大粒径、多孔磁性复合微球的制备、表征及脱硫菌的固定化研究

摘要

磁性高分子微球是指通过适当的方法使聚合物与无机磁性颗粒结合起来形成的具有一定磁响应性及特定结构的微球。因其具有磁性可在外加磁场作用下方便迅速地分离,同时也可以通过共聚、表面改性等方法赋予其表面多种反应性功能性基团,因而受到广泛的关注。在固定化微生物、固定化酶、靶向药物、细胞分离等领域都有着广阔的应用前景。本文采用分散聚合法,制备出了单分散性好、粒径分布窄、磁响应性强的聚(苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸)磁性高分子微球。无机磁性颗粒的性质是影响磁性高分子微球磁响应性的主要因素。对于纳米Fe3O4的制备,采用了化学共沉淀法,通过聚乙二醇(PEG)和十二烷基磺酸钠(SDS)对其表面进行改性,采用透射电子显微镜(TEM)和X射线粉末衍射仪(XRD)测定了Fe3O4颗粒粒径为11nm;通过红外光谱(IR)表征,Fe3O4颗粒表面包裹了聚乙二醇和十二烷基磺酸钠;振动样品磁强计(VSM)分析指出了磁流体的饱和磁化强度为48.20emu/g。采用分散聚合法制备了磁性高分子微球,聚合单体为苯乙烯(St),分散介质采用乙醇/水,稳定剂选用聚乙二醇(PEG)、引发剂为过氧化苯甲酰(BPO)、交联剂为(DVB)、功能性单体为甲基丙烯酸(MAA)。研究了单体苯乙烯、磁流体、分散剂、反应温度、分散介质、稳定剂、引发剂、搅拌速度等因素对备磁性高分子微球的粒径和粒径分布的影响。通过光学显微镜、粉末衍射仪(XRD)、傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TG)、振动样品磁强计(VSM)等仪器对微球进行了表征,结果表明,所制备出的磁性高分子微球粒径介于350-450μm,呈很好的球形,单分散性也较好;复合微球具有多相结构,内部为纳米Fe3O4磁性颗粒,外壳为St-MAA共聚物,微球表面携带羧基;磁性复合微球几乎没有磁滞,呈现出超顺磁性,而微球内Fe3O4含量达到了17.07％(质量)。磁性多孔微球(MPM)的制备,以苯乙烯为单体,二乙烯基苯为交联剂,分散介质采用乙醇/水,稳定剂选用聚乙二醇(PEG)、引发剂为过氧化苯甲酰(BPO)、致孔剂为甲苯和正庚烷。光学显微镜分析表明所制MPM球形度高、表面粗糙、粒径均匀、单分散性好,平均粒径在400μm左右;压汞仪和孔径仪测定表明,MPM具有大的比表面积(11800m2/m3)、大的孔度(67.60%)、大的孔容(2.40mL/g)和窄的孔径分布,而且平均孔径介于细菌大小范围内,有利于微生物固定化;通过振动样品磁强计表征,磁性多孔微球的比饱和磁化强度为3.75emu/g,可以用作磁性稳态流化床(MSFB)的填充载体。以MPM为载体,采用吸附法固载脱硫微生物,并用于磁性稳态流化床,进行微生物脱硫实验。通过扫描电镜等方法研究了生物膜的形成过程,同时计算出了反应器中磁性多孔微球的浓度、生物膜量和生物膜浓度等,微球表面微生物固载量达到109.80mg/g,说明磁性多孔微球的表面能吸附大量的微生物,且运行过程中维持着高浓度和密集的活性生物膜。并进行了磁性稳态流化床净化SO2废气初步试验,净化效率可达90%以上。

目录

摘要

Abstract

第一章 文献综述

1.1 概述

1.2 磁流体的制备

1.3 磁性高分子微球的制备方法

1.3.1 包埋法

1.3.2 单体聚合法

1.4 磁性高分子微球的应用

1.4.1 固定化微生物

1.4.2 固定化酶

1.4.3 靶向药物

1.4.4 细胞分离

1.5 课题的研究意义、内容及思路

1.5.1 课题的意义

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究思路

第二章 磁流体的制备及表征

2.1 实验部分

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器设备

2.1.3 实验步骤及实验装置图

2.1.4 磁流体的表征

2.2 结果与讨论

2.2.1 磁流体TEM 照片分析

2.2.2 磁流体红外光谱分析

2.2.3 X 射线粉末衍射仪（XRD）分析

2.2.4 振动样品磁强计(VSM)

2.2.5 磁流体的稳定性

2.3 本章小结

第三章 单分散磁性高分子复合微球的合成与表征

3.1 实验部分

3.1.1 实验试剂

3.1.2 实验仪器设备

3.1.3 实验步骤及实验装置图

3.1.4 磁性微球的表征

3.2 结果与讨论

3.2.1 光学显微镜的形态分析

3.2.2 样品的XRD 分析

3.2.3 IR 分析

3.2.4 热重分析

3.2.5 磁性分析

3.2.6 磁性微球粒径及其分布的影响因素

3.3 本章小结

第四章 磁性多孔复合高分子微球的制备及表征

4.1 实验部分

4.1.1 实验试剂

4.1.2 实验仪器设备

4.1.3 实验步骤

4.1.4 磁性多孔微球的表征

4.2 结果与讨论

4.2.1 磁性多孔微球的成孔机理

4.2.2 光学显微镜的形态分析

4.2.3 磁性多孔微球(MPM)的物理性状

4.2.4 磁性多孔微球的磁性分析

4.3 本章小结

第五章 磁性多孔微球固定化脱硫菌的研究

5.1 实验部分

5.1.1 SRB 菌种的驯化和纯化

5.1.2 磁性多孔珠的制备和特征

5.1.3 磁性稳态流化床（MSFB）

5.1.4 SRB 的固定化

5.1.5 固定化SRB 的脱硫试验

5.2 结果与讨论

5.2.1 生物膜形成机理

5.2.2 生物脱硫系统的生物膜组成

5.2.3 固定化生物膜量

5.2.4 固定化SRB 的脱硫性能的初步研究

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

作者简介