)構(gòu)，KBr壓片；采用帕納科分析儀器公司X’Pert PRO MPD型X射線衍射儀對(duì)AMMC進(jìn)行XRD表征，CuKα射線（λ=0.154 18 nm），管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描速率10（°）/min，掃描范圍2θ=5°～60°；采用日本電子公司JEM-2100UHR型透射電子顯微鏡觀測(cè)AMMC的表面結(jié)構(gòu)，加速電壓為200 kV；采用美國(guó)麥克公司Tristar II 3020 型3站全自動(dòng)比表面積及介孔物理吸附分析儀測(cè)定試樣的比表面積和孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)BJH模式計(jì)算孔徑、BET法計(jì)算比表面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 AMMC的表征結(jié)果

2.1.1 FTIR

MMC和AMMC的FTIR譜圖見(jiàn)圖1。

圖1 MMC和AMMC的FTIR譜圖

由圖1可見(jiàn)：560 cm-1處的吸收峰歸屬于Fe—O鍵的伸縮振動(dòng)；1 085 cm-1處的吸收峰歸屬于Si—O—Si鍵的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)；460 cm-1處和800 cm-1處的吸收峰歸屬于Si—O鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)；1 630 cm-1處的吸收峰歸屬于N—H鍵或O—H鍵的彎曲振動(dòng)；3 445 cm-1處的吸收峰歸屬于N—H鍵或O—H鍵的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)。由圖1還可見(jiàn)，在3 445 cm-1處，AMMC比MMC吸收峰的強(qiáng)度明顯增高，可以推斷AMMC負(fù)載了氨基。

2.1.2 XRD

AMMC的XRD譜圖見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，在2θ為30.09°，35.50°，43.09°，53.54°，56.97°，62.62°處均出現(xiàn)了Fe3O4的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)兩步包硅、煅燒脫模和氨基負(fù)載后，F(xiàn)e3O4的晶體結(jié)構(gòu)并未遭到破壞，這為利用AMMC的磁性進(jìn)行菌體分離提供了有利條件。

圖2 AMMC的XRD譜圖

2.1.3 TEM

AMMC的TEM照片見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：AMMC經(jīng)過(guò)煅燒處理，出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，AMMC粒徑約為30 nm，其表面附著了較為均勻致密的硅膜，硅膜厚度為5 nm。硅為穩(wěn)定性物質(zhì)，能避免載體的Fe3O4磁性核心與培養(yǎng)基直接接觸，降低微生物、化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，延長(zhǎng)載體的使用壽命［15］。

圖3 AMMC的TEM照片

2.1.4 AMMC的孔結(jié)構(gòu)

AMMC的 BJH孔徑分布見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：AMMC是一種具有豐富孔結(jié)構(gòu)的微、介孔材料，經(jīng)計(jì)算，AMMC的比表面積為61 m2/g，孔體積為0.131 cm3/g，平均孔徑為11.339 nm。AMMC較大的比表面積和大量的孔結(jié)構(gòu)有利于菌體的負(fù)載和反應(yīng)介質(zhì)的傳輸。

圖4 AMMC的 BJH孔徑分布

AMMC的N2吸附-脫附等溫線見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：AMMC的吸附-脫附等溫線為Ⅳ型。

圖5 AMMC的N2吸附-脫附等溫線

2.2 AMMC的沉降性能

AMMC的沉降性能見(jiàn)圖6。

圖6 AMMC的沉降性能

由圖6可見(jiàn)：在無(wú)磁場(chǎng)的情況下，AMMC能均勻分散于水相中，并在5 min內(nèi)無(wú)明顯自然沉降現(xiàn)象；在有磁場(chǎng)的情況下，AMMC快速沉降。由此可見(jiàn)，AMMC粉末具有懸浮能力強(qiáng)、磁性良好、分離速度快的特點(diǎn)，可以利用外加磁場(chǎng)對(duì)AMMC固定化脫硫菌進(jìn)行高效分離、回收。

2.3 AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的脫硫性能

在有無(wú)吐溫80的條件下，AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌對(duì)DBT的降解率見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)：脫硫反應(yīng)第1 天，固定化脫硫菌的DBT降解率明顯高于游離脫硫菌，表明固定化脫硫菌的生物催化作用啟動(dòng)速度快，脫硫性能更佳；脫硫反應(yīng)第2天，有吐溫80的條件下AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的DBT降解率分別為63%和58%，兩者相差不大，無(wú)吐溫80的條件下AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的DBT的降解率均為50%；脫硫反應(yīng)第3天，有吐溫80的條件下，固定化脫硫菌和游離脫硫菌的DBT降解率分別為75%和66%，無(wú)吐溫80的條件下固定化脫硫菌的脫硫率為56%。

由此可見(jiàn)，有吐溫80的條件下，DBT降解率更高。這是因?yàn)?，吐?0可以減少細(xì)胞周?chē)拇x產(chǎn)物，降低對(duì)細(xì)胞的毒害作用［16］，還能增加油水界面的接觸面積，提高生物脫硫效果［17］?？傮w來(lái)說(shuō)，固定化脫硫菌配合吐溫80使用，DBT的降解率最高。

圖7 AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌對(duì)DBT的降解率

2.4 AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的重復(fù)使用性能

在有吐溫80的條件下，AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的重復(fù)使用性能見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)：隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，兩組脫硫菌的DBT降解率均呈下降趨勢(shì)；第2次使用時(shí)，AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的DBT降解率分別為66%和27%，游離脫硫菌的DBT降解率下降更為明顯；第5次使用時(shí)，固定化脫硫菌的DBT降解率仍能維持在30%左右，而游離脫硫菌的DBT降解率不足10%。固定化脫硫菌的脫硫效果優(yōu)于游離脫硫菌的原因可以歸結(jié)為：固定后菌體不易流失，有利于維持穩(wěn)定的脫硫率；硅膜的存在使載體物理化學(xué)性能穩(wěn)定，載體的壽命延長(zhǎng)。

雖然固定化脫硫菌的脫硫率較高，但第5次使用的固定化脫硫菌的DBT降解率與初次使用的DBT降解率相比，也明顯下降。這是由于脫硫反應(yīng)后沒(méi)有進(jìn)行固定化脫硫菌細(xì)胞活化而用其直接進(jìn)行新的脫硫過(guò)程所導(dǎo)致的。

圖8 固定化脫硫菌和游離脫硫菌的重復(fù)使用性能

3 結(jié)論

a）AMMC是具有豐富孔結(jié)構(gòu)的磁性載體，比表面積為61 m2/g，孔體積為0.131 cm3/g，平均孔徑為11.339 nm，AMMC粒徑約為30 nm，表面附著了較為均勻致密的硅膜。AMMC粉末具有懸浮能力強(qiáng)、磁性良好、分離速度快的特點(diǎn)。

b）AMMC固定化脫硫菌配合吐溫80使用，對(duì)DBT的降解率最高，脫硫反應(yīng)第3天，DBT降解率為75%，優(yōu)于游離脫硫菌配合吐溫80以及未加吐溫80單獨(dú)使用AMMC固定化脫硫菌的情況。

c）AMMC固定化脫硫菌未經(jīng)活化直接第5次重復(fù)使用時(shí)，DBT降解率維持在30%左右，游離脫硫菌的DBT降解率不足10%，表明固定后菌體不易流失，有利于維持穩(wěn)定的脫硫率。

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（編輯 祖國(guó)紅）

·信息與動(dòng)態(tài)·

美國(guó)公司開(kāi)發(fā)一種由廢氣提取能源的系統(tǒng)

Chem Eng，2015，122（7）：8

許多化學(xué)加工工業(yè)（CPI）生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不純的、并具有較低能量密度的氣體副產(chǎn)品。美國(guó)加利福尼亞州的Ener-Core動(dòng)力公司日前推出一項(xiàng)技術(shù)，可以從原本會(huì)被燃燒或排放而浪費(fèi)掉的氣體中提取出有價(jià)值的能量和熱量。

僅在美國(guó)，每年即有65 000 MW可利用的“免費(fèi)能源”，以低質(zhì)量甲烷的形式存在，主要來(lái)自垃圾填埋場(chǎng)、石油和天然氣設(shè)施、乙醇生產(chǎn)廠、化工生產(chǎn)裝置、煤礦及其他設(shè)施。 Ener-Core公司的技術(shù)可幫助許多公司獲取這些能源并減少污染物排放。

該技術(shù)通過(guò)精細(xì)控制，使熱氧化反應(yīng)即使采用稀釋氣體或不純氣體，也依然保持穩(wěn)定。通常，具有燃燒特性的化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)法用這樣的低質(zhì)量的氣體維持。通過(guò)減慢反應(yīng)速率并降低反應(yīng)溫度，Ener-Core系統(tǒng)可以快速氧化甲烷而不產(chǎn)生CO、NOx和顆粒物等污染物。

在Ener-Core系統(tǒng)中，原料廢氣首先用空氣稀釋并壓縮到0.6～0.7 MPa。然后，被壓縮的氣體在溫度900～1 000 ℃下被送入一臺(tái)填充床反應(yīng)器。包括揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）在內(nèi)的所有物種在反應(yīng)器中被氧化，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)以產(chǎn)生電力。

該公司已經(jīng)在荷蘭的一個(gè)垃圾填埋場(chǎng)建立了第一座250 kW的電站，并正在申請(qǐng)?jiān)诓痪玫膶?lái)安裝多個(gè)系統(tǒng)，包括位于美國(guó)加州某乙醇生產(chǎn)廠的一個(gè)更大的2×1.75 MW的系統(tǒng)。

（以上由趙淑戰(zhàn)供稿）

Application of Amino Mesoporous Magnetic Carrier on Biological Desulfurization of Diesel Oil

Sun Zhaoyue1，Zhang Xiuxia2，Zheng Xilai1，Guo Wenhao2，Han Kang2，Xia Lu1
（1. Key Laboratory of Marine Environment and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao Shandong 266100，China；2. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum（Hua Dong），Qingdao Shandong 266580，China）

The amino mesoporous magnetic carrier （AMMC） for desulfurization bacteria immobilization was prepared and characterized by FTIR，XRD and TEM in aspects of functional group，magnetism，morphology and sedimentation performance，etc.. Usingn-hexadecane containing dibenzothiophene as the simulated diesel oil，the desulfurization capability of the immobilized cells and free cells to diesel oil is compared with each other. The characterization results show that AMMC is a magnetic carrier with loaded amino-group and well-developed pore structure （the specif c surface area is 61 m2/g，the pore volume is 0.131 cm3/g，the average pore size is 11.339 nm），which has good properties of suspendability，magnetism and separation rate. The desulfurization experimental results show that：When the desulfurization bacteria immobilized on AMMC are used combining with Tween 80，the DBT degradation rate is the highest，and is 75% after reacted for 3 d；When the desulfurization bacteria immobilized on AMMC are reused at the 5th time and without activation，the DBT degradation rate is still about 30%，while that of the free cells is less than 10%.

amino mesoporous magnetic carrier；biological desulfurization；immobilization；diesel oil；n-hexadecane；dibenzothiophene

TE991.9

A

1006-1878（2015）06-0561-05

2015 - 05 - 08；

2015 - 09 - 10。

孫昭玥（1991—），女，山東省淄博市人，碩士生，電話 18300270298，電郵 zhaoyuesun1991@163.com。聯(lián)系人：鄭西來(lái)，電話 0532 - 66781759，電郵 zhxilai@ouc.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ 41172209）。