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凤眼莲秸秆堆肥与钾素回收及其纤维改性材料的特性研究

周文兵  
【摘要】: 凤眼莲(Eichhornia crassipes)在全球很多热带和亚热带水体泛滥成灾,已被列为世界十大害草之一。要利用凤眼莲对水质的净化功能,更重要的是将其生物入侵危害转变成一种资源利用。传统利用方式能够利用的凤眼莲十分有限,并不能有效缓解其泛滥成灾的现状。为此需要找到综合利用水生植物资源的新/最佳途径。本文首先研究了凤眼莲用作猪粪堆肥原料对堆肥堆制过程和堆肥品质形成过程的影响,评价了其用作堆肥原料的优缺点,在此基础上,开展了利用沉淀方法从凤眼莲秸秆提取生物钾素的工艺研究,和利用凤眼莲秸秆纤维素制备重金属离子吸附剂黄原酸盐的有关材料学研究。主要结果如下: 1.“猪粪+凤眼莲”堆肥处理堆体温度较高,水分损失较快,40℃以上维持20天,短于“猪粪+泥炭”处理的27天和“猪粪+木屑”处理的45天。堆制过程中,全氮、全磷、全钾含量均呈上升趋势;除速效氮和速效氮/全氮呈现下降趋势外,有效磷、速效钾及有效磷/全磷、速效钾/全钾均呈现增加趋势。“猪粪+凤眼莲”处理高含量的速效钾和全钾与凤眼莲含有较高的钾有关,这是凤眼莲作为堆肥原料的一大优势。凤眼莲的高钾含量也是“猪粪+凤眼莲”堆肥处理pH上升幅度最大的重要原因,导致该处理氮素以氨的形式损失最大,相比其它两个堆肥处理所获堆肥速效氮含量最低。由于凤眼莲含水很高,堆制过程中多次翻堆后物料易成稀泥状,堆制完成后风干物料,又易成坚硬的块状。这是凤眼莲作为堆肥原料的两个缺点。 2.在整个堆肥制作中,总腐殖质(HS)含量和胡敏酸(HA)含量均呈现先下降后上升再稳中有降的趋势,总体表现为增加;HA/HS则上升明显,这些是堆肥腐熟和品质提高的表现。3堆肥处理中,“猪粪+凤眼莲”处理pH和CEC增加幅度最大,HA/HS增加幅度最小,这与凤眼莲高矿质养分含量有关。堆肥堆制前后pH和HA/HS的变化与堆制前后CEC变化分别呈较好的正相关和负相关,它们可以作为堆制前后交换态金属元素含量变化的参考指标。 3.除重金属Cr外,1mol/L NH_4Ac-0.05mol/L EDTA浸提的绝大部分金属离子含量堆制后均有增加,3种堆肥增加幅度的顺序为:猪粪+凤眼莲>猪粪+木屑>猪粪+泥炭;在3种堆肥成品中,较高含量的重金属As、Cu主要来源于猪粪原料,凤眼莲所带入的重金属对堆肥重金属含量影响较小。 4.以0.8mol/L HCl按液固比5∶1浸提凤眼莲茎叶样30min,钾浸提率为70.0%;凤眼莲茎叶的浸提液在用碱中和至pH≈13时,绝大部分Ca~(2+)、Mg~(2+)随溶解性有机质沉淀,去除沉渣步骤中钾得率为88.0%;以低温(0℃)静置3h,当酒石酸加入的摩尔数为滤液钾摩尔数的1.72倍时,在固相沉淀中可获得72.3%的钾得率,所得粗固体中酒石酸氢钾含量(或纯度)为88.4%。总的来看,凤眼莲茎叶中的钾在固体产品中的总得率为44.5%。 5.凤眼莲的纤维素含量与空心莲子草、水稻秆相近,但凤眼莲苯醇提取物和半纤维素含量高于其它植物秸秆,而木质素含量明显低于其它几种植物秸秆,特别是其茎叶部。凤眼莲茎叶在所有的植物原料中对铜离子的吸附能力最强,而其黄原酸盐在所有植物原料制备的黄原酸盐中对铜离子的吸附能力最强,达165.95±8.27mg/g。碱化处理对各植物原料对铜离子的吸附能力影响不大,甚至会使它们有所降低,而进一步的璜化处理则显著提高了凤眼莲茎叶、凤眼莲根、空心莲子草、水稻秆及微晶纤维素对铜离子的吸附能力。这些黄原酸盐对铜离子吸附能力的顺序为:凤眼莲茎叶>水稻秆>空心莲子草>微晶纤维素>凤眼莲根。 6.材料的XRD图谱表明,除了晶型物含量很高的原料,水稻秆和水稻壳外,碱化处理均提高了植物材料的晶型物含量,而进一步的璜化处理则由于引入了新的官能团,晶型物含量有所降低。材料的热分析(TGA/DTA)结果表明,经过碱化处理和进一步的璜化处理,植物材料的放热峰向高温方向移动,材料的热稳定性得到逐步提高。水生植物系列材料的纤维素结构降解过程较水稻各系列材料更为复杂,前者的热稳定性较强。 7.红外证据表明,水生植物原料,特别是凤眼莲茎叶相对含有更多的吸附活性基团。经碱化处理后,植物原料中木质素、低分子的木聚糖等有机物质基本被除去,全波段红外吸收峰降低,进一步与CS_2反应后,由于在纤维素1,4-β糖苷键单元结构上引入了新的官能团-C=S,及-O-CS-S-,黄原酸盐中出现了新官能团的吸收峰。凤眼莲茎叶、凤眼莲根、空心莲子草及水稻秆相应的黄原酸盐相比各自碱化纤维素的结构变化明显,这与它们对铜离子的吸附量显著高出各自植物原料和碱化纤维素具有一致性。以凤眼莲、空心莲子草以及水稻秆为原料制备纤维素黄原酸盐具有明显的优势,而水生植物由于材料的热稳定性更好,相比水稻秆显示出更大的潜力。


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