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

(浙江科技學院生物與化學工程學院,浙江 杭州 310023)

生物質因其儲量豐富和分布廣而具有廣泛的用途[1]。利用熱化學轉化技術,生物質有機聚合物可轉化為高附加值的產品。炭化是一種熱化學轉化方法,生物質在高溫且沒有氧氣的情況下會轉化為液體、生物炭和其他氣體[2-4]。每種產品的產量和性能取決于生物質的類型和反應條件(炭化溫度、加熱速率和反應時間)[5]。生物炭具有發達的孔隙結構、穩定的芳香環結構和較高的礦物質含量[6],是生物質轉化的重要產品之一。大豆秸稈、花生殼、橡膠木鋸末、甘蔗渣、牛糞、豬糞等生物質均具有制備生物炭的潛力,生物炭的性能,包括穩定性,不僅取決于原料類型,還取決于反應條件,如溫度、加熱速率、壓力、反應停留時間、反應容器等,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現,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構。HASS等[8]對甘蔗渣生物炭的研究發現,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。生物炭在環保領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等;制備生物炭的原料除了常見的農業廢棄生物質以外,還有各類農產品、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世紀以來出于商業目的被廣泛栽培[9],產量逐年增大。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量的20%～30%[10],種子富含大量的蛋白質(22.5%(質量分數,下同))、碳水化合物(71.2%)[11]以及多種活性物質,多以廢棄物的形式被處理掉,造成環境污染和資源浪費。

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、孔結構以及官能團的影響,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合菌劑的載體提供參考,研究結果將對枇杷籽的高值和循環利用提供借鑒。

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基進行培養,在200 r/min、37 ℃條件下培養24 h后制得發酵液,取部分發酵液離心,去除上清液,菌體加入0.9%(質量分數)氯化鈉溶液,振蕩,制得懸浮液。牛肉膏蛋白胨培養基:牛肉膏3 g/L,蛋白胨10 g/L,氯化鈉5 g/L,調節pH為7.0。

1.2 試驗設備

主要設備包括: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酵液與懸浮液中進行吸附試驗。發酵液試驗在試管中進行,加入生物炭50 mg,發酵液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 結果與分析

2.1 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭產率

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

表1 不同炭化溫度下枇杷籽生物炭的產率

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構,孔道豐富,孔道中吸附和固定的氧氣在炭化過程中發揮著催化劑的作用,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出蜂窩狀和絮狀結構,且孔道數量增多,主要原因是炭化溫度升高導致揮發性有機物逐步釋放。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構,并呈現出諸多孔隙結構,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]。當炭化溫度≥700 ℃時,很多孔道出現了坍塌現象,導致比表面積下降,表面變得更平整。這一現象與高婷[15]利用廚余厭氧發酵沼渣制備生物炭時的發現相似。不同的炭化溫度對生物炭結構具有不同的影響,結構決定功能,往往會導致其應用領域存在一定的差別。

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。試驗結果表明PDI變化與粒徑變化一致。當PDI較小時,顆粒尺寸分布可能呈現單峰分布,即粒徑相對集中在一個較小的范圍內;當PDI較大時,顆粒尺寸分布可能呈現多峰分布,即粒徑在多個不同的范圍內有所分布。

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生的吸收峰[18],750～880 cm-1附近的峰是苯環面外彎曲振動產生的吸收峰[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,芳香性結構增多,穩定性增強[20-21],一方面表面結構的變化會影響其吸附作用,另一方面穩定性也會對吸附效率產生一定的影響,進而影響生物炭的應用。

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分析結果如圖3所示,5種生物炭均具有相似的結構峰形,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[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構,為其在吸附試驗和實際應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構分析

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,與平均孔徑呈負相關,600 ℃下微孔在孔隙結構中占比最大,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果一致;繼續升溫到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構參數

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,說明大孔數量減少。由該吸附等溫線可以佐證表3中孔結構的特征,且意味著該炭化溫度下的枇杷籽生物炭因孔結構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、有機電解質和無機大分子等吸附質的進入。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、連通性好的孔隙結構,有利于水中磷酸根離子順利通過擴散進入生物炭內部。本研究中枇杷籽生物炭也具有良好的孔隙結構,為其應用提供了一定的結構基礎。

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

大腸桿菌為水體環境中常見的微生物,也是多種食品、水環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品生產和環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用效果。如圖6、圖7所示,枇杷籽生物炭對大腸桿菌發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定。在600、660 nm下測定OD得到枇杷籽生物炭對大腸桿菌發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合菌劑提供了理論依據[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量占比較大,對吸附懸浮液中的小分子物質吸附效果更顯著。

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 語

生物炭具有廣泛的用途,研究新型農副產品廢棄物制備生物炭以及其潛在用途符合循環經濟發展的思路,也有利于變廢為寶,保護環境。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,制備具有環保應用潛力的生物炭將有利于資源節約。本研究結果表明,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 ℃時仍保持致密結構,且孔隙增多,當溫度繼續升高,孔道出現坍塌,表面變平整。對不同炭化溫度下的孔結構進行分析可知,當炭化溫度在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,所得生物炭穩定性更好,且更利于生物炭形成晶體結構,提升吸附能力。600 ℃下枇杷籽生物炭對大腸桿菌發酵液吸附率可達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,有利于實現枇杷籽廢棄物的資源化利用。