哈工大环境学院刘冰峰教授课题组JHM｜生物质预处理液对阴离子染料的絮凝作用研究
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文章信息
第一作者：卓胜男博士生
通讯作者：刘冰峰教授
通讯单位：哈尔滨工业大学
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127737资助项目：哈尔滨工业大学环境学院和城市水资源与水环境国家重点实验室(2020DX06)，国家自然科学基金(51978204)，黑龙江省重点研发计划项目(GA21C025)简介
废弃生物质处置和染料废水处理作为环境领域的两个研究课题一直受到关注。当前对生物质预处理的研究有很多，但是关于其预处理液的研究似乎被忽略。染料废水通过絮凝被去除更是人们认可的技术。但是，若能开发出操作更为简便且效果优越，制备成本低的絮凝剂将会对实际应用更有意义。近日，环境领域国际知名期刊Journal of Hazardous Materials在线发表了哈尔滨工业大学环境学院刘冰峰教授课题组关于利用生物质预处理液(Pretreatment Liquor, PL)絮凝多种阴离子染料，揭示了金属离子及木质素胶粒与染料之间的电荷中和和化学反应的絮凝机制研究的最新成果。
研究进展
研究发现了采用耦合氯化铁和聚乙二醇400混合溶液预处理水稻秸秆获得的预处理液，在不加任何提取及其他化学修饰的条件下，可以实现对多种阴离子染料的原位絮凝，分析了预处理液中存在的木质素胶体颗粒的特征，探究了絮凝前后预处理液中的铁离子的浓度变化及木质素胶体粒子的特性变化。发现铁离子和木质素胶体粒子是使染料发生絮凝沉降的两大贡献者。
图1 生物质预处理液絮凝染料的示意图
生物质的这种有机溶剂耦合金属卤化物预处理方式，使PL中同时具备金属离子和木质素两种具有絮凝功能的组分。路易斯酸氯化铁赋予了PL天然的酸性特性，当PL加入染料后，非强碱性的染料溶液都能够被自动调节为酸性，这对阴离子染料的絮凝十分有利。当少量PL被投加到大量的染料溶液中时，木质素可以在这种稀释条件下自组装为木质素胶体粒子，对染料的絮凝和沉降都起到了促进作用，使染料溶液在短时间内完成絮凝反应并碰撞形成巨大密实的絮体，加速沉降。图2 (a)PL的丁达尔效应；(b)不同pH条件下PL对染料CR的絮凝效果；(c)溶液絮凝前后的pH值；(d)PL絮凝CR过程中上清液的浊度和悬浮物变化；(e)絮体的EDS mapping图；(f)不同溶液的Zeta电位图
通过对溶液絮凝前后Zeta电位分析证实了PL对阴离子染料具有电荷中和的作用，同时考察了絮凝前后PL中的木质素胶粒和絮体上碳元素和铁元素的化学形态变化，证明了电荷作用主要由铁离子提供，进一步结合染料和絮体上氮元素的化学形态变化，表明木质素胶体粒子与染料之间发生了化学反应，在PL被投加到染料溶液的瞬间，由于自组装形成的大量的木质素胶粒依靠其亲水基团羟基与染料分子上的氨基发生反应，在提高絮体疏水性的同时，还能在沉降过程中通过碰撞形成絮体簇，加速下降，直至完全沉淀。
图3 生物质预处理液絮凝染料的机制图
作者介绍
卓胜男，2019级博士生，哈尔滨工业大学环境学院，主要从事废弃生物质的资源化及废水处理的研究。
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