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

【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。 【关键词】：凤眼莲(Eichhornia crassipes) 猪粪堆肥 腐殖化 钾富集 酒石酸氢钾 纤维素 黄原酸盐
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S141.4
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 1 文献综述12-30
• 1.1 凤眼莲资源化利用现状12-18
• 1.1.1 凤眼莲对无机元素的富集作用及其利用研究12-15
• 1.1.2 凤眼莲的其它利用研究15-17
• 1.1.3 凤眼莲综合利用途径探讨17-18
• 1.2 纤维素改性吸附剂的研制和应用研究现状18-30
• 1.2.1 纤维素的化学和物理结构19-20
• 1.2.2 天然纤维素对重金属的吸附20
• 1.2.3 纤维素改性预处理20-22
• 1.2.4 纤维素吸附剂的化学改性22
• 1.2.5 植物纤维吸附剂的应用研究22-24
• 1.2.6 纤维素黄原酸盐的合成原理24-25
• 1.2.7 纤维素及改性纤维素的结构表征25-29
• 1.2.7.1 X射线衍射(XRD)25-26
• 1.2.7.2 热重分析(TGA)和差热分析(DTA)26-28
• 1.2.7.3 红外吸收光谱(IR)28-29
• 1.2.8 植物纤维吸附剂的应用研究中存在的主要问题29-30
• 2 课题研究的背景、意义、内容及技术路线30-34
• 2.1 研究的背景和意义30-31
• 2.2 研究内容31-32
• 2.2.1 凤眼莲用作猪粪堆肥调理剂的效应研究31-32
• 2.2.2 凤眼莲钾素回收工艺及其影响因素研究32
• 2.2.3 凤眼莲及其纤维改性产品材料学特性32
• 2.3 课题创新点32-33
• 2.4 技术路线33-34
• 3 凤眼莲对猪粪堆肥过程及其养分状况的影响34-43
• 3.1 前言34-35
• 3.2 材料与方法35-36
• 3.2.1 试验材料35
• 3.2.2 堆肥制作35
• 3.2.3 取样及分析35-36
• 3.3 结果与分析36-41
• 3.3.1 温度和pH变化36-37
• 3.3.2 全碳、全氮及C/N的变化37-38
• 3.3.3 全磷、全钾及粗灰分的变化38-39
• 3.3.4 速效氮、有效磷及速效钾变化39-40
• 3.3.5 速效氮/全氮、有效磷/全磷、速效钾/全钾变化40-41
• 3.4 讨论41-43
• 4 凤眼莲对猪粪堆肥腐殖化特性及元素形态变化的影响43-50
• 4.1 前言43-44
• 4.2 材料与方法44-45
• 4.2.1 试验材料及堆肥制作44
• 4.2.2 取样及分析44-45
• 4.3 结果与分析45-49
• 4.3.1 胡敏酸/腐殖质及pH的变化45-46
• 4.3.2 金属元素可浸提态的变化46-47
• 4.3.3 金属元素可浸提态的变化与有机物料pH的关系47-49
• 4.4 讨论49-50
• 5 凤眼莲钾素提取和回收工艺研究50-58
• 5.1 前言50
• 5.2 材料与方法50-52
• 5.2.1 试验材料50-51
• 5.2.2 不同盐酸浓度浸提凤眼莲茎叶样51
• 5.2.3 近饱和酒石酸溶液51
• 5.2.4 沉淀时温度控制51
• 5.2.5 测定方法51
• 5.2.6 浸提效率计算51-52
• 5.3 结果与分析52-56
• 5.3.1 酸浸提浓度、液固比及浸提时间的筛选52-53
• 5.3.2 凤眼莲不同部位钾含量及其钾浸提率53-54
• 5.3.3 凤眼莲茎叶酸提液在不同碱度下沉淀去除情况54
• 5.3.4 钾沉淀剂加入量及沉淀条件的筛选54-56
• 5.4 结论与讨论56-58
• 6 凤眼莲纤维素黄原酸盐的制备、对重金属的吸附性能及结构表征58-98
• 6.1 前言59-60
• 6.2 材料与方法60-62
• 6.2.1 植物原料的收集和原料样制备60
• 6.2.2 植物原料基本组成和性质的测定60
• 6.2.3 纤维素黄原酸盐的合成60-61
• 6.2.4 不同植物原料及其碱化纤维素和纤维素黄原酸盐的结构性能表征61-62
• 6.2.4.1 植物材料的前处理61
• 6.2.4.2 植物材料的结晶状况表征61
• 6.2.4.3 植物材料的热状况表征61-62
• 6.2.4.4 植物材料的官能团状况表征62
• 6.2.4.5 植物材料对铜离子吸附量测定62
• 6.3 结果与分析62-94
• 6.3.1 凤眼莲及其它植物的纤维特性差异62-63
• 6.3.2 凤眼莲及其它植物原料、碱化纤维素、黄原酸盐对Cu~(2+)的吸附量63-64
• 6.3.3 植物材料的纤维素结晶状况表征64-70
• 6.3.4 植物材料的热状况表征70-78
• 6.3.5 植物材料的官能团状况表征78-94
• 6.4 结论与讨论94-98
• 6.4.1 结论94-95
• 6.4.2 讨论95-98
• 7 总结98-101
• 参考文献101-112
• 攻读博士学位期间发表论文和成果112-114
• 致谢114

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