枇杷籽生物炭制備、表征及其微生物吸附性能研究*

呂賢喆 常國立 李傳鵬 姚 鋒 蔡成崗

(浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

生物質(zhì)因其儲量豐富和分布廣而具有廣泛的用途[1]。利用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù),生物質(zhì)有機聚合物可轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品。炭化是一種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法,生物質(zhì)在高溫且沒有氧氣的情況下會轉(zhuǎn)化為液體、生物炭和其他氣體[2-4]。每種產(chǎn)品的產(chǎn)量和性能取決于生物質(zhì)的類型和反應(yīng)條件(炭化溫度、加熱速率和反應(yīng)時間)[5]。生物炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和較高的礦物質(zhì)含量[6],是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要產(chǎn)品之一。大豆秸稈、花生殼、橡膠木鋸末、甘蔗渣、牛糞、豬糞等生物質(zhì)均具有制備生物炭的潛力,生物炭的性能,包括穩(wěn)定性,不僅取決于原料類型,還取決于反應(yīng)條件,如溫度、加熱速率、壓力、反應(yīng)停留時間、反應(yīng)容器等,其中最重要的是炭化溫度。ZHANG等[7]對小麥秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈和水稻秸稈在不同溫度下制備生物炭的研究發(fā)現(xiàn),炭化溫度對所有原料制備的生物炭性能均有顯著影響,且較高的炭化溫度有利于形成較難降解的晶體結(jié)構(gòu)。HASS等[8]對甘蔗渣生物炭的研究發(fā)現(xiàn),高溫炭化使生物炭的灰分增加了一倍以上,灰分含量的提高對生物炭的金屬吸附能力有明顯促進作用。生物炭在環(huán)保領(lǐng)域也具有廣泛的用途,包括吸附染料、抗生素、微生物和其他有害物質(zhì)等;制備生物炭的原料除了常見的農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)以外,還有各類農(nóng)產(chǎn)品、林果加工的廢棄物。

枇杷是薔薇科水果,起源于中國,在江蘇、福建、浙江、四川、云南、廣西等地均有分布,19世紀以來出于商業(yè)目的被廣泛栽培[9],產(chǎn)量逐年增大。通常每個枇杷果實有4～7個大種子,占整個新鮮枇杷果實質(zhì)量的20%～30%[10],種子富含大量的蛋白質(zhì)(22.5%(質(zhì)量分數(shù),下同))、碳水化合物(71.2%)[11]以及多種活性物質(zhì),多以廢棄物的形式被處理掉,造成環(huán)境污染和資源浪費。

目前枇杷籽制備生物炭的研究少有報道,本研究旨在利用廢棄的枇杷籽進行生物炭制備,分析不同炭化溫度對枇杷籽生物炭表面形貌、孔結(jié)構(gòu)以及官能團的影響,此外利用制得的生物炭吸附微生物,為生物炭作為微生物復(fù)合菌劑的載體提供參考,研究結(jié)果將對枇杷籽的高值和循環(huán)利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

枇杷籽粉(原樣):取購自杭州市場上的新鮮枇杷,取出枇杷籽,用高速粉碎機磨粉,過40目篩,60 ℃真空烘干備用。

大腸桿菌:大腸桿菌為試驗室保存菌種。采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基進行培養(yǎng),在200 r/min、37 ℃條件下培養(yǎng)24 h后制得發(fā)酵液,取部分發(fā)酵液離心,去除上清液,菌體加入0.9%(質(zhì)量分數(shù))氯化鈉溶液,振蕩,制得懸浮液。牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基:牛肉膏3 g/L,蛋白胨10 g/L,氯化鈉5 g/L,調(diào)節(jié)pH為7.0。

1.2 試驗設(shè)備

主要設(shè)備包括:DZF-6050型真空干燥箱、TS-1102型搖床、PL303型天平、GSL-1700型管式爐、UV-5500PC型紫外可見分光光度計、Avanti J-26 XP型臺式高速冷凍離心機、JSM-5600LV型掃描電鏡(SEM)-能譜儀(EDS)、NOVA4200e型比表面與孔徑分析儀、Max2500PC型X射線衍射儀(XRD)、Nexus 870型傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)、Nanosight NS300型馬爾文激光粒徑儀。

1.3 試驗方法

1.3.1 枇杷籽生物炭制備

取過篩的枇杷籽粉10 g置于石英舟中,送至管式爐進行炭化。設(shè)定升溫速度為9 ℃/min,炭化時間為90 min,全過程通氮氣,探究不同炭化溫度(400、500、600、700、800 ℃)對枇杷籽生物炭性質(zhì)的影響。

1.3.2 生物炭表征與分析

枇杷籽生物炭的表面形貌特征使用SEM-EDS進行測定分析;同時采用溴化鉀壓片法,利用FT-IR對生物炭進行表面官能團測定;使用比表面與孔徑分析儀測定生物炭比表面積、孔徑及孔體積;使用XRD進行晶相分析。

1.3.3 微生物吸附試驗

將600 ℃下制得的枇杷籽生物炭加入大腸桿菌的發(fā)酵液與懸浮液中進行吸附試驗。發(fā)酵液試驗在試管中進行,加入生物炭50 mg,發(fā)酵液0.5 mL,另加入4.5 mL無菌水,做3組平行,懸浮液試驗與發(fā)酵液試驗操作相同,對試管進行兩次振蕩,每次15 s,靜置沉淀20、40、60、80、100 min后依次進行取樣,在波長600、660 nm下使用紫外分光光度計分別測吸光度(OD)得到吸附率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭產(chǎn)率

不同的炭化溫度對枇杷籽生物炭的產(chǎn)率影響明顯,由表1可知,隨著炭化溫度升高,生物炭的產(chǎn)率逐步降低,800 ℃相較于400 ℃下的產(chǎn)率下降了8.59百分點,主要是因為炭化溫度較高時,枇杷籽中的纖維素被大量分解,因此生物炭的產(chǎn)率下降明顯。600～800 ℃,枇杷籽生物炭產(chǎn)率變化較小,這是因為高溫使纖維素等成分炭化趨于完全,枇杷籽生物炭產(chǎn)率下降趨勢減緩[12]。另外,炭化過程中高溫導(dǎo)致部分碳原子氣化轉(zhuǎn)變成CO和(或)CO2,導(dǎo)致生物炭最終產(chǎn)率降低[13]。

表1 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的產(chǎn)率

2.2 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭表面形貌分析

圖1為不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的SEM圖。枇杷籽原樣具有致密的天然結(jié)構(gòu),孔道豐富,孔道中吸附和固定的氧氣在炭化過程中發(fā)揮著催化劑的作用,有利于孔隙的形成。在400 ℃炭化溫度下,枇杷籽生物炭表面開始從原本光滑的柱狀逐漸呈現(xiàn)出蜂窩狀和絮狀結(jié)構(gòu),且孔道數(shù)量增多,主要原因是炭化溫度升高導(dǎo)致?lián)]發(fā)性有機物逐步釋放。在500、600 ℃下枇杷籽生物炭仍然保持有枇杷籽的致密天然細胞結(jié)構(gòu),并呈現(xiàn)出諸多孔隙結(jié)構(gòu),且孔隙深處有豐富的樹根狀微孔。枇杷籽生物炭表面具有許多凹凸不平的褶皺,這為吸附微生物提供了活性位點,使其具備良好的吸附能力[14]。當(dāng)炭化溫度≥700 ℃時,很多孔道出現(xiàn)了坍塌現(xiàn)象,導(dǎo)致比表面積下降,表面變得更平整。這一現(xiàn)象與高婷[15]利用廚余厭氧發(fā)酵沼渣制備生物炭時的發(fā)現(xiàn)相似。不同的炭化溫度對生物炭結(jié)構(gòu)具有不同的影響,結(jié)構(gòu)決定功能,往往會導(dǎo)致其應(yīng)用領(lǐng)域存在一定的差別。

圖1 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的SEM圖

2.3 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的粒徑分析

為確定炭化溫度對制備的枇杷籽生物炭粒徑大小的影響,稱取不同試驗條件下的樣品100 mg分散于100 mL去離子水中,在25 ℃條件下測量其平均粒徑。由表2可知,相比于原樣,枇杷籽生物炭的粒徑均有所減小,并且隨著炭化溫度從400 ℃提升至700 ℃,粒徑由1.433 μm減小至0.888 μm。試驗結(jié)果表明PDI變化與粒徑變化一致。當(dāng)PDI較小時,顆粒尺寸分布可能呈現(xiàn)單峰分布,即粒徑相對集中在一個較小的范圍內(nèi);當(dāng)PDI較大時,顆粒尺寸分布可能呈現(xiàn)多峰分布,即粒徑在多個不同的范圍內(nèi)有所分布。

表2 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的粒徑

2.4 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭FT-IR分析

不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的FT-IR圖譜見圖2。3 250～3 750 cm-1附近的峰是酚羥基或醇羥基振動產(chǎn)生的吸收峰[16],2 750～3 000 cm-1附近的峰是脂肪性-CH2的不對稱伸縮振動峰和-CH的對稱伸縮振動峰[17];1 450～1 600 cm-1附近的峰是極性化合物振動產(chǎn)生的吸收峰[18],750～880 cm-1附近的峰是苯環(huán)面外彎曲振動產(chǎn)生的吸收峰[19]。炭化溫度對枇杷籽炭化過程具有明顯的影響。隨著炭化溫度的升高,3 250～3 750 cm-1附近的酚羥基或醇羥基振動吸收峰有所減弱,-OH基團有所減少;2 750～3 000 cm-1附近的振動吸收峰逐漸減弱直至消失,-CH2、-CH基團也逐步減少直至消失。1 450～1 600 cm-1附近極性化合物產(chǎn)生的吸收峰在600 ℃時最弱,說明在炭化溫度為600 ℃時,極性削弱,芳香性結(jié)構(gòu)增多,穩(wěn)定性增強[20-21],一方面表面結(jié)構(gòu)的變化會影響其吸附作用,另一方面穩(wěn)定性也會對吸附效率產(chǎn)生一定的影響,進而影響生物炭的應(yīng)用。

圖2 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的FT-IR圖譜

2.5 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的XRD分析

不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的XRD分析結(jié)果如圖3所示,5種生物炭均具有相似的結(jié)構(gòu)峰形,且在2θ=23.0°處均有較為明顯的寬衍射峰,呈尖銳狀,該峰與活性炭中C(002)晶面對應(yīng)[22-24]。隨著炭化溫度提高至600 ℃以上,在2θ為28.5°、30.6°和31.6°附近出現(xiàn)了多個尖銳衍射峰,表明溫度的提升有利于枇杷籽生物炭形成晶體結(jié)構(gòu),為其在吸附試驗和實際應(yīng)用中提供更多的活性位點,有助于吸附性能的提升。

圖3 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的XRD圖譜

2.6 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的孔結(jié)構(gòu)分析

炭化溫度在400～600 ℃時,隨著溫度的升高,生物炭的比表面積和總孔體積均呈增大的趨勢,由表3可知,微孔率與微孔體積大體呈正相關(guān),與平均孔徑呈負相關(guān),600 ℃下微孔在孔隙結(jié)構(gòu)中占比最大,這與許田田[25]研究的酒糟基生物炭的上述指標隨溫度變化的結(jié)果一致;繼續(xù)升溫到700 ℃,總孔體積、微孔體積和微孔率均有所減小,平均孔徑增大,這與SEM圖所顯示出的結(jié)果一致?？傮w而言,600 ℃為枇杷籽適宜的炭化溫度。嚴格控制炭化條件就可定向調(diào)控生物炭的孔徑分布,制備出微孔枇杷籽生物炭。

表3 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖4可知,炭化溫度600 ℃時枇杷籽生物炭的吸附等溫線接近Ⅱ型吸附等溫線。隨著相對壓力的增大,氮吸附量逐步提升。在相對壓力較低時,開始出現(xiàn)滯后圈,同時在相對壓力較高處,滯后圈明顯減小,說明大孔數(shù)量減少。由該吸附等溫線可以佐證表3中孔結(jié)構(gòu)的特征,且意味著該炭化溫度下的枇杷籽生物炭因孔結(jié)構(gòu)變化而具備良好的吸附能力。

圖4 炭化溫度600 ℃下枇杷籽生物炭的吸附等溫線

由圖5可知,炭化溫度600 ℃下枇杷籽生物炭微孔(<2 nm)和中孔(2～8 nm)較多。中孔活性炭由于平均孔徑較大,適合聚合物、有機電解質(zhì)和無機大分子等吸附質(zhì)的進入。并且,由圖5中的曲線可知,枇杷籽生物炭還保持了一定的微孔體積。王鵬飛等[26]的研究結(jié)果表明,豐富的中孔和微孔可以形成多層次、連通性好的孔隙結(jié)構(gòu),有利于水中磷酸根離子順利通過擴散進入生物炭內(nèi)部。本研究中枇杷籽生物炭也具有良好的孔隙結(jié)構(gòu),為其應(yīng)用提供了一定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖5 炭化溫度600 ℃下枇杷籽生物炭的孔徑分布

2.7 微生物吸附分析

大腸桿菌為水體環(huán)境中常見的微生物,也是多種食品、水環(huán)境等進行微生物安全的分析菌種,其吸附和脫除對于多種產(chǎn)品生產(chǎn)和環(huán)境保護具有重要的意義。采用在600 ℃下炭化得到的枇杷籽生物炭對大腸桿菌的發(fā)酵液和離心后的懸浮液進行吸附,以探討枇杷籽生物炭的應(yīng)用效果。如圖6、圖7所示,枇杷籽生物炭對大腸桿菌發(fā)酵液和懸浮液均有一定的吸附效果,隨著吸附時間的增加,吸附率有增長趨勢,且100 min后吸附率基本達到穩(wěn)定。在600、660 nm下測定OD得到枇杷籽生物炭對大腸桿菌發(fā)酵液的吸附率最終分別為69.3%和72.6%;枇杷籽生物炭對大腸桿菌懸浮液的吸附率最終分別為86.2%和89.6%。吸附結(jié)果表明枇杷籽生物炭對微生物的吸附效果較為明顯,這也為生物炭作為微生物的載體制備復(fù)合菌劑提供了理論依據(jù)[27];生物炭對懸浮液的吸附效果更好,主要原因是600 ℃下的生物炭中孔與微孔數(shù)量占比較大,對吸附懸浮液中的小分子物質(zhì)吸附效果更顯著。

圖6 600 ℃下炭化的枇杷籽生物炭對大腸桿菌發(fā)酵液的吸附率

圖7 600 ℃下炭化的枇杷籽生物炭對大腸桿菌懸浮液的吸附率

3 結(jié) 語

生物炭具有廣泛的用途,研究新型農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物制備生物炭以及其潛在用途符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的思路,也有利于變廢為寶,保護環(huán)境。枇杷籽占枇杷的比重較大,如不能充分利用,會造成資源的浪費。對枇杷籽進行炭化處理,制備具有環(huán)保應(yīng)用潛力的生物炭將有利于資源節(jié)約。本研究結(jié)果表明,在炭化溫度為400～800 ℃時,隨著炭化溫度的升高,枇杷籽生物炭的產(chǎn)率逐漸下降;隨炭化溫度的上升,枇杷籽生物炭表面的大孔逐漸消失,溫度升高至600 ℃時仍保持致密結(jié)構(gòu),且孔隙增多,當(dāng)溫度繼續(xù)升高,孔道出現(xiàn)坍塌,表面變平整。對不同炭化溫度下的孔結(jié)構(gòu)進行分析可知,當(dāng)炭化溫度在600 ℃時,比表面積、總孔體積達到最大,吸附能力最強,且中孔和微孔占比較大,對于吸附不同大小的分子均有一定優(yōu)勢。隨著炭化程度升高,生物炭中的脂肪族基團逐漸減少直至消失,而芳香族基團逐漸增多,說明芳香性逐漸增強,極性逐漸減弱,所得生物炭穩(wěn)定性更好,且更利于生物炭形成晶體結(jié)構(gòu),提升吸附能力。600 ℃下枇杷籽生物炭對大腸桿菌發(fā)酵液吸附率可達70%左右,對懸浮液吸附率超過80%,說明制備的枇杷籽生物炭對微生物具備良好的吸附能力,具有脫除污水中大腸桿菌的潛力,有利于實現(xiàn)枇杷籽廢棄物的資源化利用。