KOH/NH3·H2O 复合预处理秸秆过程中化学组分及木质纤维素形态结构的变化

2020-11-18李南锟袁海荣左晓宇刘研萍邹德勋李秀金

可再生能源 2020年11期

罗娟，李南锟，袁海荣，左晓宇，刘研萍，邹德勋，李秀金

（1.北京化工大学北京高校环境污染控制与资源化工程研究中心，北京 100029； 2.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012）

0 前言

我国是农业大国，秸秆资源丰富，2018 年秸秆总产量约为8.04 亿t[1]。利用厌氧消化技术将秸秆转化为清洁能源——沼气，是利用农业废弃物生产可再生能源的有效途径。然而，秸秆自身复杂的木质纤维素结构阻碍了厌氧微生物对秸秆的分解利用，导致厌氧消化效率低而限制了秸秆在沼气生产中的大规模应用。

在厌氧消化前对秸秆进行预处理是提高其厌氧消化产气性能和产气率的有效方法[2]。氨预处理可以增加厌氧消化体系中所需要的氮源，提高厌氧消化能力。孟颖发现氨预处理可以提高秸秆的氮含量，降低秸秆中纤维素、半纤维素含量[3]。 Yuan 采用4%氨水对麦秸进行预处理，单位VS 产气量达到427.1 mL/g ，比未处理提高了26.7%[4]。 Jaffar 用6%KOH 预处理麦秸，累积甲烷产量提高41%，同时也增加了沼渣沼液中的钾含量而提高其肥效[5]。本文提出了KOH/NH3·H2O 复合预处理的新方法，并对预处理条件进行了优化[6]。 KOH/NH3·H2O 复合预处理不仅能为厌氧消化体系提供氮源，还能增加厌氧消化沼渣、沼液的钾含量，使其成为具有利用价值的钾肥。

前期研究发现，KOH/NH3·H2O 复合预处理可使稻草的厌氧消化产甲烷量比未处理工艺提高40%以上，比等剂量的单试剂KOH，NH3·H2O 预处理提高16%以上[6]。但是，该方法的原理一直尚不清晰，国内外也都未见相关报道。本文对预处理过程中化学组分的变化进行了分析；利用傅立叶变换红外光谱（FTIR）、X-射线衍射（XRD）等测试技术，研究KOH/NH3·H2O 复合预处理过程中，稻草木质纤维素形态结构的变化；为进一步了解KOH/NH3·H2O 复合预处理对提高厌氧产气量的内在原因，以期为进一步的研究奠定基础。

1 实验材料与实验方法

1.1 原料

将自然风干的稻草用粉碎机粉碎，过20 目筛，常温密封保存。

预处理所用试剂为NH3·H2O （质量分数为25%）、KOH，均为分析纯。

稻草的理化性质如表1 所示。表1 中，总固体TS 量、挥发性固体VS 量以湿重计算；纤维素、半纤维素和木质素以干重计算。

表1 稻草的基本性质Table 1 Basic properties of rice straw %

1.2 实验方法

1.2.1 预处理

前期实验中发现，经1%KOH+1%NH3·H2O，6 倍水，30 ℃预处理2 d 后的稻草，厌氧消化产气量高于2%KOH，2%NH3·H2O 单试剂预处理。因此，本实验中KOH/NH3·H2O 复合预处理的KOH，NH3·H2O 添加量均为稻草干重的1%，并以相对于稻草干重2%的KOH，相对于稻草干重2%的NH3·H2O 预处理的稻草作为对照。按照表2 配制各实验组的预处理溶液，每组稻草添加量为30 g TS，混和均匀后分别装入密封袋中置于30 ℃恒温培养箱中，放置6，12，18，24，36，48 h。将不同预处理试剂、不同预处理时间的稻草混合均匀后取出一部分，测定其TS，VS 和灰分；其余部分先测定pH，后将其固液分离。液体部分用于VFAs、还原糖、可溶性化学耗氧量（SCOD）的测定；固体部分放入烘箱后烘至恒重，测定其纤维素、半纤维素和木质素含量。

表2 不同预处理溶液的配制Table 2 Preparation of different pretreatment solutions

1.2.2 分析方法

稻草预处理前后的TS，VS 含量采用重量法测定[7]。 pH 采用pH 计测定；还原糖采用DNS 法测定[8]；SCOD 采用重铬酸钾法（GB11914-89）测定；纤维素、半纤维素、木质素采用Van Soest 法测定[9]。

预处理前后稻草的表面形态结构采用Hitachi S-4700 型号电镜扫描仪在样品镀金后进行结构观察。稻草的官能团变化用傅里叶红外光谱仪分析。利用X-射线衍射仪从0～90 °对样品进行扫描分析。采用式（1）对纤维素结晶度进行计算[10]：

式中：I002为002 面衍射强度；I18.0°为衍射角2θ=18.0°的衍射强度。

2 结果与讨论

2.1 预处理过程中pH 的变化

随着预处理反应的进行，pH 不断降低。预处理液的pH 间接反映了碱预处理剂的消耗情况和预处理系统状态[11]。图1 所示为预处理过程中pH随时间的变化情况。由图1 可知，1K+1N，2K，2N预处理的初始pH 分别为9.98，10.24，9.99；随着时间的延长，3 种预处理方式的pH 变化都呈现降低的趋势，但是降低的速率不同。 2K 预处理pH在6～12 h 下降最快，从8.84 降至5.7，之后下降得比较平缓，48 h 后pH 下降至4.34。1K+1N 预处理在18-24 h 时显著下降，从8.9 降至5.57，之后平稳下降，48 h 后pH 为4.66。2N 预处理的pH 显著下降时间发生在30～36 h，但下降幅度小于1K+1N 和2K 预处理，48 h 后pH 仍为6.19。这是因为KOH 的碱性比NH3·H2O 强，能更加快速地与底物作用生成小分子酸，导致pH 更加快速下降。

图1 不同预处理液中pH 的变化Fig.1 Changes of pH in hydrolysates with different pretreatments

2.2 预处理过程中主要化学组分的变化

2.2.1 还原糖

在秸秆预处理过程中，木质纤维素的降解可以产生还原糖，部分木质纤维素也可被分解形成VFAs、可溶性氮磷物质、可溶性碳和还原性糖等可溶性物质[12]。 3 种预处理的还原糖浓度随时间变化如图2 所示。由图2 可见，2K 预处理还原糖含量在6 h 时最先达到峰值5 803 mg/L，然后快速下降；1K+1N 预处理的还原糖含量在18 h 时达到最高值4 931 mg/L，随后快速下降；2N 预处理还原糖含量在30 h 时最高，为4 786 mg/L；3 种预处理的还原糖变化趋势一致，均是先增加后降低。这是由于糖类物质逐渐向酸转换，转换过程体现在pH 值的变化上。从图1 和图2 可以看出，还原糖达到最大峰值后快速下降的过程，对应pH 值下降幅度最大的时间，这说明预处理过程中还原糖含量的变化同样与预处理试剂有关。

图2 不同预处理液中还原糖浓度的变化Fig.2 Changes of reducing sugar concentration in hydrolysate with different pretreatments

2.2.2 VFAs

根据厌氧消化的三阶段理论，在预水解过程中，秸秆的木质纤维素被一定程度地水解，必然伴随着小分子酸以及乙醇（VFAs）的产生和溶出。VFAs 也是产甲烷菌所能直接利用的重要底物，在预水解过程中产生VFAs 有助于提高后续厌氧消化效率。各实验组在预水解过程中产生VFAs 的情况如图3 所示。在预水解初期，稻草中易降解的组分（半纤维素、非结晶区的纤维素等）首先被水解，使VFAs 的溶出量快速增加，在6 h 时均超过1 500 mg/L；随后，均呈现随时间延长而增长的趋势，但3 种预处理快速累积的时间段各不同。1K+1N 预处理的VFAs 快速累积时间在第18～24 h，2K 预处理在第6～12 h，2N 预处理在第30～36 h。总VFAs 快速累积的时间与pH 值大幅度下降时间相对应。第48 h 后，1K+1N 预处理、2K 预处理、2N 预处理的总VFAs 浓度分别为3 463 ，2 847，3 388 mg/L。

图3 不同预处理水解液中VFAs 的变化Fig.3 Changes of VFAs in hydrolysate with different pretreatments

2.2.3 SCOD

图4 所示为SCOD 浓度在预处理过程中的变化。从图4 可以看出，3 组预处理的SCOD 浓度都随预处理时间而增大。预处理48 h 后，1K+1N 预处理SCOD 浓度最高，为16 340 mg/L；其次是2N 预处理为15 718 mg/L；2K 预处理最低为13 756 mg/L。SCOD 值越高，表示适合产甲烷菌利用的可挥发性或可消耗的物质越多[13]。

图4 不同预处理水解液中SCOD 的变化Fig.4 Changes of SCOD in hydrolysate with different pretreatments

2.3 预处理前后稻草形态结构的变化

2.3.1 预处理前后稻草微观结构的变化

为了更好地观察稻草的微观结构变化，用扫描电镜（SEM）对未预处理以及3 种不同预处理方式预水解48 h 后的稻草进行了扫描（图5）。从图5（a）可以看出，未预处理的稻草纤维结构完整且紧密，排列有序，表明光滑，无明显的破坏。这些纤维层阻碍了后续厌氧消化系统内微生物对稻草的利用，使其厌氧消化反应速率慢，产气率低。从图5（b），（c），（d）可见，经过预水解后的稻草，结构发生很明显的变化，表面破碎且疏松粗糙，1K+1N 预处理的破坏程度最明显。这是由于在碱以及氨水的氨化作用下，纤维素、半纤维素和木质素之间的连接键遭到破坏，使得稻草表皮细胞的孔隙率及比表面积显著增大，进而增强厌氧菌对可生物降解组分的可及度。

图5 不同预处理稻草的SEM 图Fig.5 SEM figures of rice straw with different pretreatment

2.3.2 预处理前后稻草XRD 分析

高分子聚合物通常具有结晶区和非结晶区（或称无定形区）。结晶区的物质结构在X 射线的照射下能够形成具有特性的衍射图，可以通过这个方法来研究物质的内部结构。稻草的结晶区和非结晶区是纤维素产生的。稻草预处理前后的XRD 比对见图6。如图6 所示，稻草在预处理前后的衍射图均在22.0°附近和18.0°附近出现两个特征峰，且峰形基本一致。 22.0°峰（主要峰）为结晶区特征峰；18.0°峰（次要峰）为非结晶区特征峰。由图可见，经过KOH 或NH3·H2O 预处理后，对稻草的晶体类型没有显著影响，仍为结晶区与非结晶区共存。

图6 不同预处理稻草的XRD 衍射图Fig.6 XRD images of rice straw with different pretreatment

在预处理前后，稻草中纤维素的结晶度见表3。 1K+1N 组的结晶度为43.8%，2K 组为42.2%，2N 组为41.8%。总体来看，与未改性稻草（33.0%）相比，经过预处理后的结晶度均有所提高。这说明KOH，NH3·H2O 在30 ℃改性2 d 的过程中，主要破坏稻草纤维素的非结晶区。结晶度的比较：1K+1N＞2K＞2N。这说明经过KOH 和NH3·H2O 复合改性后，稻草纤维素的破坏程度大于KOH 或NH3·H2O 单试剂改性组。 NH3·H2O 单试剂预处理后的结晶度略小于KOH 单试剂预处理后的结晶度。这是由于NH3能与稻草中的有机物发生氨解作用的结果。氨分子渗透到结晶区与纤维素发生作用，形成氨纤维复合体，破坏纤维素的结晶结构，使纤维素的结晶度发生变化，继而形成了木质纤维素的降解。这也是与一元强碱KOH 改性稻草作用机理不同的地方。

表3 不同预处理稻草的结晶度指数Table 3 Crystallinity index of rice straw with different pretreatment

2.3.3 预处理前后稻草FTIR 特征分析

由于稻草中主要官能团和化学键在红外光谱中的特定频率都是已知，因此通过红外光谱可以判断预处理对稻草结构的影响。图7 对3 种不同预处理前后稻草的红外光谱特征进行了比较。

图7 不同预处理稻草的FTIR 特征图Fig.7 FTIR spectra of rice straw with different pretreatment

从图7 可以看出，稻草预处理前后其红外光谱特征吸收峰形状基本相同，但一些特征峰不同程度的减弱或消失，能够明显地表征预处理改变了稻草的化学结构。其中，在波数1 732 cm-1处表征非共轭羰基C=O 伸缩振动的吸收峰在预处理后明显减弱或消失，该官能团表征苯乙烯酸与木素或多糖之间的酯键或者蜡质表皮层的角质。此官能团吸收峰强度：1K+1N＜2N＜2K＜未预处理，这是由于羰基C=O 可与氨水发生亲核加成，形成亚胺；且OH-能与酯键发生皂化反应，使得木质素与纤维素、半纤维素间的结构被打开，乙酸和酚类物质被释放出来，从而有效地提高了稻草的可生物降解性[14]。

在1 107 cm-1，1 324 cm-1处分别表征紫丁香环伸缩振动强度和愈创木基环甲氧基的伸缩振动强度，吸收峰在预水解后都减弱。在1 248 cm-1处表征酚类中C-O 伸缩振动吸收峰强度经预水解后都有所下降，表明木质素在预水解过程中发生部分溶解，且吸收峰强度2N＞2K，1K+1N 与2K 差不多，表明KOH 对木质素的降解效果比NH3·H2O 对木质素的降解效果更明显。这与前面的木质纤维素含量分析结果中KOH 预处理木质素含量低于NH3·H2O 组相一致。此外，在1 428 cm-1处表征木质素和脂肪族化合物之间的连接峰强度也有所减弱，且3 种预处理的吸收峰强度相差不大。这表明氨水虽然对木质素直接作用效果不明显，但是能够使木素与碳水化合物之间酯键的断裂，使纤维素从木素的包裹中释放出来，从而提高秸秆的厌氧消化产气性能。

在2 919 cm-1，2 852 cm-1，1 463 cm-1，1 378 cm-1处表征-CH3，-CH2，-CH 基团的C-H 的反对称伸缩振动吸收峰强度明显减弱，表明稻草中甲基和次亚甲基含量降低，脂肪族化合物在预处理过程得到一定程度的降解，且3 种预处理后的吸收峰强度差不多，说明KOH 和NH3·H2O 对甲基、次亚甲基的分解能力差不多。在3 421 cm-1处表征分子内羟基O-H 键的伸缩振动；在1 639 cm-1处是表征吸附水H-O-H 弯曲振动的吸收峰；在1 052 cm-1，1 162 cm-1处表征部分纤维素半纤维素的特征峰强度都明显减弱，吸收峰强度依次为1K+1N＜2K＜2N＜未预处理。此外，在898 cm-1处表征糖单元之间的β-糖苷键特征吸收峰强度也发生了减弱现象。此键的断裂进一步表明KOH,NH3·H2O 都对分子内氢键具有一定的破坏作用，从而导致纤维素对厌氧菌的反应能力加强，且吸收峰强度2N＜2K，说明NH3·H2O 对β-糖苷键的破坏能力大于KOH[15]。这些特征峰的减弱表明稻草的纤维素、半纤维素结构以及脂肪族化合物在预处理后得到一定程度的降解，且1K+1N 复合预处理组的降解程度大于单试剂预处理组。

2.4 预处理过程中木质纤维素含量的变化

预水解48 h 后，对不同预处理稻草的木质纤维素含量进行了比较（表4）。木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素组成，也是厌氧微生物生长以及其厌氧消化产甲烷的主要碳源来源[16]。经过不同碱预处理后，木质纤维素都发生了部分降解，木质素含量为4.12%～4.20%，纤维素含量为26.70%～28.96%，半纤维素含量为18.63%～20.52%。其中，半纤维素含量降低了19.8%～27.2%，纤维素降低了16.4%～22.9%，木质素降低了13.5%～17.3%。预处理后主要组分含量降低，主要是因为稻草中的木质纤维素组分转化为小分子化合物，这些小分子更容易被厌氧菌消化吸收，从而提高稻草的厌氧消化性能。木质纤维素去除率最高的是1K+1N 预处理，为24.0%；2N 预处理去除率为17.8%；2K 预处理去除率为22.4%。 1K+1N 预处理的木质纤维素去除率分别比2N，2K 预处理提高了7.2%，34.8%。这说明1K+1N 预处理的木质纤维素降解效果优于等剂量的单试剂预处理。