殼聚糖改性凹凸棒土絮凝小球藻的研究

張紅兵，李俊磊

(河北經(jīng)貿(mào)大學(xué) 生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050061)

微藻是制備生物柴油的優(yōu)質(zhì)原料，其表面帶有負(fù)電荷，在水中易形成穩(wěn)定的懸浮體系，導(dǎo)致收集較為困難。絮凝法采收微藻具有效率較高、適用范圍廣、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為微藻工業(yè)化開發(fā)利用的熱點(diǎn)。殼聚糖是一種較為理想的藻類絮凝劑，表面含有大量氨基，在酸性環(huán)境下呈陽(yáng)離子性質(zhì)，能與微藻發(fā)生電中和，形成微小藻團(tuán)并緩慢沉降[1]。對(duì)比氯化鐵、氯化鋁等金屬鹽類絮凝劑，殼聚糖無(wú)毒易降解，不影響后續(xù)產(chǎn)品的加工，但沉降效率較低，往往需要與離心法和過(guò)濾法聯(lián)用。

為了提高微藻采收效率、縮短收獲時(shí)間，本研究利用殼聚糖與凹凸棒土制備改性絮凝劑，研究殼聚糖與凹凸棒土比例、pH、絮凝劑投加量和沉降時(shí)間對(duì)絮凝劑絮凝性能的影響，并探究其絮凝機(jī)理，為微藻采收提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

小球藻(本實(shí)驗(yàn)組篩選保存)，凹凸棒土(工業(yè)品，200目)，殼聚糖(BR，脫乙酰度80.0%～95.0%)，其余試劑均為分析純。

FA1004電子天平;LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌器;UV-2500紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì);pH-3 CpH計(jì);PQX生化培養(yǎng)箱;Zetasizer Nano ZS 90納米粒徑電位分析儀;EVO18掃描電子顯微鏡。

1.2 絮凝劑的制備

凹凸棒土的酸化預(yù)處理：取適量凹凸棒土，用足量的鹽酸溶液(2 mol/L)對(duì)凹凸棒土進(jìn)行酸化處理，攪拌過(guò)夜，過(guò)濾，用蒸餾水淋洗過(guò)濾物，直至濾液呈中性，80 ℃烘箱中烘干至恒重，研磨過(guò)200目篩，備用。

取3 g殼聚糖、50 mL(1 mol/L)的鹽酸溶液加入至100 mL燒杯中，室溫?cái)嚢柚镣耆芙夂螅鹘M按設(shè)定的殼聚糖與凹凸棒土質(zhì)量比(1∶2，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12)分別添加凹凸棒土，室溫下攪拌24 h， 于80 ℃烘箱中烘干至恒重，研磨過(guò)200目篩，制得不同質(zhì)量比的殼聚糖改性凹凸棒土。

1.3 小球藻的培養(yǎng)

BG11培養(yǎng)基成分(g/L)：NaNO3，1.50；Na2CO3，0.02；K2HPO4·3H2O，0.04；MgSO4·7H2O，0.075；CaCl2，0.027 2；EDTA-Na2，0.001；檸檬酸，0.006；檸檬酸鐵銨，0.006；微量元素母液，1 mL。其中微量元素母液成分(g/L)：CuSO4·5H2O，0.08；MnCl2·4H2O，1.86；ZnSO4·7H2O，0.22；H3BO3，2.86；Na2MoO4·2H2O，0.39；Co(NO3)2·6H2O，0.05。121 ℃滅菌20 min，冷卻至室溫備用。

小球藻的培養(yǎng)條件：BG11培養(yǎng)基，pH為7，接種量10%，25 ℃、8000lux下全光照培養(yǎng)，以O(shè)D680值來(lái)間接測(cè)定小球藻的生物量，選用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)中后期的小球藻稀釋至吸光值為0.100(細(xì)胞密度約為2.1×106個(gè)/mL)用于實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

參考楊磊、張高科、湯丹丹等[2]與李凱、劉漢湖、周子森[3]去除銅綠微囊藻的絮凝操作與絮凝率計(jì)算方法，取1.3節(jié)中稀釋后的藻液300～500 mL錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH并投加絮凝劑，300 r/min攪拌2 min， 150 r/min攪拌5 min，靜置后在設(shè)定時(shí)間取液面下2 cm處的藻液測(cè)OD680值，重復(fù)3次，絮凝率計(jì)算公式如下：

絮凝率=(原微藻吸光值-絮凝后液面下2 cm吸光值)/原微藻吸光值×100%

1.5 樣品的表征

用掃描電鏡對(duì)凹凸棒土、改性后的凹凸棒土(絮凝劑)和絮體進(jìn)行表征。使用納米粒徑電位分析儀測(cè)定pH 5下OD680值為0.100的藻液、0.5 g/L的殼聚糖與凹凸棒土質(zhì)量比為1∶2的殼聚糖改性凹凸棒土和向OD680值為0.100的藻液中投加0.5 g/L殼聚糖改性凹凸棒土獲得的絮體的Zeta電位值。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖與凹凸棒土比例對(duì)絮凝效果的影響

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用1 mol/L的HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)500 mL藻液pH至6，分別投加0.5 g/L 的殼聚糖、凹凸棒土和不同比例的殼聚糖改性凹凸棒土，攪拌、靜置、測(cè)定2 h和24 h的絮凝率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，數(shù)據(jù)表明，殼聚糖改性能夠明顯提高凹凸棒土對(duì)小球藻的絮凝性能和沉降效率，殼聚糖和凹凸棒土的最佳質(zhì)量比為1∶2，2，24 h的絮凝率從凹凸棒土的5%，11%增加至53%，73%。隨著質(zhì)量比的減小，改性絮凝劑的2 h和24 h絮凝率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，但24 h絮凝率也均超過(guò)了58%，對(duì)比凹凸棒土的11%提升顯著，但低于殼聚糖的92%。考慮到時(shí)間成本，確定1∶2為絮凝劑中殼聚糖和凹凸棒土的最佳質(zhì)量比。

圖1 不同比例殼聚糖改性凹凸棒土對(duì)絮凝率的影響

2.2 pH對(duì)絮凝效果的影響

見(jiàn)圖2，pH對(duì)絮凝劑的性能影響較大，絮凝劑使用的最佳pH為5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，pH為4.0，5.0時(shí)，絮凝劑的絮凝效率較高，2 h絮凝率分別為88.7%，89.0%，24 h絮凝率分別為91.7%，88.1%，殼聚糖中豐富的氨基在酸性弱酸性條件下被質(zhì)子化，使絮凝劑表面呈陽(yáng)離子性質(zhì)，與小球藻發(fā)生電中和使其脫穩(wěn)沉降；pH為3.0時(shí)有所下降，可能是強(qiáng)酸性條件下殼聚糖溶解，導(dǎo)致絮凝效率降低；pH為7.0～9.0時(shí)，氨基呈非離子或弱負(fù)電性，不利于絮凝劑對(duì)小球藻的網(wǎng)捕；pH為10時(shí)，絮凝率提高，可能是由于培養(yǎng)基中的Ca2+在堿性條件下生成Ca(OH)2，促進(jìn)了小球藻的沉降[4]。

圖2 不同pH對(duì)絮凝率的影響

2.3 絮凝劑投加量和沉降時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響

絮凝劑的絮凝效果通常會(huì)隨著絮凝劑用量的增加和絮凝時(shí)間的增長(zhǎng)而增強(qiáng)，當(dāng)絮凝劑的用量和絮凝時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，出現(xiàn)最大值，此時(shí)進(jìn)一步增加絮凝劑用量和延長(zhǎng)絮凝時(shí)間，提升絮凝效果不明顯，有時(shí)還會(huì)有所下降。由圖2可知，改性凹凸棒土的投加量﹤0.5 g/L時(shí)，絮凝率隨投加量增加而增加，當(dāng)投加量﹥0.5 g/L時(shí)，絮凝效果變化不明顯。隨著沉降時(shí)間的增加，絮凝率不斷增大，在2 h左右達(dá)到平衡。低于0.5 g/L投加量的實(shí)驗(yàn)組受沉降時(shí)間影響顯著，24 h的絮凝率均高于1.5～2.5 h；投加量≥0.5 g/L的實(shí)驗(yàn)組，其絮凝率在2 h時(shí)達(dá)到最大值并基本不再隨沉降時(shí)間延長(zhǎng)而變化。因此，最終確定0.5 g/L和2 h為最佳投加量與沉降時(shí)間。

圖3 不同絮凝劑投加量與沉降時(shí)間對(duì)絮凝率的影響

2.4 Zeta電位測(cè)定

分散體系的穩(wěn)定性常用Zeta電位進(jìn)行檢測(cè)，兩者的關(guān)系見(jiàn)表1[5]。

表1 Zeta電位值與膠體穩(wěn)定性的關(guān)系

檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，藻液的電位值為(-10.7±2.295) mV，在pH 5的環(huán)境下帶負(fù)電荷，參照表1中Zeta電位值與膠體穩(wěn)定性的關(guān)系，體系在此狀態(tài)下較為不穩(wěn)定，實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，小球藻在靜置培養(yǎng)4～7 d后能夠緩慢沉降，但輕輕晃動(dòng)后易恢復(fù)到重懸浮狀態(tài)，這與檢測(cè)結(jié)果相符；絮凝劑的電位值為(5.39±2.56) mV，這是絮凝劑中的氨基在酸性條件下帶正電荷，使絮凝劑呈陽(yáng)離子性質(zhì)，能夠與小球藻作用形成絮體；絮體電位值為(-0.225±3.775)mV，在此狀態(tài)下體系易快速凝結(jié)或凝聚，因此絮凝劑與微藻結(jié)合較為緊密，與觀測(cè)結(jié)果一致。

2.5 掃描電鏡表征

見(jiàn)圖4，圖A、B分別是凹凸棒土和絮凝劑的SEM圖，在2 μm尺度下，凹凸棒土呈疏松多孔的結(jié)構(gòu)，表面分布大量孔隙，具有較大的表面積，經(jīng)酸化、殼聚糖改性制成絮凝劑后，空隙數(shù)量和大小較改性前增加，說(shuō)明改性能夠增加凹凸棒土表面積，有利于捕獲小球藻。圖C是絮體的SEM圖，可以看出絮凝劑表面吸附了大量小球藻，且兩者結(jié)合較為緊密。

圖4 掃描電鏡圖

3 結(jié)論

微藻采收效率與運(yùn)作成本直接影響能源微藻的生產(chǎn)周期與產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，殼聚糖改性凹凸棒土能夠破壞小球藻穩(wěn)定的分散狀態(tài)，并利用電中和作用將小球藻吸附，所得絮體緊密、不易重懸浮，在殼聚糖和凹凸棒土質(zhì)量比為1∶2，pH為5，投加量為0.5 g/L的條件下，2 h時(shí)的絮凝率可達(dá)88.7%，具備一定的應(yīng)用潛力。