表面磺酸基化多孔酵母碳微球的制备及其应用研究

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酵母是一种廉价易得的生物质原料;酵母细胞壁结构稳定,具有良好的弹性和伸缩性,表面含有大量的羟基,羧基等基团,且分布有天然的孔径,内部可以保持较好的空洞结构;酵母细胞能在恶劣环境下生存,耐酸、耐高压、耐高浓度有机物;酵母密度较小,可以很好的分散于水中。基于以上优点,酵母在官能化改性方面具有一定的潜力,可以作为制备新型碳材料的碳源。同时我国每年产出大量废弃酵母,造成资源浪费,为实现对废弃酵母的资源化利用,本文选取酵母为基材,以羟乙基磺酸为磺酸基团引入剂,制备表面磺酸基化多孔酵母碳微球(surface sulfonated porous yeast carbon microspheres,简称SS/PYCM)。以亚甲基蓝为处理染料,讨论材料在处理染料方面的吸附性能;将材料与关中娄土混合,研究材料增强土壤的保水持水性能。具体研究内容如下:(1)SS/PYCM的制备及其表征将酵母和羟乙基磺酸水溶液在200℃下一步水热合成4个小时,制备SS/PYCM。FTIR、XRD、EDS、ZETA电位和磺酸基团酸量测定结果表明,SS/PYCM具有明显的球形度,如荔枝状结构,表面可以观察到清晰的孔隙,粒径小于原始酵母,分散性较好,基本呈单层分布;SS/PYCM的C含量和S含量明显上升,表面含有大量的羟基和磺酸基团;酵母在水热反应前后均以无定形态的结构存在,无定形态的结构没有发生改变;同时根据表征结果初步探索了SS/PYCM的形成机理。传统磺酸化碳质材料通常采用浓硫酸制备,工艺较复杂且容易产生有害副产物,而SS/PYCM的制备过程相比于其他磺酸化碳质材料的制备,具有工艺简单易行,磺酸基团引入效果好的优点。(2)SS/PYCM对亚甲基蓝的吸附研究探讨吸附环境对SS/PYCM吸附亚甲基蓝的影响,研究了溶液温度、p H,以及亚甲基蓝初始浓度对吸附效果的影响。实验结果表明,SS/PYCM对亚甲基蓝表现出选择性吸附;在15~35℃时染料去除率随温度升高而逐渐增大,温度超过40℃时吸附剂对染料的去除率下降。35℃时,去除率最高;最佳吸附p H值为7,当SS/PYCM投加剂量恒定时,随着亚甲基蓝浓度的增加,去除率降低。随着吸附时间的增加,SS/PYCM对亚甲基蓝的去除率呈趋于增加。SS/PYCM对亚甲基蓝的吸附过程更符合二级动力学模型,由热力学参数可知,吸附过程为吸热过程且自发进行。通过再生实验研究了SS/PYCM作为吸附剂的重复利用性,经过5次循环的吸附-脱附-再生实验,吸附剂在0.10mol/L盐酸条件下表现出更好的稳定性。(3)SS/PYCM增强娄土保水持水性能的研究将SS/PYCM作为保水材料,研究其吸水倍率,材料显示出一定的吸水倍率和较好的稳定性。在经过3次循环吸水-脱水-干燥过程,SS/PYCM表现出较好的可重复利用性。SS/PYCM在模拟不同田间高温条件下,能保持其较好持水性。土壤特征水分曲线测定结果表明,纯娄土的曲线最陡峭,在同一吸力值范围内的土壤含水率相比其他混合土壤为最小;最平缓曲线为15%SS/PYCM混合土壤的曲线,具有较高的进气值。随着SS/PYCM掺杂量增大,在同一吸力下混合土的含水量明显升高,饱和含水量和残余含水量明显增大。与纯娄土饱和含水率(36.8%)相比,1%SS/PYCM-MIXED,5%SS/PYCM-MIXED,15%SS/PYCM-MIXED的饱和含水率分别增加了4.6%,21.7%和29.1%。Gardern-Russo模型拟合3组土壤水分曲线精度最高误差最小,15%SS/PYCM-MIXED的C函数曲线相比其他混合土最后达到10-2数量级,其失水速率最慢,抗旱性最好。SS/PYCM与娄土混合能使得娄土的总有效利用水得到提高,使娄土水含量在多种条件下处于作物可利用吸收的范围,显著提升土壤的兼容性。
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