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        殼聚糖改性凹凸棒土絮凝小球藻的研究

        2021-05-20 09:43:44張紅兵李俊磊
        應(yīng)用化工 2021年4期
        關(guān)鍵詞:殼聚糖改性

        張紅兵,李俊磊

        (河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050061)

        微藻是制備生物柴油的優(yōu)質(zhì)原料,其表面帶有負(fù)電荷,在水中易形成穩(wěn)定的懸浮體系,導(dǎo)致收集較為困難。絮凝法采收微藻具有效率較高、適用范圍廣、成本較低的優(yōu)點(diǎn),逐漸成為微藻工業(yè)化開發(fā)利用的熱點(diǎn)。殼聚糖是一種較為理想的藻類絮凝劑,表面含有大量氨基,在酸性環(huán)境下呈陽離子性質(zhì),能與微藻發(fā)生電中和,形成微小藻團(tuán)并緩慢沉降[1]。對(duì)比氯化鐵、氯化鋁等金屬鹽類絮凝劑,殼聚糖無毒易降解,不影響后續(xù)產(chǎn)品的加工,但沉降效率較低,往往需要與離心法和過濾法聯(lián)用。

        為了提高微藻采收效率、縮短收獲時(shí)間,本研究利用殼聚糖與凹凸棒土制備改性絮凝劑,研究殼聚糖與凹凸棒土比例、pH、絮凝劑投加量和沉降時(shí)間對(duì)絮凝劑絮凝性能的影響,并探究其絮凝機(jī)理,為微藻采收提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料與儀器

        小球藻(本實(shí)驗(yàn)組篩選保存),凹凸棒土(工業(yè)品,200目),殼聚糖(BR,脫乙酰度80.0%~95.0%),其余試劑均為分析純。

        FA1004電子天平;LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌器;UV-2500紫外可見光分光光度計(jì);pH-3 CpH計(jì);PQX生化培養(yǎng)箱;Zetasizer Nano ZS 90納米粒徑電位分析儀;EVO18掃描電子顯微鏡。

        1.2 絮凝劑的制備

        凹凸棒土的酸化預(yù)處理:取適量凹凸棒土,用足量的鹽酸溶液(2 mol/L)對(duì)凹凸棒土進(jìn)行酸化處理,攪拌過夜,過濾,用蒸餾水淋洗過濾物,直至濾液呈中性,80 ℃烘箱中烘干至恒重,研磨過200目篩,備用。

        取3 g殼聚糖、50 mL(1 mol/L)的鹽酸溶液加入至100 mL燒杯中,室溫?cái)嚢柚镣耆芙夂?,各組按設(shè)定的殼聚糖與凹凸棒土質(zhì)量比(1∶2,1∶4,1∶6,1∶8,1∶10,1∶12)分別添加凹凸棒土,室溫下攪拌24 h, 于80 ℃烘箱中烘干至恒重,研磨過200目篩,制得不同質(zhì)量比的殼聚糖改性凹凸棒土。

        1.3 小球藻的培養(yǎng)

        BG11培養(yǎng)基成分(g/L):NaNO3,1.50;Na2CO3,0.02;K2HPO4·3H2O,0.04;MgSO4·7H2O,0.075;CaCl2,0.027 2;EDTA-Na2,0.001;檸檬酸,0.006;檸檬酸鐵銨,0.006;微量元素母液,1 mL。其中微量元素母液成分(g/L):CuSO4·5H2O,0.08;MnCl2·4H2O,1.86;ZnSO4·7H2O,0.22;H3BO3,2.86;Na2MoO4·2H2O,0.39;Co(NO3)2·6H2O,0.05。121 ℃滅菌20 min,冷卻至室溫備用。

        小球藻的培養(yǎng)條件:BG11培養(yǎng)基,pH為7,接種量10%,25 ℃、8000lux下全光照培養(yǎng),以O(shè)D680值來間接測(cè)定小球藻的生物量,選用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)中后期的小球藻稀釋至吸光值為0.100(細(xì)胞密度約為2.1×106個(gè)/mL)用于實(shí)驗(yàn)。

        1.4 實(shí)驗(yàn)方法

        參考楊磊、張高科、湯丹丹等[2]與李凱、劉漢湖、周子森[3]去除銅綠微囊藻的絮凝操作與絮凝率計(jì)算方法,取1.3節(jié)中稀釋后的藻液300~500 mL錐形瓶中,調(diào)節(jié)pH并投加絮凝劑,300 r/min攪拌2 min, 150 r/min攪拌5 min,靜置后在設(shè)定時(shí)間取液面下2 cm處的藻液測(cè)OD680值,重復(fù)3次,絮凝率計(jì)算公式如下:

        絮凝率=(原微藻吸光值-絮凝后液面下2 cm吸光值)/原微藻吸光值×100%

        1.5 樣品的表征

        用掃描電鏡對(duì)凹凸棒土、改性后的凹凸棒土(絮凝劑)和絮體進(jìn)行表征。使用納米粒徑電位分析儀測(cè)定pH 5下OD680值為0.100的藻液、0.5 g/L的殼聚糖與凹凸棒土質(zhì)量比為1∶2的殼聚糖改性凹凸棒土和向OD680值為0.100的藻液中投加0.5 g/L殼聚糖改性凹凸棒土獲得的絮體的Zeta電位值。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 殼聚糖與凹凸棒土比例對(duì)絮凝效果的影響

        根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,用1 mol/L的HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)500 mL藻液pH至6,分別投加0.5 g/L 的殼聚糖、凹凸棒土和不同比例的殼聚糖改性凹凸棒土,攪拌、靜置、測(cè)定2 h和24 h的絮凝率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1,數(shù)據(jù)表明,殼聚糖改性能夠明顯提高凹凸棒土對(duì)小球藻的絮凝性能和沉降效率,殼聚糖和凹凸棒土的最佳質(zhì)量比為1∶2,2,24 h的絮凝率從凹凸棒土的5%,11%增加至53%,73%。隨著質(zhì)量比的減小,改性絮凝劑的2 h和24 h絮凝率逐漸減小并趨于穩(wěn)定,但24 h絮凝率也均超過了58%,對(duì)比凹凸棒土的11%提升顯著,但低于殼聚糖的92%??紤]到時(shí)間成本,確定1∶2為絮凝劑中殼聚糖和凹凸棒土的最佳質(zhì)量比。

        圖1 不同比例殼聚糖改性凹凸棒土對(duì)絮凝率的影響

        2.2 pH對(duì)絮凝效果的影響

        見圖2,pH對(duì)絮凝劑的性能影響較大,絮凝劑使用的最佳pH為5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,pH為4.0,5.0時(shí),絮凝劑的絮凝效率較高,2 h絮凝率分別為88.7%,89.0%,24 h絮凝率分別為91.7%,88.1%,殼聚糖中豐富的氨基在酸性弱酸性條件下被質(zhì)子化,使絮凝劑表面呈陽離子性質(zhì),與小球藻發(fā)生電中和使其脫穩(wěn)沉降;pH為3.0時(shí)有所下降,可能是強(qiáng)酸性條件下殼聚糖溶解,導(dǎo)致絮凝效率降低;pH為7.0~9.0時(shí),氨基呈非離子或弱負(fù)電性,不利于絮凝劑對(duì)小球藻的網(wǎng)捕;pH為10時(shí),絮凝率提高,可能是由于培養(yǎng)基中的Ca2+在堿性條件下生成Ca(OH)2,促進(jìn)了小球藻的沉降[4]。

        圖2 不同pH對(duì)絮凝率的影響

        2.3 絮凝劑投加量和沉降時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響

        絮凝劑的絮凝效果通常會(huì)隨著絮凝劑用量的增加和絮凝時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng),當(dāng)絮凝劑的用量和絮凝時(shí)間達(dá)到一定值時(shí),出現(xiàn)最大值,此時(shí)進(jìn)一步增加絮凝劑用量和延長(zhǎng)絮凝時(shí)間,提升絮凝效果不明顯,有時(shí)還會(huì)有所下降。由圖2可知,改性凹凸棒土的投加量﹤0.5 g/L時(shí),絮凝率隨投加量增加而增加,當(dāng)投加量﹥0.5 g/L時(shí),絮凝效果變化不明顯。隨著沉降時(shí)間的增加,絮凝率不斷增大,在2 h左右達(dá)到平衡。低于0.5 g/L投加量的實(shí)驗(yàn)組受沉降時(shí)間影響顯著,24 h的絮凝率均高于1.5~2.5 h;投加量≥0.5 g/L的實(shí)驗(yàn)組,其絮凝率在2 h時(shí)達(dá)到最大值并基本不再隨沉降時(shí)間延長(zhǎng)而變化。因此,最終確定0.5 g/L和2 h為最佳投加量與沉降時(shí)間。

        圖3 不同絮凝劑投加量與沉降時(shí)間對(duì)絮凝率的影響

        2.4 Zeta電位測(cè)定

        分散體系的穩(wěn)定性常用Zeta電位進(jìn)行檢測(cè),兩者的關(guān)系見表1[5]。

        表1 Zeta電位值與膠體穩(wěn)定性的關(guān)系

        檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,藻液的電位值為(-10.7±2.295) mV,在pH 5的環(huán)境下帶負(fù)電荷,參照表1中Zeta電位值與膠體穩(wěn)定性的關(guān)系,體系在此狀態(tài)下較為不穩(wěn)定,實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn),小球藻在靜置培養(yǎng)4~7 d后能夠緩慢沉降,但輕輕晃動(dòng)后易恢復(fù)到重懸浮狀態(tài),這與檢測(cè)結(jié)果相符;絮凝劑的電位值為(5.39±2.56) mV,這是絮凝劑中的氨基在酸性條件下帶正電荷,使絮凝劑呈陽離子性質(zhì),能夠與小球藻作用形成絮體;絮體電位值為(-0.225±3.775)mV,在此狀態(tài)下體系易快速凝結(jié)或凝聚,因此絮凝劑與微藻結(jié)合較為緊密,與觀測(cè)結(jié)果一致。

        2.5 掃描電鏡表征

        見圖4,圖A、B分別是凹凸棒土和絮凝劑的SEM圖,在2 μm尺度下,凹凸棒土呈疏松多孔的結(jié)構(gòu),表面分布大量孔隙,具有較大的表面積,經(jīng)酸化、殼聚糖改性制成絮凝劑后,空隙數(shù)量和大小較改性前增加,說明改性能夠增加凹凸棒土表面積,有利于捕獲小球藻。圖C是絮體的SEM圖,可以看出絮凝劑表面吸附了大量小球藻,且兩者結(jié)合較為緊密。

        圖4 掃描電鏡圖

        3 結(jié)論

        微藻采收效率與運(yùn)作成本直接影響能源微藻的生產(chǎn)周期與產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,殼聚糖改性凹凸棒土能夠破壞小球藻穩(wěn)定的分散狀態(tài),并利用電中和作用將小球藻吸附,所得絮體緊密、不易重懸浮,在殼聚糖和凹凸棒土質(zhì)量比為1∶2,pH為5,投加量為0.5 g/L的條件下,2 h時(shí)的絮凝率可達(dá)88.7%,具備一定的應(yīng)用潛力。

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