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  北京化工大学学报(自然科学版)  2017, Vol. 44 Issue (2): 42-48  DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2017.02.007
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苟海刚, 王浩宁, 杨莉, 李锋, 关卫省. 单细胞微米炭球的制备及其对盐酸四环素的吸附性能研究[J]. 北京化工大学学报(自然科学版), 2017, 44(2): 42-48. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2017.02.007.
GOU HaiGang, WANG HaoNing, YANG Li, LI Feng, GUAN WeiSheng. Preparation of single-cell carbon microspheres and their use for adsorption of tetracycline hydrochloride[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science), 2017, 44(2): 42-48. DOI: 10.13543/j.bhxbzr.2017.02.007.

基金项目

陕西省自然科学基金(2015JQ5173);中央高校基本科研业务费(310829162016)

第一作者

苟海刚, 男, 1975年生, 博士生

通讯联系人

杨莉, E-mail:yyangli@chd.edu.cn

文章历史

收稿日期:2016-11-23
单细胞微米炭球的制备及其对盐酸四环素的吸附性能研究
苟海刚1, 王浩宁1, 杨莉1, 李锋2, 关卫省1     
1. 长安大学 环境科学与工程学院, 西安 710054;
2. 中国科学院 山西煤炭化学研究所, 太原 030001
摘要:以酵母菌为原料,通过预处理-炭化-活化工艺制备了单细胞微米炭球,并利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和氮气吸附脱附(BET)等手段对单细胞微米炭球的结构演变进行探究。结果表明:所制得的单细胞微米炭球为黑色粉末,系无定形炭结构; 单细胞微米炭球保持了酵母细胞椭圆形的形貌,分散均匀且形貌一致,平均尺寸约为1.81 μm×1.03 μm,比表面积达到1.61×104 cm2/g,孔径集中在0.9、29和36 nm附近,具有丰富的孔结构。通过进一步考察单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附行为,证实所获得的单细胞微米炭球对四环素具有较好的吸附去除效果,吸附容量可达23.73 mg/g,符合Freundlich等温吸附模型。
关键词酵母菌    单细胞微米炭球    四环素    吸附    
Preparation of single-cell carbon microspheres and their use for adsorption of tetracycline hydrochloride
GOU HaiGang1, WANG HaoNing1, YANG Li1, LI Feng2, GUAN WeiSheng1     
1. School of Environmental Science and Engineering, Chang'an Univerisity, Xi'an 710054;
2. Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, China
Abstract: Single-cell carbon microspheres have been successfully prepared by a facile pretreatment-carbonization-activation process using yeast as the raw material. The structure evolution of the as-prepared samples was characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy and nitrogen adsorption-desorption (BET) measurements. The results showed that the as-obtained materials were composed of amorphous carbon in the form of a black powder. The morphology of the single-cell carbon microspheres maintained the ellipsoid shape of the yeast cells, with average diameters of about about 1.81 μm×1.03 μm with uniform dispersion. The BET surface area of the single-cell carbon microspheres reached 1.61×104 cm2/g, with pore size maxima at 0.9, 29 and 36 nm. The adsorption behavior of the single-cell carbon microspheres for tetracycline hydrochloride in an aqueous phase was also investigated. The adsorption of the single-cell carbon microspheres for tetracycline hydrochloride followed the Freundlich isotherm model, with an adsorption capacity of 23.73 mg/g, which confirms the potential of the single-cell carbon microspheres for use as a practical sorbent for the removal of tetracycline hydrochloride from water.
Key words: yeast    single-cell carbon microspheres    tetracycline hydrochloride    adsorption    
引言

四环素是广泛应用于人体、畜禽、水产动植物病害预防、控制和治疗的抗生素之一。由于人类医疗和畜禽养殖业抗生素的滥用,四环素类抗生素在水体中的残留问题日益突出,对生态和人类健康造成负面影响,因此去除水体中四环素类抗生素残留具有重要的环境和社会意义[1]。目前,处理水体中四环素类抗生素残留的方法有生物处理法、混凝-沉淀法、气浮法、微电解法、反渗透和吸附法等。其中,吸附法选择表面积大以及表面官能团众多的材料实现水体中四环素类抗生素有效的吸附去除,具有投资小、工艺简单、操作方便的优势。活性炭材料是最常选用的吸附剂之一,大多由富含炭的有机物(如煤、木炭、硬质果壳等)制得,并在石油化工、食品加工和环保行业中应用广泛[2]。近年来,制备活性炭的材料种类日益增多,酚醛树脂、锯末、农产品及其加工废料等逐步开发作为活性炭吸附剂的原料[3-7]。左宋林等[8]以竹粉为原料,研究了磷酸浓度、浸渍比、活化温度等主要工艺参数对活性炭性质的影响,并探讨了活性炭孔隙结构的调节机制。崔春霞等[9]以小麦秸秆为原料,制备的活性炭碘值和亚甲基蓝吸附值分别达800.71 mg/g和292.5 mg/g,具有很好的吸附性能。

酵母菌属于真菌类单细胞微生物,含有丰富的有机质,其碳元素含量高达47%。目前食品行业(如啤酒和果酒酿造)中的酵母菌多被作为粗饲料廉价处理或直接废弃,造成了资源浪费和环境污染[10]。以酵母菌为原料制备单细胞微米炭球,可极大地丰富生物炭材料的取材资源,同时有效减少环境污染。与其他生物炭材料相比,酵母菌作为原料制备单细胞生物炭材料突出的优势有以下几点:(1) 酵母菌既可通过简单的微生物培养手段大量获得,也可以直接利用来自食品发酵行业的废酵母作为原料,因此由酵母所制备的单细胞微米炭球具有来源广泛和性质稳定的特点;(2) 酵母细胞的柠檬状形貌赋予了单细胞微米炭球尺寸均一的椭圆形状,有利于生物炭吸附剂的分离;(3) 椭圆形的酵母细胞内部有一个巨大的液泡,在所制备的单细胞微米炭球内部形成空腔,可以在吸附过程中大量地驻留吸附质,为单细胞微米炭球优异的吸附性能提供了重要的物质结构基础。

本文结合酵母细胞壁的结构特点,通过预处理-炭化-活化工艺制备单细胞微米炭球。利用盐酸预处理使酵母细胞壁疏松化[11],有利于炭化阶段酵母细胞内部挥发性成分穿过细胞壁逸出,使固定碳含量增加,同时可促进氯化锌活化阶段酵母炭球结构的均匀活化和吸附性能提升。采用多种手段对单细胞微米炭球进行表征,并进一步探讨了单细胞微米炭球对盐酸四环素溶液的吸附行为。本研究可望对酵母等微生物源有机质的资源化利用提供参考,同时也为天然生物炭开发及其在环境工程领域的应用做出有益尝试。

1 材料与方法 1.1 实验材料

氯化锌(ZnCl2),盐酸(HCl),无水乙醇(CH3CH2OH),均为分析纯,西安化学试剂厂,使用时未加任何处理;安琪酵母,安琪酵母股份有限公司。

1.2 单细胞微米炭球的制备

将酵母菌粉研磨成粉末状,用0.1 mol/L pH=1的稀盐酸将酵母粉浸泡4 h后,离心并在80 ℃烘干,放入氮气保护的500 ℃气氛管式炉(洛阳炬星窑炉有限公司)中炭化90 min,得到炭化酵母。将30 g炭化酵母与100 mL质量分数为50%的氯化锌溶液混合搅拌均匀,浸渍1 h后将溶液离心并收集活化后的酵母炭粉。酵母炭粉在干燥箱中烘至完全干燥,再将其放入氮气保护的300 ℃气氛管式炉中煅烧60 min,最后将样品水洗至接近中性,干燥得到单细胞微米炭球。

1.3 表征方法

采用扫描电子显微镜(JSM6700F型,日本JEOL公司)观察样品形貌;利用X射线粉末衍射仪(D/max-2200X,日本理学公司)对样品进行结构分析,扫描范围5°~90°,扫描速率2(°)/min;采用傅里叶红外光谱(Avarta360型,美国Nocolet公司)研究材料在制备中的结构演变机理,KBr压片法,扫描范围400~4000 cm-1;采用孔径分析测试仪(BelSorp Max,日本拜尔有限公司)研究样品的孔径结构。

1.4 单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附

配制一定浓度的盐酸四环素溶液并调节pH,用752UV-vis分光光度计(上海光学仪器厂)在357 nm处测定初始溶液吸光度。量取100 mL盐酸四环素溶液放入比色管中,并加入25 mg单细胞微米炭球,将比色管放入一定温度的水浴锅中,t时刻时取样并在3500 r/min下离心10 min,将上清液在357 nm处测量其吸光度。每组实验平行3次,取其实验结果的平均值进行数据分析。吸附量Qe由式(1) 计算。

${Q_{\rm{e}}} = \frac{{\left( {{\rho _{\rm{o}}} - {\rho _{\rm{e}}}} \right)V}}{m}$ (1)

式中,Qe为单位单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附量,mg/g;ρoρe分别为溶液初始质量浓度和t时刻溶液质量浓度,mg/L;V为盐酸四环素溶液的体积,L;m为单细胞微米炭球的质量,g。

2 结果与讨论 2.1 单细胞微米炭球的表征结果 2.1.1 晶体结构

本文用X射线衍射对单细胞微米炭球进行晶体结构分析。图 1为由酵母制得的单细胞微米炭球的XRD图谱。由图可知,2θ在19.3°~29.8°之间存在一个明显的衍射峰,峰型较宽,归属于无定形炭(002) 晶面,2θ在43°附近的衍射峰则归属于无定形炭的(100) 晶面,说明预处理-炭化-活化工艺制得的单细胞微米炭球系无定形炭。

图 1 单细胞微米炭球的XRD图谱 Fig.1 XRD spectrum of single-cell carbon microspheres
2.1.2 微观形貌

图 2是酵母细胞和单细胞微米炭球的SEM照片。由图 2(a)可见,实验选用的酵母菌呈椭圆形或柠檬形,表面光滑,颗粒大小一致,分散度好,颗粒尺寸约为2.69 μm×1.73 μm。图 2(b)是预处理-炭化-活化工艺得到的单细胞微米炭球,可以看出单细胞微米炭球形貌较为均一,较好地保持了酵母细胞椭圆形的形貌,微球的尺寸比酵母细胞小,平均大小约为1.81 μm×1.03 μm。

图 2 酵母细胞和单细胞微米炭球的SEM照片 Fig.2 SEM images of original yeast cells and single-cell carbon microspheres
2.1.3 红外分析

图 3为单细胞微米炭球制备过程中不同阶段样品的红外图谱。酵母菌的FT-IR分析结果表征出了酵母细胞上的主要官能团,3366 cm-1处的吸收对应于酵母细胞蛋白质的—NH/—OH,2923 cm-1处的C—H伸缩振动吸收峰源于酵母中—CH3、—CH2的存在,2357 cm-1和1654 cm-1的红外吸收峰分别对应于O—C=O和C=O键的伸缩振动,1038 cm-1处为酵母细胞表面多糖的羧基基团振动,1000~650 cm-1之间的吸收峰是由于酵母中—NH2的存在。炭化所得的酵母菌的FT-IR图谱与酵母菌的FT-IR曲线相比,除了2363 cm-1和3747 cm-1两处吸收峰外,3366 cm-1、2923 cm-1、1000~650 cm-1等多个酵母的吸收峰消失。所消失的吸收峰对应于酵母细胞蛋白质的—NH/—OH、—NH2、—CH3和—CH2,可知在氮气保护下的煅烧使酵母菌中的蛋白质、葡聚糖、甘露聚糖及几丁质等物质转化为炭,初步形成微米炭球。炭化酵母经氯化锌活化再煅烧后的样品与岩化所得的酵母菌相比,活化后的单细胞微米炭球在1048 cm-1和2363 cm-1处出现了吸收峰,对应于C—O及O—C=O的骨架振动。白波等[12]已经证明在ZnCl2活化热裂解过程中多孔炭微球表面发生了芳构化反应,且C=O为炭微球表面主要的含氧官能团,使吸附质牢固地吸附在材料的内部和表面,有助于其吸附性能的提高。在氯化锌活化及煅烧过程中,一方面氯化锌会刻蚀酵母细胞的孔壁,不仅产生大量的微孔而且将炭化过程中的孔打通,提高炭球与吸附质接触的有效面积;另一方面,由于多孔炭微球表面通过芳构化产生大量的氧官能团,有利于吸附质牢固地吸附在材料的内部和表面。

图 3 酵母、炭化酵母和单细胞微米炭球的红外图谱 Fig.3 FT-IR spectra of yeast, carbonized yeast and single-cell carbon microspheres
2.1.4 孔结构

图 4(a)为单细胞微米炭球在77 K下的N2吸附等温线,按照BDDT分类属于Ⅱ类,即反S型吸附等温曲线,按照IUPAC分类属于Ⅳ类型,即有毛细凝结的单层吸附。随着压力的升高,单细胞微米炭球的微孔被填充,酵母菌单细胞微米炭球的吸附容积随着压力的升高逐渐上升,样品比表面积达到1.61×104 cm2/g。由单细胞微米炭球的孔径分布图(图 4(b))可知,单细胞微米炭球的孔径主要分布在0.9、29和36 nm附近,说明该生物炭材料具有丰富的孔结构。

图 4 单细胞微米炭球的等温吸附曲线及孔径分布曲线 Fig.4 N2 adsorption isotherm and pore size distribution of single-cell carbon microspheres
2.2 单细胞微米炭球吸附四环素的影响因素 2.2.1 吸附时间

图 5可知,单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附作用主要发生在吸附开始后的150 min内。随着吸附时间的延长,吸附容量逐步增大,150 min后单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附达到饱和,此时吸附量达到23.73 mg/g。因此,实验将150 min作为吸附的终点,考察其他因素对单细胞微米炭球吸附盐酸四环素作用的影响。

图 5 吸附时间对单细胞微米炭球吸附四环素的影响 Fig.5 Effect of time on the adsorption of tetracycline hydrochloride by single-cell carbon microspheres
2.2.2 pH

图 6可以看出,单细胞微米炭球在中性溶液中对盐酸四环素的吸附效果最好。pH=7时吸附容量达到最大(23.73 mg/g),在偏碱溶液中的吸附效果较差,而pH=2时单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附容量仅为7.887 mg/g,说明酸性环境的吸附效果最差。

图 6 pH值对单细胞微米炭球吸附盐酸四环素的影响 Fig.6 Effect of pH on the adsorption of tetracycline hydrochloride by single-cell carbon microspheres
2.2.3 起始质量浓度

图 7是在不同起始质量浓度的溶液中单细胞微米炭球吸附盐酸四环素的Q-t关系图。可以看出在盐酸四环素溶液起始质量浓度为30 mg/L和20 mg/L时,最大吸附容量分别达到25.15 mg/g和23.73 mg/g。起始浓度越大,吸附速度越大,吸附容量随着吸附时间的延长而增大,吸附容量在30~150 min变化最快,在吸附150 min以后趋于稳定。

图 7 起始质量浓度对单细胞微米炭球吸附盐酸四环素的影响 Fig.7 Effect of initial concentration on the adsorption of tetracycline hydrochloride by single-cell carbon microspheres
2.3 吸附动力学 2.3.1 吸附动力学方法

准一级动力学主要用于液相间的吸附动力学方程,表征吸附质与吸附剂之间的物理吸附过程,相应的吸附动力学方程见式(2)。准二级动力学关注化学吸附剂与吸附质之间的化学吸附过程,其吸附动力学方程见式(3)。

${Q_t} = {Q_{\rm{e}}} - {Q_{\rm{e}}}{{\rm{e}}^{ - {K_1}t}}$ (2)
${Q_t} = \frac{{{K_2}Q_{\rm{e}}^2t}}{{1 + {K_2}{Q_{\rm{e}}}t}}$ (3)

式中,t为吸附时间,min;QeQt分别为吸附剂在平衡时和t时刻的吸附容量,mg/g;K1为一级动力学常数,L/min;K2为二级动力学常数,L/min。

2.3.2 实验结果与讨论

采用准一级和准二级动力学模型方程对实验数据进行非线性拟合,拟合曲线见图 8,拟合参数见表 1。由图 8可知,单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附随着接触时间的延长而增加,最佳吸附时间为150 min;随着时间的延长,单细胞微米炭球表面的吸附位点逐步被盐酸四环素填充,导致吸附量减少。与现有文献[12-14]比较,通过预处理-炭化-活化工艺制备的单细胞微米炭球对四环素有较好的吸附去除效果。根据表 1中单细胞微米炭球吸附盐酸四环素的动力学拟合参数R2来判断吸附动力学模型,非线性拟一阶动力学模型比拟二级动力学模型更为符合,说明单细胞微米炭球吸附盐酸四环素主要是以物理吸附为主。这是由于活化后多孔炭微球表面具有丰富的非极性基团,盐酸四环素以氢键、色散力等分子间作用力的方式吸附在炭球内部和表面[15-16]

图 8 单细胞微米炭球吸附盐酸四环素的动力学曲线 Fig.8 Order reaction fitting curve for adsorption of tetracycline hydrochloride by single-cell carbon microspheres
下载CSV 表 1 单细胞微米炭球吸附盐酸四环素的动力学拟合参数 Tab.1 Kinetic parameters for the adsorption of tetracycline hydrochloride by single-cell carbon microspheres
2.4 吸附热力学 2.4.1 吸附热力学方法

实验选用Langmuir和Freundlich等温线方程分别对实验结果进行拟合分析,拟合曲线见图 9,拟合参数见表 2表 3。Langmuir等温线方程和Freundlich等温线方程分别描述了单分子层和不均匀表层的吸附过程。

图 9 Langmuir等温线图和Freundlich等温线图 Fig.9 The Langmuir and Freundlich isotherm curves
下载CSV 表 2 Langmuir等温吸附拟合参数 Tab.2 Langmuir isotherm parameters
下载CSV 表 3 Freundlich等温吸附拟合参数 Tab.3 Freundlich isotherm parameters

Langmuir方程

${Q_{\rm{e}}} = \frac{{{Q_{\rm{m}}}{K_{\rm{L}}}{\rho _{\rm{e}}}}}{{1 + {K_{\rm{L}}}{\rho _{\rm{e}}}}}$ (4)

式中,Qe为达到吸附平衡时单细胞微米炭球的吸附量,mg/g;Qm为单细胞微米炭球的最大吸附量,mg/g;ρe为达到吸附平衡时盐酸四环素溶液的质量浓度,mg/L;KL为Langmuir常数。

Freundlich方程

${Q_{\rm{e}}} = {K_{\rm{f}}}\rho _{\rm{e}}^{1/n}$ (5)

式中,Kf为在一定浓度范围内表达吸附过程的经验常数;n为与表面覆盖相关的经验常数。

2.4.2 实验结果与讨论

图 9表明,等温方程能较好地反映单细胞微米炭球吸附盐酸四环素的吸附热力学过程,吸附平衡量随溶质平衡浓度的增大而增大。由表 2表 3可知,Freundlich等温吸附方程的拟合参数R2大于Langmuir吸附等温方程,说明Freundlich模型拟合方程更适合描述单细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附行为,单细胞微米炭球有单分子层与多分子层吸附共同作用。这是因为在活化过程中,氯化锌会不断刻蚀酵母细胞的孔壁,产生大量的微孔和中孔,使酵母菌细胞形成一个三维的多孔结构。

3 结论

(1) 以酵母细胞为原料,通过预处理-炭化-活化工艺可制备新型单细胞微米炭球,制备的炭球系无定型炭结构,呈均一的椭圆形,具有丰富的孔结构。

(2) 通过预处理-炭化-活化工艺制备的单细胞微米炭球对四环素有较好的吸附去除效果,吸附容量可达23.73 mg/g。

(3) 细胞微米炭球对盐酸四环素的吸附行为可用非线性拟一阶动力学吸附动力学模型较好地描述,符合Freundlich等温吸附模型。

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