不同脱胶处理下凤眼莲纤维素黄原酸盐结构与性能研究

摘要

凤眼莲(Eichhornia crassipes,E.crassipes)由于其具有极强的繁殖和生物入侵能力,现已被列为世界十大害草之一。本研究室过去利用凤眼莲秸秆纤维素制备纤维素黄原酸盐,将其用作水体重金属吸附剂已有一些研究,其中包括采用强碱碱化脱胶方法处理凤眼莲材料,再经磺化和镁盐置换处理获得了对水体重金属离子具有较好吸附效果的凤眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐。另外,也从南湖底泥中筛选了一种对风眼莲中半纤维素、木质素、果胶等具有较好降解效果的菌株(暂定名为A1菌)。针对碱化脱胶工艺过程中会产生大量碱性废水的缺点,本文设置了强碱(NaOH)、微生物(A1菌)、果胶酶共3种脱胶方法分别处理凤眼莲茎叶原料,再分别采用相同的磺化和镁盐置换步骤合成了3种凤眼莲纤维素黄原酸盐,并以微晶纤维素为原料制备的微晶纤维素黄原酸盐作为对照,采用FTIR和SEM-EDXA研究了这4种吸附剂合成过程中物质结构特性以及表面元素组成的变化,探讨吸附剂对不同种类和浓度的重金属离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的吸附性能,评判不同脱胶工艺的优劣。同时,以凤眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐为模式吸附剂,研究了吸附剂材料在不同实际应用环境条件下的化学稳定性；以微晶纤维素合成的不同黄原酸盐为对象比较了不同盐的相对化学稳定性。主要结果如下:
　　 (1)采用生物脱胶方法也能有效对凤眼莲茎叶中非纤维素物质进行去除,FT-IR以及SEM—EDXA结果显示,采用生物脱胶方法处理凤眼莲茎叶原料,以此制备的风眼莲纤维素黄原酸盐与采用传统的强碱碱化脱胶方法具有相近的脱胶效果。在A1菌(实验室分离)脱胶和果胶酶脱胶这两种生物脱胶方法中,果胶酶脱胶合成的凤眼莲果胶酶脱胶纤维素黄原酸盐材料含有更有利于吸附的表面和更高的吸附作用元素S和Mg,其元素原子百分比含量分别为2.35和8.95。
　　 (2)凤眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐、凤眼莲A1菌脱胶纤维素黄原酸镁盐、风眼莲果胶酶脱胶纤维素黄原酸镁盐以及微晶纤维素黄原酸镁盐对Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+都具有很好的吸附效果。其中,凤眼莲果胶酶脱胶纤维素黄原酸镁盐对这4种重金属离子的吸附量最高,其次是凤眼莲A1菌脱胶纤维素黄原酸镁盐和凤眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐,最后是微晶纤维素黄原酸镁盐。这4种吸附剂对Pb2+的吸附效果最好,吸附量可达816.9mg/g,其次是Cu2+、Cd2+、最后是Zn2+。
　　 (3)凤眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐、凤眼莲A1菌脱胶纤维素黄原酸镁盐、风眼莲果胶酶脱胶纤维素黄原酸镁盐以及微晶纤维素黄原酸镁盐对4种不同浓度重金属离子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+的吸附都很快,采用流动法进行吸附动力学实验时,可以在60-80 min内达到吸附平衡；采用准一级动力学方程可以较好地拟合4种材料对这4种重金属离子的吸附过程；随着重金属离子初始浓度的增加,吸附速度降低；对于同种浓度的不同重金属离子,4种吸附剂材料对其吸附速度的大小顺序不一致。
　　 (4)避光条件下,凤眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐中S和Mg含量在整个30d实验周期中的0-15d分别降低了近9％和10％,材料不稳定,在15—30d里,S和Mg分别降低了2％和1％,相比前期降低量不明显,材料较为稳定。紫外光照下,S和Mg在0-15d分别降低约10％和12％,在15-30d降低了1％和4％,紫外光照下S和Mg降低量高于避光条件,说明紫外光照对材料的性能有影响。在扣除避光条件引起的材料中S和Mg的降低量后,由紫外光照引起的S降低量为5％(0—15d),2％(15-30d),Mg降低量为1.5％。这说明紫外光照对材料性能有一定的影响,因此风眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐应保存在密封及避光条件下。
　　 (5)酸度对凤眼莲碱化纤维素黄原酸盐的S和Mg含量有相当大的影响,相比于中性和碱性条件,在酸性条件下,材料中S和Mg含量变化率最大,凤眼莲碱化纤维素黄原酸镁盐在酸性水体中最不稳定。因此,在将其作为水体重金属吸附剂使用时,应避免在酸度较高水体中停留过长时间,不然易造成水体环境的二次污染。
　　 (6)不同金属的纤维素黄原酸镁盐(CCX)的稳定性顺序为:当pH=5时,二价金属盐稳定性大于一价金属盐。具体为:CCX-Cu>CCX-Pb>CCX-Zn>CCX-Mn>CCX-Ca>CCX-Mg>CCX-Na>CCX-K。当pH=3时,两个三价金属盐的稳定性顺序为:CCX-Fe>CCX-A1。