氨基介孔磁性載體在柴油生物脫硫中的應用

孫昭玥，張秀霞，鄭西來，郭文浩，韓 康，夏 璐

（1. 中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2. 中國石油大學（華東） 化學工程學院，山東 青島 266580）

研究報告

氨基介孔磁性載體在柴油生物脫硫中的應用

孫昭玥1，張秀霞2，鄭西來1，郭文浩2，韓 康2，夏 璐1

（1. 中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2. 中國石油大學（華東） 化學工程學院，山東 青島 266580）

制備了氨基介孔磁性載體（AMMC），分別采用FTIR，XRD，TEM等技術對AMMC的官能團、磁性、表觀形態和沉降性能等進行了表征，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柴油的脫硫性能。表征結果顯示，AMMC負載了氨基，是具有豐富孔結構的磁性載體（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、磁性良好、分離速度快的特點。脫硫實驗結果表明：AMMC固定化脫硫菌配合吐溫80使用，對DBT的降解率最高，脫硫反應第3天，DBT降解率為75%；AMMC固定化脫硫菌未經活化直接第5次重復使用時，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

傳統的煉油加氫脫硫工藝投資費用高，操作條件嚴苛，而且對柴油中噻吩類化合物的脫除效果差［1］。為了實現深度脫硫，需要消耗大量的H2，釋放大量的CO2，造成能源浪費和環境污染［2］。生物脫硫法對低濃度的雜環硫具有很好的降解能力，且投資費用低，在深度脫硫方面具有更大的應用潛力［3］。但在生物脫硫過程中，脫硫菌分泌的表面活性劑會造成嚴重的油品乳化現象，使菌體分離困難［4］。將菌體從反應體系中快速分離，并對其進行活化，提高載體的傳質性能，是生物法高效脫硫的關鍵［5］。磁性材料作為固定化細胞載體，能夠節省分離時間，簡化菌體回收過程。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），發現固定細胞的DBT降解率比游離細胞高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，并進行了脫硫性能的研究。納米氨基磁性材料在酶和細胞的固定［7］、基因工程［9］和重金屬處理［10］等領域均有應用。

本工作制備了氨基介孔磁性載體（AMMC），分別采用FTIR，XRD，TEM等技術對AMMC的官能團、磁性、表觀形態和沉降性能等進行了表征，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柴油的脫硫性能。

1 實驗部分

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，鏡檢為革蘭氏陽性短桿菌，Gibb’s試劑顯色反應為藍色。

正十六烷：色譜純；三甲基氯硅烷、吐溫80：化學純；其他試劑均為分析純。涉及生物實驗的材料均經過高壓蒸汽滅菌處理。

1.2 實驗方法

1.2.1 AMMC的制備

在Fe3O4鐵磁流體制備的基礎上［11］，通過一步包硅、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劑KH-500對MMC進行氨基負載，并在氮氣保護下回流反應4 h，經過洗滌、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無菌LB培養基［14］中，在30 ℃、120 r/min的振蕩條件下培養2 d，得到活化菌液；取1 mL活化菌液，接種于上述LB培養基中，并加入0.05 g AMMC，在30 ℃、120 r/min的振蕩條件下培養1 d，用磁鐵進行固液分離并用水沖洗固體表面數次，得到AMMC固定化脫硫菌，4 ℃低溫保存備用。

1.2.3 脫硫實驗

將2 mL DBT質量濃度為100 mg/L的正十六烷與28 mL無菌LB培養基混合（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。取相同濕重的游離脫硫菌，在相同條件下培養，作為對照。為考察乳化劑吐溫80對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，重復相同的脫硫實驗。在脫硫反應進行的不同時間取樣，用正己烷萃取溶液中的DBT，測定DBT的質量濃度，計算DBT降解率。

1.3 表征方法

采用布魯克道爾頓公司450-GC型氣相色譜儀測定DBT的含量，Agilent HP-5氣相毛細管柱30 m×0.32 mm×0.25 μm，FID檢測器；采用美國Thermo Nicolet公司NEXUS型原位漫反射傅里葉變換紅外光譜儀表征AMMC的結構，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AMMC進行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AMMC的表面結構，加速電壓為200 kV；采用美國麥克公司Tristar II 3020 型3站全自動比表面積及介孔物理吸附分析儀測定試樣的比表面積和孔結構，通過BJH模式計算孔徑、BET法計算比表面積。

2 結果與討論

2.1 AMMC的表征結果

2.1.1 FTIR

MMC和AMMC的FTIR譜圖見圖1。

圖1 MMC和AMMC的FTIR譜圖

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

2.1.2 XRD

AMMC的XRD譜圖見圖2。由圖2可見，在2θ為30.09°，35.50°，43.09°，53.54°，56.97°，62.62°處均出現了Fe3O4的標準衍射峰，可見經過兩步包硅、煅燒脫模和氨基負載后，Fe3O4的晶體結構并未遭到破壞，這為利用AMMC的磁性進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照片見圖3。由圖3可見：AMMC經過煅燒處理，出現了團聚現象，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。硅為穩定性物質，能避免載體的Fe3O4磁性核心與培養基直接接觸，降低微生物、化學物質的侵蝕，延長載體的使用壽命［15］。

圖3 AMMC的TEM照片

2.1.4 AMMC的孔結構

AMMC的 BJH孔徑分布見圖4。由圖4可見：AMMC是一種具有豐富孔結構的微、介孔材料，經計算，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構有利于菌體的負載和反應介質的傳輸。

圖4 AMMC的 BJH孔徑分布

AMMC的N2吸附-脫附等溫線見圖5。由圖5可見：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的沉降性能見圖6。

圖6 AMMC的沉降性能

由圖6可見：在無磁場的情況下，AMMC能均勻分散于水相中，并在5 min內無明顯自然沉降現象；在有磁場的情況下，AMMC快速沉降。由此可見，AMMC粉末具有懸浮能力強、磁性良好、分離速度快的特點，可以利用外加磁場對AMMC固定化脫硫菌進行高效分離、回收。

2.3 AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的脫硫性能

在有無吐溫80的條件下，AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌對DBT的降解率見圖7。由圖7可見：脫硫反應第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速度快，脫硫性能更佳；脫硫反應第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%，無吐溫80的條件下固定化脫硫菌的脫硫率為56%。

由此可見，有吐溫80的條件下，DBT降解率更高。這是因為，吐溫80可以減少細胞周圍的代謝產物，降低對細胞的毒害作用［16］，還能增加油水界面的接觸面積，提高生物脫硫效果［17］。總體來說，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DBT的降解率

2.4 AMMC固定化脫硫菌和游離脫硫菌的重復使用性能

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使用性能見圖8。由圖8可見：隨著重復使用次數的增加，兩組脫硫菌的DBT降解率均呈下降趨勢；第2次使用時，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，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于游離脫硫菌的原因可以歸結為：固定后菌體不易流失，有利于維持穩定的脫硫率；硅膜的存在使載體物理化學性能穩定，載體的壽命延長。

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。這是由于脫硫反應后沒有進行固定化脫硫菌細胞活化而用其直接進行新的脫硫過程所導致的。

圖8 固定化脫硫菌和游離脫硫菌的重復使用性能

3 結論

a）AMMC是具有豐富孔結構的磁性載體，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、磁性良好、分離速度快的特點。

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

c）AMMC固定化脫硫菌未經活化直接第5次重復使用時，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，有利于維持穩定的脫硫率。

［1］ Bordoloi N K，Rai S K，Chaudhuri M K，et al. Deep-Desulfurization of Dibenzothiophene and Its Derivatives Present in Diesel Oil by A Newly Isolated BacteriumAchromobactersp. to Reduce the Environmental Pollution from Fossil Fuel Combustion［J］. Fuel ProcessTechnol，2014，119：236 - 244.

［2］ 杜長海，賀巖峰. 生物催化石油脫硫技術進展［J］. 化工進展，2002，21（8）：569 - 571.

［3］ Mohebali G，Ball A S. Biocatalytic Desulfurization（BDS） of Petrodiesel Fuels［J］. Microbiology，2008，154（8）：2169 - 2183.

［4］ 馬挺，李京浩，王仁靜，等. 柴油生物脫硫乳狀液的破乳［J］. 化工學報，2005（4）：700 - 704.

［5］ Zhang Ting，Li Wangliang，Chen Xiaoxin，et al. Enhanced Biodesulfurization by Magnetic ImmobilizedRhodococcus erythropolisLSSE8-1-vgb Assembled with Nano-γ-Al2O3［J］. World J Microbiol Biotechnol，2011，27（2）：299 - 305.

［6］ Ansari F，Grigoriev P，Libor S，et al. DBT Degradation Enhancement by DecoratingRhodococcus erythropolisIGST8 with Magnetic Fe3O4Nanoparticles［J］. Biotechnol Bioeng，2009，102（5）：1505 - 1512.

［7］ Li Yuguang，Gao Hongshuai，Li Wangliang，et al. In Situ Magnetic Separation and Immobilization of Dibenzothiophene-Desulfurizing Bacteria［J］. Bioresour Technol，2009，100（21）：5092 - 5096.

［8］ Robatjazi S M，Shojaosadati S A，Khalilzadeh R，et al. Immobilization of Magnetic Modified Flavobacterium ATCC 27551 Using Magnetic Field and Evaluation of the Enzyme Stability of Immobilized Bacteria［J］. Bioresour Technol，2012，104（1）：6 - 11.

［9］ 邵丹丹. 磁性二氧化硅復合微球的制備及其在DNA和蛋白質分離中的應用［D］. 復旦大學，2008.

［10］ 賀曉靜. 功能化磁性載體的合成表征及應用［D］. 華南師范大學，2007.

［11］ 何強芳，李國明，陳爍. 水基 Fe3O4磁流體的制備［J］. 應用化學，2005，22（6）：665 - 668.

［12］ Wu Pinggui，Zhu Jianhua，Xu Zhenghe. Template Assisted Synthesis of Mesoporous Magnetic Nanocomposite Particles［J］. Adv Funct Mater，2004，14（4）：345 - 351.

［13］ 黃桂華，殷霞，章偉光，等. 功能化介孔磁性載體的制備及對銅離子的吸附［J］. 華南師范大學學報：自然科學版，2006（4）：82 - 87.

［14］ 李振明，成文，賀曉靜，等. 茚三酮比色法測定磁性載體固定微生物含量的研究［J］. 華南師范大學學報：自然科學版，2007（4）：92 - 97.

［15］ 許敬亮，袁振宏，張宇，等. 氨基功能載體固定化酶研究進展［J］. 化工進展，2010（3）：494 - 497.

［16］ Feng Jinhui，Zeng Yiyong，Ma Cuiping，et al. The Surfactant Tween 80 Enhances Biodesulfurization［J］. Appl Environ Microbiol，2006，72（11）：7390 -7393.

［17］ 侯影飛，孔瑛，楊金榮，等. 傳質助劑對柴油生物脫硫過程的影響［J］. 化學通報：印刷版，2005，68（10）：789 - 792，788.

（編輯 祖國紅）

·信息與動態·

美國公司開發一種由廢氣提取能源的系統

Chem Eng，2015，122（7）：8

許多化學加工工業（CPI）生產過程中會產生不純的、并具有較低能量密度的氣體副產品。美國加利福尼亞州的Ener-Core動力公司日前推出一項技術，可以從原本會被燃燒或排放而浪費掉的氣體中提取出有價值的能量和熱量。

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

該技術通過精細控制，使熱氧化反應即使采用稀釋氣體或不純氣體，也依然保持穩定。通常，具有燃燒特性的化學鏈式反應無法用這樣的低質量的氣體維持。通過減慢反應速率并降低反應溫度，Ener-Core系統可以快速氧化甲烷而不產生CO、NOx和顆粒物等污染物。

在Ener-Core系統中，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 ℃下被送入一臺填充床反應器。包括揮發性有機化合物（VOC）在內的所有物種在反應器中被氧化，反應產生的熱量被用于驅動汽輪機以產生電力。

該公司已經在荷蘭的一個垃圾填埋場建立了第一座250 kW的電站，并正在申請在不久的將來安裝多個系統，包括位于美國加州某乙醇生產廠的一個更大的2×1.75 MW的系統。

（以上由趙淑戰供稿）

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。聯系人：鄭西來，電話 0532 - 66781759，電郵 zhxilai@ouc.edu.cn。

國家自然科學基金資助項目（ 41172209）。