孙昭玥，张秀霞，郑西来，郭文浩，韩 康，夏 璐

（1. 中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2. 中国石油大学（华东） 化学工程学院，山东 青岛 266580）

研究报告

氨基介孔磁性载体在柴油生物脱硫中的应用

孙昭玥1，张秀霞2，郑西来1，郭文浩2，韩 康2，夏 璐1

（1. 中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2. 中国石油大学（华东） 化学工程学院，山东 青岛 266580）

制备了氨基介孔磁性载体（AMMC），分别采用FTIR，XRD，TEM等技术对AMMC的官能团、磁性、表观形态和沉降性能等进行了表征，并将脱硫菌株固定于AMMC上，以含二苯并噻吩（DBT）的正十六烷为模拟柴油，比较了固定化脱硫菌和游离脱硫菌对柴油的脱硫性能。表征结果显示，AMMC负载了氨基，是具有丰富孔结构的磁性载体（比表面积为61 m2/g、孔体积为0.131 cm3/g、平均孔径为11.339 nm），具有悬浮能力强、磁性良好、分离速度快的特点。脱硫实验结果表明：AMMC固定化脱硫菌配合吐温80使用，对DBT的降解率最高，脱硫反应第3天，DBT降解率为75%；AMMC固定化脱硫菌未经活化直接第5次重复使用时，DBT降解率维持在30%左右，游离脱硫菌的DBT降解率不足10%。

氨基介孔磁性载体；生物脱硫；固定化；柴油；正十六烷；二苯并噻吩

传统的炼油加氢脱硫工艺投资费用高，操作条件严苛，而且对柴油中噻吩类化合物的脱除效果差［1］。为了实现深度脱硫，需要消耗大量的H2，释放大量的CO2，造成能源浪费和环境污染［2］。生物脱硫法对低浓度的杂环硫具有很好的降解能力，且投资费用低，在深度脱硫方面具有更大的应用潜力［3］。但在生物脱硫过程中，脱硫菌分泌的表面活性剂会造成严重的油品乳化现象，使菌体分离困难［4］。将菌体从反应体系中快速分离，并对其进行活化，提高载体的传质性能，是生物法高效脱硫的关键［5］。磁性材料作为固定化细胞载体，能够节省分离时间，简化菌体回收过程。Ansari等［6］采用Fe3O4磁性纳米粒子固定二苯并噻吩（DBT）降解菌（Rhodococcus erythropolisIGST8），发现固定细胞的DBT降解率比游离细胞高56%，而且容易回收利用。Li等［7］和Robatjazi等［8］也分别采用超顺磁性Fe3O4纳米粒子和羧酸盐改性的磁性纳米粒子固定脱硫菌，并进行了脱硫性能的研究。纳米氨基磁性材料在酶和细胞的固定［7］、基因工程［9］和重金属处理［10］等领域均有应用。

本工作制备了氨基介孔磁性载体（AMMC），分别采用FTIR，XRD，TEM等技术对AMMC的官能团、磁性、表观形态和沉降性能等进行了表征，并将脱硫菌株固定于AMMC上，以含DBT的正十六烷模拟柴油，比较了固定化脱硫菌和游离脱硫菌对柴油的脱硫性能。

1 实验部分

1.1 材料和试剂

从吐哈油田石油污染土壤中分离得到脱硫菌株，镜检为革兰氏阳性短杆菌，Gibb’s试剂显色反应为蓝色。

正十六烷：色谱纯；三甲基氯硅烷、吐温80：化学纯；其他试剂均为分析纯。涉及生物实验的材料均经过高压蒸汽灭菌处理。

1.2 实验方法

1.2.1 AMMC的制备

在Fe3O4铁磁流体制备的基础上［11］，通过一步包硅、分子模板化、二步包硅、煅烧脱模等步骤合成介孔磁性载体（MMC）［12］。利用甲苯、吡啶、三甲基氯硅烷和硅烷偶联剂KH-500对MMC进行氨基负载，并在氮气保护下回流反应4 h，经过洗涤、干燥后，得到AMMC［13］。

1.2.2 脱硫菌在AMMC上的固定化

将斜面保存的脱硫菌株接种于以DBT（20 mg/ L）为硫源的30 mL无菌LB培养基［14］中，在30 ℃、120 r/min的振荡条件下培养2 d，得到活化菌液；取1 mL活化菌液，接种于上述LB培养基中，并加入0.05 g AMMC，在30 ℃、120 r/min的振荡条件下培养1 d，用磁铁进行固液分离并用水冲洗固体表面数次，得到AMMC固定化脱硫菌，4 ℃低温保存备用。

1.2.3 脱硫实验

将2 mL DBT质量浓度为100 mg/L的正十六烷与28 mL无菌LB培养基混合（油水体积比为1∶14），投加一定量的AMMC固定化脱硫菌，在30 ℃、120 r/min的条件下振荡培养。取相同湿重的游离脱硫菌，在相同条件下培养，作为对照。为考察乳化剂吐温80对脱硫菌脱硫性能的影响，在上述相同条件下，分别添加0.2 mL吐温80，重复相同的脱硫实验。在脱硫反应进行的不同时间取样，用正己烷萃取溶液中的DBT，测定DBT的质量浓度，计算DBT降解率。

1.3 表征方法

采用布鲁克道尔顿公司450-GC型气相色谱仪测定DBT的含量，Agilent HP-5气相毛细管柱30 m×0.32 mm×0.25 μm，FID检测器；采用美国Thermo Nicolet公司NEXUS型原位漫反射傅里叶变换红外光谱仪表征AMMC的结构，KBr压片；采用帕纳科分析仪器公司X’Pert PRO MPD型X射线衍射仪对AMMC进行XRD表征，CuKα射线（λ=0.154 18 nm），管电压40 kV，管电流40 mA，扫描速率10（°）/min，扫描范围2θ=5°～60°；采用日本电子公司JEM-2100UHR型透射电子显微镜观测AMMC的表面结构，加速电压为200 kV；采用美国麦克公司Tristar II 3020 型3站全自动比表面积及介孔物理吸附分析仪测定试样的比表面积和孔结构，通过BJH模式计算孔径、BET法计算比表面积。

2 结果与讨论

2.1 AMMC的表征结果

2.1.1 FTIR

MMC和AMMC的FTIR谱图见图1。

图1 MMC和AMMC的FTIR谱图

由图1可见：560 cm-1处的吸收峰归属于Fe—O键的伸缩振动；1 085 cm-1处的吸收峰归属于Si—O—Si键的反对称伸缩振动；460 cm-1处和800 cm-1处的吸收峰归属于Si—O键的对称伸缩振动；1 630 cm-1处的吸收峰归属于N—H键或O—H键的弯曲振动；3 445 cm-1处的吸收峰归属于N—H键或O—H键的不对称伸缩振动。由图1还可见，在3 445 cm-1处，AMMC比MMC吸收峰的强度明显增高，可以推断AMMC负载了氨基。

2.1.2 XRD

AMMC的XRD谱图见图2。由图2可见，在2θ为30.09°，35.50°，43.09°，53.54°，56.97°，62.62°处均出现了Fe3O4的标准衍射峰，可见经过两步包硅、煅烧脱模和氨基负载后，Fe3O4的晶体结构并未遭到破坏，这为利用AMMC的磁性进行菌体分离提供了有利条件。

图2 AMMC的XRD谱图

2.1.3 TEM

AMMC的TEM照片见图3。由图3可见：AMMC经过煅烧处理，出现了团聚现象，AMMC粒径约为30 nm，其表面附着了较为均匀致密的硅膜，硅膜厚度为5 nm。硅为稳定性物质，能避免载体的Fe3O4磁性核心与培养基直接接触，降低微生物、化学物质的侵蚀，延长载体的使用寿命［15］。

图3 AMMC的TEM照片

2.1.4 AMMC的孔结构

AMMC的 BJH孔径分布见图4。由图4可见：AMMC是一种具有丰富孔结构的微、介孔材料，经计算，AMMC的比表面积为61 m2/g，孔体积为0.131 cm3/g，平均孔径为11.339 nm。AMMC较大的比表面积和大量的孔结构有利于菌体的负载和反应介质的传输。

图4 AMMC的 BJH孔径分布

AMMC的N2吸附-脱附等温线见图5。由图5可见：AMMC的吸附-脱附等温线为Ⅳ型。

图5 AMMC的N2吸附-脱附等温线

2.2 AMMC的沉降性能

AMMC的沉降性能见图6。

图6 AMMC的沉降性能

由图6可见：在无磁场的情况下，AMMC能均匀分散于水相中，并在5 min内无明显自然沉降现象；在有磁场的情况下，AMMC快速沉降。由此可见，AMMC粉末具有悬浮能力强、磁性良好、分离速度快的特点，可以利用外加磁场对AMMC固定化脱硫菌进行高效分离、回收。

2.3 AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌的脱硫性能

在有无吐温80的条件下，AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌对DBT的降解率见图7。由图7可见：脱硫反应第1 天，固定化脱硫菌的DBT降解率明显高于游离脱硫菌，表明固定化脱硫菌的生物催化作用启动速度快，脱硫性能更佳；脱硫反应第2天，有吐温80的条件下AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌的DBT降解率分别为63%和58%，两者相差不大，无吐温80的条件下AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌的DBT的降解率均为50%；脱硫反应第3天，有吐温80的条件下，固定化脱硫菌和游离脱硫菌的DBT降解率分别为75%和66%，无吐温80的条件下固定化脱硫菌的脱硫率为56%。

由此可见，有吐温80的条件下，DBT降解率更高。这是因为，吐温80可以减少细胞周围的代谢产物，降低对细胞的毒害作用［16］，还能增加油水界面的接触面积，提高生物脱硫效果［17］。总体来说，固定化脱硫菌配合吐温80使用，DBT的降解率最高。

图7 AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌对DBT的降解率

2.4 AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌的重复使用性能

在有吐温80的条件下，AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌的重复使用性能见图8。由图8可见：随着重复使用次数的增加，两组脱硫菌的DBT降解率均呈下降趋势；第2次使用时，AMMC固定化脱硫菌和游离脱硫菌的DBT降解率分别为66%和27%，游离脱硫菌的DBT降解率下降更为明显；第5次使用时，固定化脱硫菌的DBT降解率仍能维持在30%左右，而游离脱硫菌的DBT降解率不足10%。固定化脱硫菌的脱硫效果优于游离脱硫菌的原因可以归结为：固定后菌体不易流失，有利于维持稳定的脱硫率；硅膜的存在使载体物理化学性能稳定，载体的寿命延长。

虽然固定化脱硫菌的脱硫率较高，但第5次使用的固定化脱硫菌的DBT降解率与初次使用的DBT降解率相比，也明显下降。这是由于脱硫反应后没有进行固定化脱硫菌细胞活化而用其直接进行新的脱硫过程所导致的。

图8 固定化脱硫菌和游离脱硫菌的重复使用性能

3 结论

a）AMMC是具有丰富孔结构的磁性载体，比表面积为61 m2/g，孔体积为0.131 cm3/g，平均孔径为11.339 nm，AMMC粒径约为30 nm，表面附着了较为均匀致密的硅膜。AMMC粉末具有悬浮能力强、磁性良好、分离速度快的特点。

b）AMMC固定化脱硫菌配合吐温80使用，对DBT的降解率最高，脱硫反应第3天，DBT降解率为75%，优于游离脱硫菌配合吐温80以及未加吐温80单独使用AMMC固定化脱硫菌的情况。

c）AMMC固定化脱硫菌未经活化直接第5次重复使用时，DBT降解率维持在30%左右，游离脱硫菌的DBT降解率不足10%，表明固定后菌体不易流失，有利于维持稳定的脱硫率。

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（编辑 祖国红）

·信息与动态·

美国公司开发一种由废气提取能源的系统

Chem Eng，2015，122（7）：8

许多化学加工工业（CPI）生产过程中会产生不纯的、并具有较低能量密度的气体副产品。美国加利福尼亚州的Ener-Core动力公司日前推出一项技术，可以从原本会被燃烧或排放而浪费掉的气体中提取出有价值的能量和热量。

仅在美国，每年即有65 000 MW可利用的“免费能源”，以低质量甲烷的形式存在，主要来自垃圾填埋场、石油和天然气设施、乙醇生产厂、化工生产装置、煤矿及其他设施。 Ener-Core公司的技术可帮助许多公司获取这些能源并减少污染物排放。

该技术通过精细控制，使热氧化反应即使采用稀释气体或不纯气体，也依然保持稳定。通常，具有燃烧特性的化学链式反应无法用这样的低质量的气体维持。通过减慢反应速率并降低反应温度，Ener-Core系统可以快速氧化甲烷而不产生CO、NOx和颗粒物等污染物。

在Ener-Core系统中，原料废气首先用空气稀释并压缩到0.6～0.7 MPa。然后，被压缩的气体在温度900～1 000 ℃下被送入一台填充床反应器。包括挥发性有机化合物（VOC）在内的所有物种在反应器中被氧化，反应产生的热量被用于驱动汽轮机以产生电力。

该公司已经在荷兰的一个垃圾填埋场建立了第一座250 kW的电站，并正在申请在不久的将来安装多个系统，包括位于美国加州某乙醇生产厂的一个更大的2×1.75 MW的系统。

（以上由赵淑战供稿）

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。

孙昭玥（1991—），女，山东省淄博市人，硕士生，电话 18300270298，电邮 zhaoyuesun1991@163.com。联系人：郑西来，电话 0532 - 66781759，电邮 zhxilai@ouc.edu.cn。

国家自然科学基金资助项目（ 41172209）。