菌丝基生物炭材料和菌丝基复合炭材料的制备及其吸附性能研究

作     者：夏语含 

作者单位：吉林农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈光

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：真菌菌丝 生物炭 木蹄层孔菌菌丝 吸附性能 灿烂绿 

摘      要：随着工业、畜牧业和医药等产业的快速发展,染料及抗生素的过度使用导致其残留在环境中,对生态环境和人类健康构成了威胁。因此,如何消减环境中的污染物是研究者始终关注的科学问题之一。生物炭作为吸附剂的一种,具有表面含氧官能团丰富、比表面积高及对污染物分子有较强的吸附作用等优势在污染物和废水处理中具由广阔的应用潜能。生物炭吸附法是污染物和废水处理方法中最有效的方法。如何获得吸附性能更好、可重复利用的生物质炭吸附新材料成为了问题的关键。真菌菌丝与其他生物质材料结构相比,具有独特的纤维网状结构使其结构更为蓬松,比表面积更高,且真菌菌丝具有生长周期短、来源丰富、价格低廉等优点。对真菌菌丝碳材料及其复合炭材料研究对丰富高吸附性能生物质炭材料及应用的研究具由重要意义和应用前景。本研究以真菌菌丝和菌丝培养基为原料,通过炭化和化学活化过程,制备出菌丝基炭材料和菌丝基复合炭材料,研究了化学活化条件(活化时间、活化温度、碱炭比)对活化效果的影响。通过TGA、SEM、N吸附-脱附测试、FT-IR、XRD、Raman、XPS以及Zeta电位对炭材料进行了表征。以合成染料亮绿(BG)和抗生素盐酸四环素(THC)为污染物模型,对菌丝基生物炭和菌丝基复合生物炭在吸附方面的性能进行了评价并初步探究其吸附机制。研究结果如下:1、以木蹄层孔菌菌丝(FF)为原料,在炭化温度为600,最佳活化条件为:Na OH作为活化剂且碱炭比为4:1、活化温度为700、活化时间为60 min的条件下制备出的菌丝基生物炭材料(BCFF)的比表面积为3352 m g,总孔隙体积为2.29 cm g。当模型污染物为BG时,吸附过程为化学吸附与多层吸附,且最大吸附容量为3361.43 mg g。2、在炭化温度为500,活化温度为700,活化时间为60 min,碱炭比为3:1的条件下分别制备出的木蹄层孔菌(FF)、黑曲霉(AN)和疣孢漆斑菌(MV)真菌菌丝基复合炭材料HCAFF、HCAAN和HCAMV与BCFF的活化条件相比更绿色、更环保。并且HCAFF和HCAAN具有超高的比表面积,分别为4357.6和3410.1 m g,明显高于BCFF。3、通过对菌丝基生物炭材料和菌丝基复合材料结构和吸附性能的研究结果表明:菌丝基炭材料和菌丝基复合炭主要由C元素和O元素组成,表面有大量的含碳、含氧的官能团,这些官能团的存在可以提高吸附性能。随溶液p H值的升高,菌丝基生物炭材料和菌丝基复合材料表面带有负电荷,更有利于其吸附印染废水中的阳离子染料。4、以合成染料BG和抗生素THC为污染物模型,研究了菌丝基复合生物炭的吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学特性。HCAFF,HCAAN和HCAMV对BG和THC的吸附过程符合拟二级吸附动力学模型,Freundlich等温线和Temkin等温线。说明生物炭对BG和THC的吸附主要是化学吸附和多层吸附。吸附热力学结果表明吸附过程是自发性且放热的。当p H值为9时,HCAFF,HCAAN和HCAMV对BG的最大吸附容量高达3384.36、3139.97和2315.76 mg g,HCAFF对BG的最大吸附容量高于BCFF(3166.43 mg g)。吸附机理可归结为孔隙填充、π-π相互作用、氢键相互作用和静电吸引作用。5、以染料以及抗生素吸附容量为指标,其吸附剂的循环利用研究结果表明,经过5个循环后,HCAFF,HCAAN,HCAMV对BG的吸附容量仍可达到原始值的90%以上,对THC的吸附容量仍可达到原始值的80%以上,证明本文制备的菌丝基复合生物炭具有很高的循环利用能力。