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细菌纤维素的合成及其高值化应用研究

程峥  
【摘要】:细菌纤维素(BC)是一种由细菌产生的生物可降解的天然纳米结构高分子聚合物。因其独特的结构和优越的性能,在食品、生物医疗、纳米功能材料等诸多领域得到了较好的应用。传统方法中常采用单糖作为碳源来制备培养基合成BC,但存在成本高的问题,不利于其大规模化发展。因此,开发经济的天然培养基,实现BC的低成本制备和高值化利用尤为关键。本论文开展了细菌纤维素低成本制备及高附加值应用的研究。首先,以农林废弃物-玉米秸秆预水解液中所获水解糖为碳源制备BC。研究了温度和时间对预水解过程的影响。获得了玉米秸秆的最佳处理工艺条件为:在温度160℃下处理70 min,玉米秸秆原料质量损失达到34.75%。针对糠醛类物质对木醋杆菌合成BC有较强抑制作用,研究了活性炭和离子交换树脂对玉米秸秆水解液的脱毒效果,结果表明双重脱毒过程对木醋杆菌生长有抑制作用的物质(如糠醛、木素和醋酸)的去除率比较大,当活性炭和离子交换树脂的添加量分别为5.0%(m/V)、1/10(w/w,离子交换树脂/水解液)时,糠醛、木素和醋酸的去除率分别达到88.58%,89.73%和82.97%,说明活性炭和离子树脂双重脱毒过程对玉米秸秆水解液具有非常好的脱毒处理效果,而且水解液中糖含量较高,为31.90 g/L,具备生产细菌纤维素的潜力。在木醋杆菌生物合成BC的实验过程中,探讨了初始pH值、培养温度、发酵时间、接种量、不同培养基对BC生长过程的影响,获得了最优的工艺条件是:初始pH值为6.8,培养温度为30℃,发酵时间为7天,接种量为8.0%。在最佳培养条件下,采用玉米秸秆水解糖作为碳源制备的BC产量高达2.86 g/L,纤维直径20~80 nm。系统比较了细菌纤维素与植物源纳米纤维素(纳米晶体、纳米纤丝)在制备方法、物理形貌、化学结构、表面电荷、结晶度等方面的区别。细菌纤维素是采用自下而上的生物合成的方法得到,而纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤丝是采用自上而下的化学或物理的方法分离得到,细菌纤维素的制备过程相比植物源纳米纤维素的制备过程更加绿色环保。它拥有一系列优于植物源纳米纤维素的特点。结果发现BC有较高的结晶度为88.70%,更高的热稳定性,更细长的纳米纤维。其次,研究了BC液膜,它是一种天然的水凝胶,含水率高(90%),通过控制不同的培养时间,能得到不同厚度的水凝胶。BC水凝胶再通过液氮定向冷冻干燥即可得到BC气凝胶。BC气凝胶具有质轻(5.8 mg/cm~3),孔隙率高(99.5%),比表面积大(436.25m~2·g~(-1))等独特优势,气凝胶的孔大部分是100 nm以下的小孔。并且具有超亲水和吸水润胀特性,可吸收的水高达自身质量的约160倍。气凝胶在水中能展现出很好的回复性能,体积恢复快,在150 min之内能恢复到原始厚度。此外,BC气凝胶还具有良好的吸水可重复使用性。BC气凝胶压制成的膜具有较好的柔韧性和机械性能,抗张强度为3.02 MPa,抗张伸长率为10.0%。进一步地,将BC气凝胶在不同温度(800℃、1000℃、1100℃)下进行碳化处理,得到BC碳气凝胶,比表面积分别为642.83 m~2·g~(-1)、745.61 m~2·g~(-1)和778.75 m~2·g~(-1)。在高温碳化过程中,碳气凝胶的内部结构得到了很好的保持。该碳气凝胶具有超级可压缩性(可压缩90%的厚度)、高弹性(释放压力后可恢复至原始厚度)、抗疲劳性(压缩1000次后仍能保持完整的结构稳定)和分级多孔结构。还具有良好的隔热性和热稳定性,碳气凝胶上放置的花朵在高温酒精灯上灼烧能安然无恙;碳气凝胶自身的形貌与结构无损伤,证明具有优异的防火能力。该BC碳气凝胶具有疏水性能,且碳化温度越高,疏水性能越好。在温度800℃、1000℃和1100℃条件下碳化得到的碳气凝胶水接触角分别为131.832°,145.057°和156.273°。且在温度1100℃碳化时得到的是超疏水碳气凝胶。BC碳气凝胶具有良好的疏水亲油特性,对各种油类和有机溶剂具有超强超快的吸附能力,吸附值高达132~274 g/g,吸附速度极快,在短短几秒钟就能达到吸附饱和。最后,将廉价的BC碳气凝胶作为柔性负极材料应用到钾离子电池中。该BC碳气凝胶电极材料具有超高压缩性能和多级孔的纳米纤维特性,可以直接作为自支撑负极材料,并且表现出优异的倍率性能和超长循环稳定性。在1000 mA/g的电流密度下,2000次循环后比容量高达158 mAh/g。每一圈的比容量衰减仅为0.006%。继续在2000 mA/g电流密度下循环1500圈之后,BC碳气凝胶电极的比容量仍然保持在141 mAh/g。而继续将电流密度增大到5000 mA/g时,在循环1000圈之后,其比容量依然能够保持到122mAh/g。机理研究发现,碳纳米纤维上的分级多孔结构对钾离子有很强的吸附作用,这种储钾机制有利于提高电池的倍率性能和循环稳定性。


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