玉米秸秆的生物改性及其对石油吸附性能的研究

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随着能源需求量的日渐提高,石化产品在工业生产和人类的日常生活中扮演着极具重要的角色。但在石油的开采、运输、冶炼和使用等过程中,因为人为不当造成其泄漏,产生的环境污染也是不可避免的、巨大的。其中,泄漏到水体环境的石油,危及水生生物的生存,进而危害整个水生生态系统;而泄漏到土壤中的石油,则引起有机污染物在动植物生物体内的积累,危及生物体的健康生长。以上所有这些,最终均会对人类的生存健康造成不可估量的影响。因此,如何有效地治理石油污染,修复生态环境,维护人类的健康发展,已成为人们关注的热点。本文以海上溢油为研究对象,因地制宜,选取广州某处农田产生的天然玉米秸秆材料,对其加以生物改性,以便使得材料得以高效吸油。本文利用玉米秸秆作为原材料基质,通过生物改性方法,制备海上溢油吸附剂。改性方法包括:①绿色木霉对玉米秸秆的改性;②绿色木霉和黑曲霉混合对玉米秸秆的改性。通过探究改性时间、改性初始固液比和改性温度的影响(对于混合改性,还包括两种菌液的投加比例的影响),制备出吸附性能优良的海上溢油吸附剂TCS和TACS。同时,探讨纤维素降解菌的酶活对制备得到的吸附剂吸油效果的影响,分析改性前后材料内部组分的变化,并借助扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱和X-射线衍射对改性前后材料的微观形态、官能团变化和晶型结构进行表征。这些将从侧面说明材料改性后吸油量增大的原因。最后将对材料的吸附性能做简要的评价。实验结果讨论的最终结论如下:(1)两种溢油吸附剂改性的最佳条件组合分别如下:①绿色木霉改性玉米秸秆制备溢油吸附剂TCS的最佳条件为:在固液比为1:4、改性温度为25℃时,培养改性6d。此时制得的TCS吸油量最大,达到13.84g/g,相对RCS吸油量提高了110.3%。②绿色木霉和黑曲霉混合改性玉米秸秆制备溢油吸附剂TACS的最佳条件为:在菌液投加比为1:1、固液比为1:5、改性温度为25℃时,培养改性6天。此时制备获得的TACS吸油量最大,达到15.57g/g,相对RCS吸油量提高了136.6%。(2)酶活实验表明,绿色木霉对玉米秸秆的改性,主要是由于绿色木霉分泌的纤维素及半纤维素等胞外酶对材料的降解结果,酶的水解使得材料具有较适的粗糙度和孔隙率,从而使材料有利于原油的吸附。而绿色木霉和黑曲霉对玉米秸秆的混合改性,则主要是由于这两种纤维素降解菌分泌的纤维素及半纤维素等胞外酶对材料的降解作用。同时,由于混合培养提高了β-葡萄糖苷酶的活力,促进了材料内部结晶区的降解,使得材料内部具有适宜的孔隙度,因而适于吸附大量的石油。另外,无论是制备TCS还是TACS,随着时间的变化,纤维素降解菌分泌的胞外酶活力变化与材料的吸油量变化无正相关。(3)对改性前后的玉米秸秆材料中纤维素和半纤维素的含量分析表明,生物改性降低了材料中的纤维素及半纤维素的含量。SEM、FT-IR和XRD分析从侧面反映出,经过生物改性后玉米秸秆,能够保持其基本的晶型结构;并且改性也使材料变得粗糙,从而有利于材料更好地吸附原油。(4)材料吸油性能评价显示TCS和TACS具有快速吸油和良好的保油性能。总之,以玉米秸秆为原材料,通过纤维素降解菌(绿色木霉,或绿色木霉与黑曲霉混合)进行生物改性,制备得到的溢油吸附剂TCS和TACS具备溢油吸附剂所应具有的良好性能,并且其材料来源及制备过程对环境友好,不产生二次污染,是具有较好应用前景的水体溢油吸附材料。
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