枇杷籽生物炭制备、表征及其微生物吸附性能研究*

吕贤喆 常国立 李传鹏 姚 锋 蔡成岗

(浙江科技学院生物与化学工程学院,浙江 杭州 310023)

生物质因其储量丰富和分布广而具有广泛的用途[1]。利用热化学转化技术,生物质有机聚合物可转化为高附加值的产品。炭化是一种热化学转化方法,生物质在高温且没有氧气的情况下会转化为液体、生物炭和其他气体[2-4]。每种产品的产量和性能取决于生物质的类型和反应条件(炭化温度、加热速率和反应时间)[5]。生物炭具有发达的孔隙结构、稳定的芳香环结构和较高的矿物质含量[6],是生物质转化的重要产品之一。大豆秸秆、花生壳、橡胶木锯末、甘蔗渣、牛粪、猪粪等生物质均具有制备生物炭的潜力,生物炭的性能,包括稳定性,不仅取决于原料类型,还取决于反应条件,如温度、加热速率、压力、反应停留时间、反应容器等,其中最重要的是炭化温度。ZHANG等[7]对小麦秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆和水稻秸秆在不同温度下制备生物炭的研究发现,炭化温度对所有原料制备的生物炭性能均有显著影响,且较高的炭化温度有利于形成较难降解的晶体结构。HASS等[8]对甘蔗渣生物炭的研究发现,高温炭化使生物炭的灰分增加了一倍以上,灰分含量的提高对生物炭的金属吸附能力有明显促进作用。生物炭在环保领域也具有广泛的用途,包括吸附染料、抗生素、微生物和其他有害物质等;制备生物炭的原料除了常见的农业废弃生物质以外,还有各类农产品、林果加工的废弃物。

枇杷是蔷薇科水果,起源于中国,在江苏、福建、浙江、四川、云南、广西等地均有分布,19世纪以来出于商业目的被广泛栽培[9],产量逐年增大。通常每个枇杷果实有4～7个大种子,占整个新鲜枇杷果实质量的20%～30%[10],种子富含大量的蛋白质(22.5%(质量分数,下同))、碳水化合物(71.2%)[11]以及多种活性物质,多以废弃物的形式被处理掉,造成环境污染和资源浪费。

目前枇杷籽制备生物炭的研究少有报道,本研究旨在利用废弃的枇杷籽进行生物炭制备,分析不同炭化温度对枇杷籽生物炭表面形貌、孔结构以及官能团的影响,此外利用制得的生物炭吸附微生物,为生物炭作为微生物复合菌剂的载体提供参考,研究结果将对枇杷籽的高值和循环利用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

枇杷籽粉(原样):取购自杭州市场上的新鲜枇杷,取出枇杷籽,用高速粉碎机磨粉,过40目筛,60 ℃真空烘干备用。

大肠杆菌:大肠杆菌为试验室保存菌种。采用牛肉膏蛋白胨培养基进行培养,在200 r/min、37 ℃条件下培养24 h后制得发酵液,取部分发酵液离心,去除上清液,菌体加入0.9%(质量分数)氯化钠溶液,振荡,制得悬浮液。牛肉膏蛋白胨培养基:牛肉膏3 g/L,蛋白胨10 g/L,氯化钠5 g/L,调节pH为7.0。

1.2 试验设备

主要设备包括:DZF-6050型真空干燥箱、TS-1102型摇床、PL303型天平、GSL-1700型管式炉、UV-5500PC型紫外可见分光光度计、Avanti J-26 XP型台式高速冷冻离心机、JSM-5600LV型扫描电镜(SEM)-能谱仪(EDS)、NOVA4200e型比表面与孔径分析仪、Max2500PC型X射线衍射仪(XRD)、Nexus 870型傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)、Nanosight NS300型马尔文激光粒径仪。

1.3 试验方法

1.3.1 枇杷籽生物炭制备

取过筛的枇杷籽粉10 g置于石英舟中,送至管式炉进行炭化。设定升温速度为9 ℃/min,炭化时间为90 min,全过程通氮气,探究不同炭化温度(400、500、600、700、800 ℃)对枇杷籽生物炭性质的影响。

1.3.2 生物炭表征与分析

枇杷籽生物炭的表面形貌特征使用SEM-EDS进行测定分析;同时采用溴化钾压片法,利用FT-IR对生物炭进行表面官能团测定;使用比表面与孔径分析仪测定生物炭比表面积、孔径及孔体积;使用XRD进行晶相分析。

1.3.3 微生物吸附试验

将600 ℃下制得的枇杷籽生物炭加入大肠杆菌的发酵液与悬浮液中进行吸附试验。发酵液试验在试管中进行,加入生物炭50 mg,发酵液0.5 mL,另加入4.5 mL无菌水,做3组平行,悬浮液试验与发酵液试验操作相同,对试管进行两次振荡,每次15 s,静置沉淀20、40、60、80、100 min后依次进行取样,在波长600、660 nm下使用紫外分光光度计分别测吸光度(OD)得到吸附率。

2 结果与分析

2.1 不同炭化温度下枇杷籽生物炭产率

不同的炭化温度对枇杷籽生物炭的产率影响明显,由表1可知,随着炭化温度升高,生物炭的产率逐步降低,800 ℃相较于400 ℃下的产率下降了8.59百分点,主要是因为炭化温度较高时,枇杷籽中的纤维素被大量分解,因此生物炭的产率下降明显。600～800 ℃,枇杷籽生物炭产率变化较小,这是因为高温使纤维素等成分炭化趋于完全,枇杷籽生物炭产率下降趋势减缓[12]。另外,炭化过程中高温导致部分碳原子气化转变成CO和(或)CO2,导致生物炭最终产率降低[13]。

表1 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的产率

2.2 不同炭化温度下枇杷籽生物炭表面形貌分析

图1为不同炭化温度下枇杷籽生物炭的SEM图。枇杷籽原样具有致密的天然结构,孔道丰富,孔道中吸附和固定的氧气在炭化过程中发挥着催化剂的作用,有利于孔隙的形成。在400 ℃炭化温度下,枇杷籽生物炭表面开始从原本光滑的柱状逐渐呈现出蜂窝状和絮状结构,且孔道数量增多,主要原因是炭化温度升高导致挥发性有机物逐步释放。在500、600 ℃下枇杷籽生物炭仍然保持有枇杷籽的致密天然细胞结构,并呈现出诸多孔隙结构,且孔隙深处有丰富的树根状微孔。枇杷籽生物炭表面具有许多凹凸不平的褶皱,这为吸附微生物提供了活性位点,使其具备良好的吸附能力[14]。当炭化温度≥700 ℃时,很多孔道出现了坍塌现象,导致比表面积下降,表面变得更平整。这一现象与高婷[15]利用厨余厌氧发酵沼渣制备生物炭时的发现相似。不同的炭化温度对生物炭结构具有不同的影响,结构决定功能,往往会导致其应用领域存在一定的差别。

图1 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的SEM图

2.3 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的粒径分析

为确定炭化温度对制备的枇杷籽生物炭粒径大小的影响,称取不同试验条件下的样品100 mg分散于100 mL去离子水中,在25 ℃条件下测量其平均粒径。由表2可知,相比于原样,枇杷籽生物炭的粒径均有所减小,并且随着炭化温度从400 ℃提升至700 ℃,粒径由1.433 μm减小至0.888 μm。试验结果表明PDI变化与粒径变化一致。当PDI较小时,颗粒尺寸分布可能呈现单峰分布,即粒径相对集中在一个较小的范围内;当PDI较大时,颗粒尺寸分布可能呈现多峰分布,即粒径在多个不同的范围内有所分布。

表2 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的粒径

2.4 不同炭化温度下枇杷籽生物炭FT-IR分析

不同炭化温度下枇杷籽生物炭的FT-IR图谱见图2。3 250～3 750 cm-1附近的峰是酚羟基或醇羟基振动产生的吸收峰[16],2 750～3 000 cm-1附近的峰是脂肪性-CH2的不对称伸缩振动峰和-CH的对称伸缩振动峰[17];1 450～1 600 cm-1附近的峰是极性化合物振动产生的吸收峰[18],750～880 cm-1附近的峰是苯环面外弯曲振动产生的吸收峰[19]。炭化温度对枇杷籽炭化过程具有明显的影响。随着炭化温度的升高,3 250～3 750 cm-1附近的酚羟基或醇羟基振动吸收峰有所减弱,-OH基团有所减少;2 750～3 000 cm-1附近的振动吸收峰逐渐减弱直至消失,-CH2、-CH基团也逐步减少直至消失。1 450～1 600 cm-1附近极性化合物产生的吸收峰在600 ℃时最弱,说明在炭化温度为600 ℃时,极性削弱,芳香性结构增多,稳定性增强[20-21],一方面表面结构的变化会影响其吸附作用,另一方面稳定性也会对吸附效率产生一定的影响,进而影响生物炭的应用。

图2 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的FT-IR图谱

2.5 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的XRD分析

不同炭化温度下枇杷籽生物炭的XRD分析结果如图3所示,5种生物炭均具有相似的结构峰形,且在2θ=23.0°处均有较为明显的宽衍射峰,呈尖锐状,该峰与活性炭中C(002)晶面对应[22-24]。随着炭化温度提高至600 ℃以上,在2θ为28.5°、30.6°和31.6°附近出现了多个尖锐衍射峰,表明温度的提升有利于枇杷籽生物炭形成晶体结构,为其在吸附试验和实际应用中提供更多的活性位点,有助于吸附性能的提升。

图3 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的XRD图谱

2.6 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的孔结构分析

炭化温度在400～600 ℃时,随着温度的升高,生物炭的比表面积和总孔体积均呈增大的趋势,由表3可知,微孔率与微孔体积大体呈正相关,与平均孔径呈负相关,600 ℃下微孔在孔隙结构中占比最大,这与许田田[25]研究的酒糟基生物炭的上述指标随温度变化的结果一致;继续升温到700 ℃,总孔体积、微孔体积和微孔率均有所减小,平均孔径增大,这与SEM图所显示出的结果一致。总体而言,600 ℃为枇杷籽适宜的炭化温度。严格控制炭化条件就可定向调控生物炭的孔径分布,制备出微孔枇杷籽生物炭。

表3 不同炭化温度下枇杷籽生物炭的孔结构参数

由图4可知,炭化温度600 ℃时枇杷籽生物炭的吸附等温线接近Ⅱ型吸附等温线。随着相对压力的增大,氮吸附量逐步提升。在相对压力较低时,开始出现滞后圈,同时在相对压力较高处,滞后圈明显减小,说明大孔数量减少。由该吸附等温线可以佐证表3中孔结构的特征,且意味着该炭化温度下的枇杷籽生物炭因孔结构变化而具备良好的吸附能力。

图4 炭化温度600 ℃下枇杷籽生物炭的吸附等温线

由图5可知,炭化温度600 ℃下枇杷籽生物炭微孔(<2 nm)和中孔(2～8 nm)较多。中孔活性炭由于平均孔径较大,适合聚合物、有机电解质和无机大分子等吸附质的进入。并且,由图5中的曲线可知,枇杷籽生物炭还保持了一定的微孔体积。王鹏飞等[26]的研究结果表明,丰富的中孔和微孔可以形成多层次、连通性好的孔隙结构,有利于水中磷酸根离子顺利通过扩散进入生物炭内部。本研究中枇杷籽生物炭也具有良好的孔隙结构,为其应用提供了一定的结构基础。

图5 炭化温度600 ℃下枇杷籽生物炭的孔径分布

2.7 微生物吸附分析

大肠杆菌为水体环境中常见的微生物,也是多种食品、水环境等进行微生物安全的分析菌种,其吸附和脱除对于多种产品生产和环境保护具有重要的意义。采用在600 ℃下炭化得到的枇杷籽生物炭对大肠杆菌的发酵液和离心后的悬浮液进行吸附,以探讨枇杷籽生物炭的应用效果。如图6、图7所示,枇杷籽生物炭对大肠杆菌发酵液和悬浮液均有一定的吸附效果,随着吸附时间的增加,吸附率有增长趋势,且100 min后吸附率基本达到稳定。在600、660 nm下测定OD得到枇杷籽生物炭对大肠杆菌发酵液的吸附率最终分别为69.3%和72.6%;枇杷籽生物炭对大肠杆菌悬浮液的吸附率最终分别为86.2%和89.6%。吸附结果表明枇杷籽生物炭对微生物的吸附效果较为明显,这也为生物炭作为微生物的载体制备复合菌剂提供了理论依据[27];生物炭对悬浮液的吸附效果更好,主要原因是600 ℃下的生物炭中孔与微孔数量占比较大,对吸附悬浮液中的小分子物质吸附效果更显著。

图6 600 ℃下炭化的枇杷籽生物炭对大肠杆菌发酵液的吸附率

图7 600 ℃下炭化的枇杷籽生物炭对大肠杆菌悬浮液的吸附率

3 结 语

生物炭具有广泛的用途,研究新型农副产品废弃物制备生物炭以及其潜在用途符合循环经济发展的思路,也有利于变废为宝,保护环境。枇杷籽占枇杷的比重较大,如不能充分利用,会造成资源的浪费。对枇杷籽进行炭化处理,制备具有环保应用潜力的生物炭将有利于资源节约。本研究结果表明,在炭化温度为400～800 ℃时,随着炭化温度的升高,枇杷籽生物炭的产率逐渐下降;随炭化温度的上升,枇杷籽生物炭表面的大孔逐渐消失,温度升高至600 ℃时仍保持致密结构,且孔隙增多,当温度继续升高,孔道出现坍塌,表面变平整。对不同炭化温度下的孔结构进行分析可知,当炭化温度在600 ℃时,比表面积、总孔体积达到最大,吸附能力最强,且中孔和微孔占比较大,对于吸附不同大小的分子均有一定优势。随着炭化程度升高,生物炭中的脂肪族基团逐渐减少直至消失,而芳香族基团逐渐增多,说明芳香性逐渐增强,极性逐渐减弱,所得生物炭稳定性更好,且更利于生物炭形成晶体结构,提升吸附能力。600 ℃下枇杷籽生物炭对大肠杆菌发酵液吸附率可达70%左右,对悬浮液吸附率超过80%,说明制备的枇杷籽生物炭对微生物具备良好的吸附能力,具有脱除污水中大肠杆菌的潜力,有利于实现枇杷籽废弃物的资源化利用。