秸秆水解液精制吸附剂的制备及应用研究

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生物发酵法是木质纤维素类生物质转化利用最常见的技术之一。在生物发酵法中,水解过程是影响发酵产物得率高低的重要步骤,这是因为水解液的成分对发酵效率产生直接影响。因此,对生物质水解液进行精制以除去其中阻碍发酵的抑制剂是非常有必要的。本论文从成本、效率和可再生角度出发,重点研究廉价丰富而脱色效果较优的凹凸棒石黏土(简称凹土)、再生容易的聚合物吸附树脂及它们的复合吸附剂对水解液的精制脱毒。  首先,以稻草秸秆水解液为吸附对象,对原土、酸活化和有机改性后的凹土的脱色效果进行了对比。结果表明,在相同条件下,经有机改性得到的有机土对水解液脱色效果远优于原土和酸化土。通过单因素实验确定了有机土对水解液脱色较适宜的条件:凹土使用量为水解液质量的3.5%,pH为5.0,温度为35℃。在此基础上,对水解液脱色吸附热力学和动力学进行了探索。有机土吸附等温线实验和拟合结果表明,水解液的脱色过程符合朗格缪尔(Langmuir)吸附等温线模型。据此计算在25℃、35℃和45℃的吉布斯自由能变分别为-7.38kJ·mol-1、-7.58kJ·mol-1和-7.77kJ·mol-1,而焓变和熵变则分别为-1.45kJ·mol-1和19.88J·mol-1·K-1,这表明水解液的吸附脱色属于自发放热过程。吸附动力学拟合结果则表明,拟二级吸附动力学可以很好地描述有机土对秸秆水解液的脱色吸附,且该过程受温度的影响不大。  其次,以三种混合木质纤维素水解液为吸附对象,以苯乙烯等为原料合成吸附树脂,并采用控制变量法考察了良溶剂和非良溶剂比例、交联剂二乙烯基苯(DVB)浓度、单体和交联剂比例、非极性和弱极性单体的引入等因素对吸附树脂吸附性能的影响。结果表明,考察的三种浓度中,浓度最高的80%DVB合成的树脂吸附效果最佳;不同的致孔剂比例导致树脂对抑制剂的吸附效果不同,以总抑制剂吸附量为指标,较优的致孔剂比例是Tol∶PL=1∶1;DVB占单体比例越高,合成的树脂比表面积越大(最高可达500m2/g),对抑制剂的吸附效果也相应地越好,从而得出单体与交联剂较优的比例为1∶3。在最优条件下合成的吸附树脂对WA的去除率接近20%,对FS的去除率高达71%,对SL的去除率接近40%,总糖损失率仅为10%。添加MA单体合成的吸附树脂对FS、SL和WA的去除率均降低,因此添加弱极性单体MA不利于高吸附性能树脂的合成。  最后,将成本较低而不易再生的有机土和易再生的弱极性吸附树脂进行复合改性,采用原位悬浮聚合法制备出新的复合吸附剂(PSDM2-T)。通过对比不同时间添加有机土所制备吸附剂的吸附性能,发现最佳的添加时间为按照预设升温程序,反应进行到5.0h的时候。此外,含适量有机土的复合吸附剂的比表面积和对水解液中抑制剂的吸附量均高于同等条件下合成的聚合物吸附树脂,甚至优于商品化的吸附树脂AB-8。通过考察有机土添加量(0~22.5%)的增加对复合吸附剂性能的影响发现,在该范围内吸附剂对WA、SL的吸附量和TS的损失率均呈先升高后降低的变化趋势,其中对WA的吸附量最大为34.3mg/g,对SL的最大吸附量为87.7mg/g,而对应的TS损失率约为8%;对FS的吸附量为30~40mg/g,且逐渐降低。无水乙醇再生的复合吸附剂用于水解液精制的结果表明,复合吸附剂的再生性能良好。
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