生物改性玉米秸稈處理溢油污染水體的研究

彭 丹，黨 志，鄭劉春

（1.深圳信息職業技術學院交通與環境學院，廣東 深圳 518172；2.華南理工大學環境與能源學院，廣州 510006；3.華南師范大學化學與環境學院，廣州 510006）

隨著社會經濟的發展，全世界每年需要消耗數百萬噸的原油，在原油的開采、運輸、儲存和利用過程中常常會造成石油泄漏而引起水體嚴重污染[1]。因為石油泄漏會對環境和生物產生長久的危害，近年來吸引了大量的研究關注。為了有效治理受原油污染水體，多種處理技術被廣泛應用，包括化學氧化還原、膜分離、萃取、浮選、吸附、生物降解、電滲析等[2]。其中，吸附法與其他傳統的除油方法相比，具有處理速度快、操作簡單、經濟性好、對環境污染小等優點[3]。聚丙烯和聚氨酯等合成材料吸附效率高，然而，這類材料價格昂貴，且不可被生物降解，吸附后處理將遇到土地填埋困難，焚燒將導致嚴重的空氣污染問題[4]。近年來對環境友好型石油吸附劑的開發吸引了研究者們的廣泛關注[5－6]，它們大多是植物性生物質材料，主要優勢為環保特性，缺點在于吸油效率較低、疏水性較差、漂浮性較差[7]。因此，現在的研究熱點在于如何改善生物質材料的吸油性能[6，8－9]。

研究表明，椰纖維[10]、棉花[11]、木棉[12]、劍麻[13]、馬利筋[14]能吸附自身重量3～15倍的石油，吸油能力超過商用聚丙烯吸油氈。但是，大部分生物質廢棄物在天然狀態下的吸油能力有限，如木屑、稻草秸稈、玉米秸稈等[15]，為了提高生物質廢棄物的親油性能并降低親水性，研究人員多采用物理、化學方法對原材料進行改性[16]。大量研究表明，通常接枝[4，17]、乙?；痆18]、自水解[19]和碳化[20]等手段，能提高生物質廢棄物對油的吸附能力。物理、化學方法一般需要大量有毒有機溶劑，改性條件嚴格，技術設備要求高，而生物法具有改性條件溫和、有機溶劑使用少、能耗低等優勢，引起研究者的關注[21－22]。但是，用生物法改性玉米秸稈制備吸油劑的相關報道較少，本課題組較早開展相關研究[23－24]。纖維素降解菌能分泌豐富的纖維素酶系，在適宜的條件下能將秸稈中的纖維素部分水解為單糖或者多糖，從而使得秸稈結構發生變化[24]。纖維素酶根據作用方式分為3類，包括纖維素內切酶、纖維素外切酶和β－葡萄糖酶[25]，用纖維素酶處理生物質可以提高纖維素纖維的折疊，并且部分水解纖維素，從而使得生物質材料潤脹[26]。由前人的研究成果和本課題組前期研究可以看出，利用纖維素酶和纖維素降解菌改性玉米秸稈制備吸油劑將會是一種有效綠色途徑。

玉米是全球重要的經濟作物，生產過程中產生大量的玉米秸稈、玉米芯、玉米葉等副產品[27]，其中，玉米秸稈在中國的年產量為1.22萬～1.27萬t，開發利用這些資源豐富、價格低廉的原材料是非常重要的，因此，玉米秸稈在石油污染水體修復中的應用近年來備受關注[28－29]?？紤]到玉米秸稈原材料對油吸附能力較低，應采取一些改良方法生產高效吸油劑。為了減少改性過程中使用的化學試劑和產生的二次污染，本研究采用黑曲霉固態發酵技術和黑曲霉、纖維素酶改性玉米秸稈，將其制備成溢油吸附劑。

1 材料與方法

1.1 材料

供試原材料取自廣州市大學城穗石村的玉米秸稈，用水清洗風干后，用小型植物粉碎機破碎，篩分的20～40目材料以備后續試驗。供試黑曲霉（Aspergillus niger）為華南理工大學生物工程實驗室保藏菌株，于4℃下低溫保存在PDA斜面培養基上。本實驗使用的纖維素酶來源于黑曲霉，購自Sigma－Aldrich，其活性為0.57 U·mg－1。實驗所采用的油來自廣州石化集團，供試油性質：粘度 0.028 Pa·s－1，密度 0.852 g·cm－3。

1.2 方法

1.2.1 黑曲霉的培養基組成

將玉米秸稈進行黑曲霉改性時，所使用的固體發酵培養基為察氏培養基（Czapek－Dox Medium），其組成如下：尿素 0.3 g·L－1，MgSO4·7H2O 0.5 g·L－1，FeSO40.01 g·L－1，KH2PO4·3H2O 1 g·L－1，KCl 0.5 g·L－1，NaNO33 g·L－1，蔗糖 30 g·L－1。

1.2.2 纖維素酶制備吸油劑

纖維素酶在50 mmol·L－1pH為4.5的乙酸鈉緩沖溶液中對玉米秸稈改性。改性體系：底物中纖維素酶含量100 U·g－1，在45℃的水浴振蕩器中改性6 h，然后將反應體系置于85℃加熱10 min以停止酶反應。離心分離固體殘渣后，用大量蒸餾水洗滌沉淀物，干燥至恒定質量[23]。制備的吸油劑標記為ACCS。

1.2.3 黑曲霉制備吸油劑

根據前期實驗摸索，建立了黑曲霉改性玉米秸稈制備油污吸附劑的實驗步驟：將1.5 g滅菌后的玉米秸稈置于錐形瓶中，添加察氏培養基，固液比為1∶3，30℃下改性6 d[24]。制備的油污吸附劑標記為ANCS。

1.2.4 溢油吸附劑的表征

（1）BET比表面積測定

利用美國麥克儀器公司全自動快速比表面積分析儀（ASPS2020），根據BET方程測定計算固態發酵前后玉米秸稈的比表面積變化。

（2）SEM（掃描電子顯微鏡）觀察

將噴金后的待觀察玉米秸稈材料置于樣品載物臺中，用日本日立公司SEM（S－3700N）觀測改性前后材料的內部結構變化。

（3）XRD（X－射線衍射）分析

利用日本理學公司XRD儀（D/max－ⅢA），在2θ角為10°～40°區間內對改性前后玉米秸稈進行掃描（掃描速度為 3°·min－1）。

玉米秸稈中結晶區所占百分比用ICr表示，它的計算公式如下：

其中，ICr是結晶度指數，Iam為纖維素非結晶區衍射峰的強度（在18.7°處）；I002即為纖維素002結晶區衍射峰的強度（22.5°處）。

1.2.5 吸油量的測定

在前人研究的基礎上，采用重量法作為吸油量測定的方法[24]：①稱量吸油劑重量，本研究為0.2 g改性后的玉米秸稈（m材料）；②稱量恒重的表面皿重量、200目吸油網的重量，分別記為m（1g）和m（2g）；③室溫下，將吸油劑置于吸油網上，并沒入含油的水體中，將吸油裝置在 60～70 r·min－1的搖床中振蕩 1 h；④取出瀝干10 min后，置于表面皿中稱量，記為m（3g）。利用以下公式計算得到單位質量秸稈的吸油量q，單位為 g·g－1。

圖1 吸油量比較Figure1 Comparisons of oil sorption

圖2 RCS、ACCS和ANCS的SEM圖Figure2 SEM of RCS、ACCS and ANCS

2 結果與討論

2.1 吸油量的比較

根據前期實驗建立的方法，用黑曲霉菌體和纖維素酶改性玉米秸稈制備油污吸附劑，從圖1可知，ANCS 的吸油量為 14.28 g·g－1，ACCS 吸油量在 25 g·g－1左右，ACCS的吸油量是ANCS的1.7倍。但是兩種改性玉米秸稈與天然玉米秸稈（RCS，吸油量為4.89 g·g－1）相比，吸油效果均有明顯提高，說明黑曲霉改性和纖維素酶改性玉米秸稈對原油吸附效果明顯優于天然玉米秸稈。

2.2 溢油吸附劑的表征

圖2、圖3分別為RCS、ACCS和 ANCS的 SEM圖和XRD圖，從圖中可以觀察到油污吸附劑內部的微觀變化。RCS表面致密，內部纖維緊密排列，而ACCS表面出現絲狀凹槽，同時內部層片狀結構被撐開，出現孔狀結構，ANCS表面也呈現短凹槽，纖維層被真菌菌絲脹開。

為了探討黑曲霉和纖維素酶改性對材料結晶度的影響，可以用公式計算結晶度（ICr），以比較RCS、ACCS和ANCS的結晶度，結果列于表1。可以發現用兩種方法處理玉米秸稈ICr值均降低，但黑曲霉和纖維素酶改性差異顯著。ACCS的ICr為25.7%，而黑曲霉改性玉米秸稈的結晶度降低幅度較?。◤?6.8%下降至45.7%）。主要原因可能是纖維素酶可水解纖維素的無定形區和纖維素的結晶區，同時對木質素沒有影響（木質素被認為是無定形的）[26]。ACCS具有最低的ICr和最大的比表面積，因此具有最好的吸油能力。這些都為改性材料提供理論依據：改性后，玉米秸稈呈現更大的比表面積，同時材料的結晶區也在減小，這樣吸附材料才能夠為油污分子提供更多的吸附位點。

圖3 RCS、ACCS和ANCS的XRD圖Figure3 XRD of RCS,ACCS and ANCS

圖4 投加量的影響Figure4 Effect of sorbent dosage

圖5 初始原油量的影響Figure5 Effect of initial oil amount

2.3 投加量對吸油能力的影響

在10個500 mL燒杯中裝入20 g原油和150 mL蒸餾水，將 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 g 的 ACCS 和 ANCS分別投入含油水中，在轉速為70～80 r·min－1下振蕩吸附1 h，測定材料的吸油量（圖4）。從圖4可以看到，ACCS和ANCS的吸油能力與吸附劑投加量呈負相關性，即隨著吸附劑投加量的增加，單位質量ACCS和ANCS的吸油量減少，ACCS的最大吸油量為 24.98 g·g－1，ANCS 的最大吸油量為 12.98 g·g－1。這可能是因為投加的吸油劑越多，越容易引起團聚現象，使得吸油材料緊密粘附在一起，造成材料表面的吸附位點阻塞，不利于油分子吸附擴散，因而使得材料的吸附位點過剩[23，30]。

表1 RCS、ACCS和ANCS特性Table1 Characteristics of RCS,ACCS and ANCS

2.4 初始原油量對吸油能力的影響

在500 mL燒杯中裝入150 mL蒸餾水，分別加入原油 5、10、15、20、25 g 和 30 g，將 0.2 g 的 ACCS 和ANCS分別投入不同初始原油量的水中，在轉速為70～80 r·min－1下振蕩吸附 1 h，測定材料的吸油量（圖5）。從圖5可以看到，在初始原油量為5～20 g時，ACCS的吸油能力隨著初始原油量增加而增加，在初始油量為 20 g 時達到最大值，為 24.98 g·g－1；在初始原油量為5～25 g范圍內，ANCS的吸油能力隨著初始原油量增加而增加，在初始原油量為25 g時達到最大值，為13.61 g·g－1。隨著初始原油量的增加，形成的油層厚度也相應增加，兩種吸油劑越更接觸到油層下的水面，同時增加了原油分子，使得ACCS和ANCS接觸粘附原油的機率更大。但是繼續增加初始原油量，ACCS和ANCS的吸油量均達到了平衡，不再隨著初始原油量的增加而增加。這是因為吸油劑的吸油位點和空間已經飽和，油分子很難接觸并吸附到吸油劑上[31-32]。兩者比較，可以看出ACCS吸油能力優于ANCS，但是均較RCS有了提高，ACCS和ANCS吸油能力是RCS的5.1倍和2.9倍，改性效果明顯。從XRD和BET分析（表1）可以看出，經過纖維素酶改性后，玉米秸稈的結晶度明顯降低（纖維素的結晶區是很難進入化學試劑的），同時材料的比表面積增加，這樣有利于為油分子提供更多的吸附位點和空間[23]。

2.5 吸附動力學分析

圖6為ANCS和ACCS的吸油量隨吸附時間的變化，從圖中可以看出，兩種吸油材料在前10 min之內吸附較快，在60 min左右基本達到飽和。為了進一步闡明ACCS和ANCS對水中溢油的吸附動力學，利用準一級、準二級動力學模型進行分析[33]。計算公式如下：

準一級動力學模型：

式中：qe為吸附原油達到平衡的量，g·g-1；qt為在 t時刻吸附的原油量，g·g-1；K1為準一級動力學反應速率常數，min-1；K2為準二級動力學反應速率常數，g·g-1·min-1。

圖6 吸附時間的影響Figure6 Effect of sorption time

圖7 準一級動力學模型Figure7 Sorption kinetics of pseudo-first order

圖8 準二級動力學模型Figure8 Sorption kinetics of pseudo-second order

表2 動力學參數Table2 The parameters of kinetics for oil sorption

圖7和圖8分別為ANCS和ACCS的準一級動力學和準二級動力學擬合圖，其擬合參數結果見表2。結果表明，準二級動力學模型的決定系數R2均大于0.99，可以判定它能更好地解釋ACCS和ANCS對油的吸附過程，同時，實際吸附量（實驗值 qe，Exp）與用準二級動力學模型估計的理論吸附量很好地吻合。準一級動力學模型只能在反應時間范圍內使用，但準二級動力學模型可以在整個吸附時間內應用[33]。油在改性玉米秸稈上的吸附均可以描述為化學吸附，因為這種吸附過程非常好地吻合了準二級動力學模型。表2中的數據表明，ACCS的平衡吸附能力高于ANCS。為了進一步討論整個化學吸附過程，吸附半平衡時間t1/2和初始吸附速率h如表2所示，ANCS的初始吸附速率高于ACCS，吸附半平衡時間ANCS比ACCS短。雖然ACCS的吸附速率較低，但其吸附能力很高。這種現象可能歸因于ANCS主要作用機制是吸附，而ACCS的吸附過程包括吸附和吸收，油可以通過吸收途徑滲透通過玉米秸稈表面，這降低了整個吸附速率，但吸附量更高。

3 結論

（1）本研究以玉米秸稈為原材料，通過黑曲霉固態發酵技術和纖維素酶（來源黑曲霉）改性，制得了高效吸油劑。ANCS和ACCS最大吸油量分別是天然玉米秸稈的2.9倍和5.1倍。結果表明，兩種方法對改良材料的吸油能力有較大影響，纖維素酶比黑曲霉改性效果更佳。但是，材料的疏水親油性能有待進一步提高。

（2）兩種改性秸稈對原油的吸附均能在60 min內達到平衡，可用準二級動力學方程很好地擬合。ANCS的初始吸附速率高于ACCS，且較快達到吸附半平衡時間。雖然ACCS的吸附速率較低，但其吸附能力更高。接下來的研究將在吸附熱力學方面做進一步闡述。

（3）通過纖維素酶和黑曲霉改性的玉米秸稈是良好的生物吸附劑，具有原材料來源廣泛、制備所需化學試劑用量小、無二次污染等優點，既可以解決溢油污染水體修復問題，又能解決農業固體廢棄物的處置問題。

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