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我国能源现状十分严峻,开发可再生的生物能源迫在眉睫。微藻生物能源具有巨大的应用潜力和商业价值,然而微藻采收的繁琐与高成本仍是限制微藻生物柴油实际应用的一个关键性技术难题。用磁性纳米材料采收产油微藻因其操作简单、分离迅速、采收效率高等优点近年来备受关注。本文基于四氧化三铁(Fe304)磁性纳米材料,研究了包括氨基酸(AA)、富氨基聚酰胺胺树枝状高分子(PAMAM)以及长链多聚精氨酸(PA)在内的三类分子对Fe3O4磁性纳米颗粒(Fe3O4 MNPs)和多孔Fe304磁性米微球(p-Fe3O4)的表面修饰。系统考察了合成过程中各种条件对纳米材料尺寸和形貌的调控作用,表面功能化过程中各种条件和参数对目标修饰物在纳米材料上修饰效果的调控作用,检测了上述复合材料的微藻采收效能并解析了上述复合材料的采收机制。最后,评价了各种磁性纳米复合材料的再生性能,本研究将为功能化磁性纳米材料用于产油微藻的高效采收提供理论指导与技术支持。各单氨基酸修饰的Fe3O4磁性纳米材料(Fe3O4@AA)均可一定程度上提高对小球藻HQ的采收效果,其中赖氨酸修饰的Fe304磁性纳米颗粒采收效果最佳,因其表面修饰量较大使得纳米材料用量大约降低100 mg·L-1。进一步研究发现Fe3O4@AA对小球藻HQ的采收效能与Fe3O4@AA表面的氨基酸修饰量成正相关。但考虑到材料用量,Fe3O4@AA对小球藻HQ的综合采收效能仍不理想。进一步,设计富氨基强正电树枝状高分子PAMAM对Fe3O4磁性纳米颗粒进行表面修饰,得到1PAMAM修饰的Fe3O4复合磁性纳米材料(Fe3O4@PAMAM)。研究发现,与Fe3O4@AA相比,Fe3O4@PAMAM对小球藻HQ的采收效能显著提高。第3代Fe3O4@PAMAM (G3-dMNP)在pH 8.0,投加剂量80 mg·L-1时,最大吸附量为16.1g·g-1。另外,首次发现磁性纳米复合材料的采收效能与修饰分子的包覆厚度呈正相关关系。解析Fe3O4@PAMAM的采收机制发现,复合材料表面的富氨基正电树枝状聚合物含有更多的活性基团,从而使其和藻细胞之间的絮凝作用和氢键作用力增强,并且随PAMAM接枝代数逐渐增强的静电作用是吸附的重要机制之一。本研究采用强碱配合超声法处理Fe3O4@PAMAM,发现该方法能有效再生复合材料并同步提取胞内油脂,且再生后的材料循环稳定性较好。鉴于多孔Fe304磁性纳米微球的表面多孔特性,本研究尝试在其表面修饰长链多聚精氨酸以得到多聚精氨酸修饰的多孔Fe304磁性纳米微球(p-Fe3O4@PA)。检测发现此复合材料表面为疏松的多孔结构,平均孔径为224.2 A。修饰三种不同分子量的多聚精氨酸后,p-Fe3O4@PA对小球藻HQ的采收效率均迅速提高,其中分子量为15000-70000的多聚精氨酸修饰的多孔复合材料采收效果最佳,最佳投量从300 mg·L-1降至10 mg·L-1。深入研究发现,包覆较高分子量的多聚精氨酸能促进对微藻的吸附,但包覆的多聚精氨酸分子量过高(>70000)则不利于材料对微藻的采收。由于表面的疏松多孔结构,p-Fe3O4@PA中多聚精氨酸的修饰量高达57.9%。相当高的表面修饰量为小球藻HQ的采收提供了丰富的吸附介质和活性基团,极大地加强了微藻细胞和纳米材料之间的絮凝作用和氢键作用。研究p-Fe3O4@PA的再生循环性能发现,由于其相对较大的微球直径,在反复使用过程中仍能保持良好的再生循环特性。综上,设计合成的Fe3O4@PAMAM和p-Fe3O4@PA磁性复合材料可实现对产油藻小球藻HQ的高效采收。