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阳离子聚合物包覆Fe_3O_4收集普通小球藻的性能与机制研究

赵远  
【摘要】:产油微藻作为一种可再生的生物质能源,近年来备受关注。由于产油微藻的生长特性,其采收环节成为限制微藻能源高效利用的主要因素。在传统微藻收集方法的基础上,磁絮凝分离技术作为一种新兴的微藻收集方法,它以快速、高效的优点而在近年来受到广泛关注。本文基于磁絮凝分离技术,分别采用三种阳离子聚合物:聚合氯化铝(PAC1)、胺甲基化改性植物多酚(APP)、季铵盐化改性植物多酚(QPP)对Fe3O4功能化包覆,制备得到了 Fe3O4/PACl、Fe304/APP、Fe304/QPP三种磁性复合材料。研究了磁性复合材料的理化性质及收集普通小球藻的性能。采用DLVO理论及酸碱作用(AB)修正的E-DLVO理论模型,研究磁性复合材料与藻细胞之间相互作用机制;采用磁力修正的M-DLVO理论模型,研究收集后磁-藻絮体之间相互作用机制。本论文主要得到以下研究结果:PACl对Fe3O4功能化包覆后,得到Fe304/PACl磁性复合材料,等电点为13.1。Fe3O4和 PAC1 以 Fe3O4/PACl 的投加策略投加,且浓度为((10.0 g/L)/(0.625 mmol Al/L))时,能够实现96%的微藻收集。碱性溶液更有利于Fe304/PACl的收集。聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,PAM)和 Fe3O4/PACl 以“Fe3O4/PACl+PAM”((10.0 g/L)/(0.625 mmol Al/L)+3 mg/L)的策略投加,能够实现对普通小球藻99.9%的收集,且该投加策略能够克服藻液pH和AOM带来的干扰。Fe3O4/PACl+PAM对普通小球藻的收集,主要机理是Fe304/PACl与藻细胞电荷中和,以及PAM诱发的网捕架桥和卷扫絮凝。采用APP对Fe304功能化包覆,得到Fe304/QPP磁性复合材料,能够初步实现77%的微藻收集。红外结果显示,APP包覆后,其表面的官能团(-N-)成功地出现在Fe3O4表面;XPS结果显示,APP对Fe3O4功能化包覆,其表面的官能团与Fe3O4主要通过N-O键作用实现;包覆后,Fe3O4/APP的等电点提高至7.3。Fe3O4和APP混合后再投加,收集效率比两者分开投加高;Fe3O4和APP的最佳包覆比例为((20 g/L)/(200mg/L))。Fe3O4/APP适合在酸性环境(pH≤7.0)下使用,微藻培养液中的胞外分泌物(AOM)、高密度藻液会干扰Fe304/APP的收集,并增大其投加量。Fe304经过十次循环再生、再使用后,能够实现72%的微藻收集。对APP进一步对改性得到QPP,并用QPP对Fe3O4功能化包覆,得到Fe304/QPP磁性复合材料,等电点由7.3提高至13.5。红外结果显示,QPP的(-N+-(CH3)2)官能团成功地包覆在Fe3O4上;XPS结果表明,QPP对Fe3O4包覆,主要通过N-O键作用实现。Fe3O4/QPP的投加量,进一步降低至5.0 g/L,微藻收集率提高至91.0%。Fe3O4/QPP适用于整个pH值范围内(6.0~12.0)的微藻收集,并且能够克服AOM、高密度藻液对微藻收集带来的干扰。Fe304经过十次再生、再使用,能够实现对普通小球藻76.3%的收集。对于收集产油微藻培养原液中的藻细胞,Fe3O4/QPP更有优势。采用DLVO理论模型,研究颗粒物之间的相互作用,发现藻细胞之间的相互作用力,决定普通小球藻收集效果。酸碱作用修正的E-DLVO理论模型,解释了Fe3O4/APP在碱性溶液中实现普通小球藻收集,是由于颗粒间氢键诱发的“氢键桥接”作用,从而导致藻细胞剧烈碰撞。E-DLVO模型,更准确地描述藻细胞与磁性复合材料之间的相互作用。磁力修正的M-DLVO模型,确定了磁场作用下磁力势能是磁-藻絮体间的主要作用势能;Fe304/QPP-磁藻絮体受到的UM-DL VO比Fe304/APP更负,能够实现更快的磁捕获。


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