登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
图文摘要
文章亮点
文章简介
藻酸盐是一种天然聚合物和可再生资源,具有较高附加值。它是由β-D-甘露糖醛酸残基与其同分异构体α-L-古罗糖醛酸残基,通过α(1→4)糖苷键连接而成的线型嵌段共聚物,具有保水、增稠、生物相容性和凝胶形成的特性,这使其成为一种有许多潜在应用价值的原材料。目前,工业获取藻酸盐主要是从大型海藻中提取。然而,从海藻中提取藻酸盐的生产成本较高、且藻酸盐成分易受季节变化的影响,并且从海藻中提取藻酸盐还会产生大量生产废水。研究人员尝试通过纯微生物培养方式,经假单胞菌属或固氮菌属细菌来生物合成藻酸盐,通过定向调控细菌产藻酸盐,优化培养条件,稳定产胶能力,可以生物合成各种具有特定结构性能的藻酸盐,但是,该方法的缺点是需要投加大量有机营养物作为生产原料,使得生产成本大幅提高。研究发现,污水处理过程中形成的好氧颗粒污泥(AGS)中藻酸盐含量最高可达25%,因此,回收藻酸盐成为污水资源化新兴方向,具有巨大的应用前景。
从污水中回收的藻酸盐溶液的含水率高达99.8%,因此浓缩脱水成为从AGS回收藻酸盐的主要瓶颈之一。传统方法是通过添加乙醇、氯化钙、无机酸和其他化学试剂以浓缩沉淀水中溶解的藻酸盐,但是这种方法不仅消耗大量化学试剂,而且产生二次污染。然而,广泛用于蛋白质、多糖和核酸等生物聚合物的膜分离与浓缩方法可以有效避免这些缺点。通过膜分离与浓缩,藻酸盐溶液的浓度增加且体积大幅减小,从而大大降低藻酸盐回收过程的工艺规模和操作成本。膜污染是限制膜分离应用的瓶颈,通常以污染物粘附、沉积、凝胶层形成而增加过滤阻抗。前期研究发现,Ca2+作用下海藻酸钠(SA)溶液的超滤水通量下降显著、膜污染降低,主要是由于SA和Ca2+形成的海藻酸钙(Ca-Alg)显著小于SA的过滤阻抗。类似地,Fe3+、Al3+等三价金属离子作用亦可减轻膜污染。
藻酸盐最突出的性质是其具有结合二价和多价阳离子的能力,可以形成高价值的水凝胶。生物工程领域,藻酸盐的高生物相容性已被广泛用于医学,例如愈合伤口的止血材料和药物输送。组织工程领域,藻酸钙通常用作3D生物打印的生物墨水。在藻酸盐中添加金属离子可以增强力学强度及相关性能,例如,在藻酸盐/聚丙烯酰胺水凝胶中同时引入Ba2+和Fe3+作为交联剂,可改善水凝胶的强度和刚度。增强型水凝胶藻酸盐可用作酶固定载体、微胶囊和食品添加剂,其与金属离子的交联可以提高藻酸盐的稳定性和机械性能,可将其用作新型膜材料和包装应用的涂层材料。藻酸铁凝胶可用作氧化降解偶氮染料的光催化剂。基于这些应用,利用金属离子与藻酸盐形成的复杂聚合物的特殊性能,从而为在超滤回收藻酸盐过程中通过添加高价金属离子缓解膜污染的技术策略提供了前提条件。
本研究系统地比较四种典型的金属离子(Ca2+、Mg2+、Al3+和Fe3+)作用下藻酸盐溶液的超滤膜分离特性,解析单一和组合金属离子缓解膜污染的机制;同时,从膜浓缩回收产物角度,讨论藻酸盐与多价金属离子形成材料(滤饼)的含水率、光学和电子扫描显微镜照片、粒度分布、官能团和表面化学组成等特征性能。本研究结果为从AGS中回收藻酸盐的分离与浓缩以及特定藻酸盐的研制提供了新思路,相关成果于2020年5月发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》,详细内容还可参考学术专著《污水中高分子物质的回收》(化学工业出版社,2021.10)。
主要成果
高价金属离子作用下的藻酸盐超滤
三价离子降低膜污染效果优于二价离子,减小过滤阻抗排序为Mg2+<Ca2+<Fe3+<Al3+(图1)
过滤阻抗与pH、溶液中残余SA浓度呈正相关,而盐浓度对过滤阻抗的影响可忽略(表1)
过滤阻抗减轻效果排序为Fe3+>Ca2++Fe3+>Ca2+>Mg2+,随着金属离子总电荷浓度(NCi,N为离子电荷数,Ci为金属离子浓度)的增加,NCi<5 mmol·L-1时,平均过滤阻抗相近;然而,NCi>5 mmol·L-1时,除Mg2+外,Ca2+或Fe3+作用下过滤阻抗均显著降低(图2)。
表1高价金属离子作用SA溶液后形成的悬浊液中溶解性的藻酸盐浓度、游离的金属离子浓度以及溶液的pH值。SA的初始浓度为1.0 g·L-1,金属离子的初始浓度为1.0 mmol·L-1。
溶解性的藻酸盐浓度和pH
随NCi增加,在Ca2+或Fe3+作用下残留的SA浓度显着降低,然而NCi>5 mmol·L-1时,Mg2+作用下残留的SA浓度保持不变;NCi>5 mmol·L-1时,一定NCi下残留的SA浓度排序为Fe3+<Ca2++Fe3+<Ca2+<Mg2+(图3)
由于Fe3+水解作用,SA溶液的pH值与Fe3+或Ca2++Fe3+的浓度呈负相关(图4),而Ca2+或Mg2+时pH值恒定。
高价金属离子作用下藻酸盐的超滤浓缩过程中,溶解性的藻酸盐浓度减小与pH降低是过滤阻抗降低的原因(图1和表1)
Fe3+减小膜污染的机理
Fe3+作用可以显著降低SA超滤中的过滤阻力,主要原因为pH值降低(7.00→3.89)、游离SA浓度降低(1.0→0.481 g·L-1)以及形成的氢氧化铁胶体(1 mmol·L-1Fe3+作用)(图5)。
回收物的材料特性
金属离子作用下形成的滤饼含水率显著降低,回收物(滤饼)的典型显微图如图6所示,观察形成的不同微观形貌的海藻酸盐,为海藻酸盐应用于新型纳米材料提供光学基础。
由于金属离子与SA作用形成更大的胶体,即金属离子作用增大藻酸盐中胶体和聚合物的粒度(图7),这是过滤阻抗降低的主要原因。
由于Fe3+和Ca2+均与SA中羧基反应,回收物中羧酸的特征峰均消失(图8(a~c));pH = 7时SA与Fe3+形成的悬浮液的FTIR光谱如图8(d)所示,因Fe3+以氢氧化铁的形式存在,羧酸的特征峰降低,故证实了pH = 7时氢氧化铁与SA发生相互作用。
SA及其与金属离子形成的各种材料中均可观察到C 1s、O 1s、Na 1s、Ca 2p和Fe 2p的特征峰,高价金属离子作用下Na+的含量减少(图9),这是由于SA中Na+被置换,形成了藻酸钙或藻酸铁,故阳离子交换是SA与高价金属离子的相互作用机理;由于铁离子比钙离子具有更多的SA结合位点,故铁离子作用下过滤阻抗降低显著。
对比纯SA形成的滤饼,高价金属离子作用下SA溶液超滤形成的滤饼是多孔的,并且在膜表面附近显示出剥离倾向;Fe3+作用下形成的滤饼明显比Ca2+时滤饼疏松,且滤饼的孔隙率排序为Fe-SA>Ca+Fe-SA>Ca-SA>SA(图10)。
结语
高价金属离子可作为藻酸盐膜污染的缓解策略,膜分离、浓缩、回收形成的藻酸盐滤饼有望扩展藻酸盐的应用范围,引入高价金属离子可能是开发新型藻酸盐材料的潜在方法。过滤阻抗随着金属离子浓度的增加而显著降低且滤饼的含水率明显下降,过滤阻抗减轻的排序为Mg2+<Ca2+<Fe3+<Al3+。金属离子作用时,过滤阻抗与pH值、游离SA的浓度呈正相关。Ca2+、Mg2+、Fe3+和Ca2++Fe3+作用下的SA溶液超滤,当金属离子的总电荷浓度小于5 mmol·L-1时,滤饼的平均过滤阻抗相近;但是,当总电荷浓度大于5 mmol·L-1时,Ca2+或Fe3+时膜污染缓解效果显著增加,而Mg2+时保持恒定,过滤阻抗减轻的排序为Fe3+>Ca2++Fe3+>Ca2+>Mg2+。Fe3+减轻膜污染主要源于SA浓度降低、pH值降低以及水解产物氢氧化铁胶体的形成。回收滤饼的光学显微图、扫描电子显微图、粒径分布、特征官能团以及表面化学成分等材料特性,主要取决于单一和组合的高价金属离子的类型。实际好氧颗粒污泥中藻酸盐的超滤浓缩及回收物的材料特性与应用有待进一步探究。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
在5月份,《水星漫谈》曾介绍过欧盟研究项目“WaterMining”的最新进展。这个项目的重点之一是提取污水中的一种生物聚合物——类藻酸盐物质(Alginate-likeexopolysaccharides,简称ALE)。最近几年,荷兰代尔夫特理工大学(TUDelft)的MarkvanLoosdrecht的课题组有很大一部分的研究都是围绕ALE展开的。荷
文章亮点利用正渗透浓缩并回收藻酸盐驱动溶质钙离子反向扩散是有益的正渗透膜上回收物特性解析设计并制作新型的FO膜是重点研究方向文章简介资源回收是未来污水处理技术的发展方向。藻酸盐是高附加值的生物聚合物,因其凝胶强度高、增稠性好、保水能力强、有生物相容性等特点,作为增稠剂、乳化剂、稳定
[文章亮点]三种表面活性剂均能提高活性污泥类藻酸盐物质(ALE)提取(12.4%→22.3%~28.2%VSS)表面活性剂亦可提高提取物质藻酸盐纯度(50%→54%~70%)TritonX-100促进效果最佳,CTAB和SDS次之表面活性剂通过胶束作用促进污泥絮体和胞外聚合物释放相似相溶和官能团吸附作用协助提高ALE物质溶解[图形摘要
污水资源化已成为污水处理可持续发展的一个重要方向,而剩余污泥在这一框架下显得也不再多余,特别是在转化、提取高附加值产物回收方面。剩余污泥主要由细胞体和胞外聚合物(EPS)两大部分组成。其中,EPS约占污泥干重的10%~40%,它们通常来自于微生物细胞自溶、细胞分泌物以及细胞表面脱落物等,主要成分为多糖、蛋白质、核酸、脂质、腐殖质和其它一些胞内物质;这些物质通过静电作用力、氢键结合、离子吸引力、生物化学作用等作用形成紧致高密的网状结构,可作为微生物的保护层,抵御外部重金属和有毒化合物等侵袭。EPS成分不同组合方式导致具有不同的复杂结构,均具有较高的回收、利
从理论上讲,硅的蓄电量是石墨的10倍,但是在实际运用中硅还不是很稳定。据外媒近日报道,研究人员发现一种用于锂离子电池的新型粘合剂,该物质不仅能够提高能源储存效率,同时还能减少有毒物质在电池组件中的使用。这种被称作藻酸盐的物质是从普通、容易繁殖的褐色海藻中提取。根据现在的测试,藻酸盐能有效提高储电量。这个新发现是由乔治亚技术学院和克莱姆森大学共同研发。乔治亚技术学院助理教授格雷伯表示,通过藻酸盐,我们可以研发出造价低、储能高的电池,同时电池运行时间也将延长。这种新电池有望为构筑更为节能高效的经济作出巨大贡献,因为这将应用在电动汽车、互联网和移动电话上,电
辽宁省发展和改革委员会公布生态环境保护具体事项清单(2023年版),民用和农业散煤替代、组织拟订废旧物资循环利用政策措施、燃煤机组节能改造、组织拟订污水资源化利用政策措施、统筹推动大宗固体废弃物综合利用等共19项。
北极星环保网获悉,南宁市发展和改革委员会发布《南宁市城乡建设领域碳达峰实施方案》,实施方案要求,健全黑臭水体治理长效机制,加快提升城镇生活污水处理能力,加快黑臭水体治理示范段建设,统筹推进县级城市黑臭水体治理,逐步提高各县(市)及镇级污水处理效能。实施污水收集处理设施改造和城镇污
3月21日,汉中市污水处理厂污泥无害化资源化处理工程EPC+O中标候选人公示,中建生态环境集团联合体当选第一中标候选人。详情如下:第一中标候选人:中建生态环境集团有限公司,湖北建科国际工程有限公司联合体中标金额:建筑安装工程费98.88%,设计报价108万元,运营报价200元/吨。第二中标候选人:陕
近日,经过连续20个小时的奋战,由中建一局承建的常州市江边五期及污水资源化利用工程——厂区污水处理工程最大单体构筑物生物反应池第一块筏板混凝土浇筑顺利完成。标志着生物反应池正式进入基础主体结构施工阶段,为2024年项目建设的有序推进按下了“加速键”。为了保证节后全面复工复产,全体人员提
3月5日,包头市九原工业园区污水资源化利用项目工程总承包(EPC)中标结果公布,中标供应商为中国市政工程华北设计研究总院有限公司、水发(北京)建设有限公司联合体,中标金额58275.6万元,工期275天。项目招标人为包头市水务(集团)有限公司,建设规模为工业污水处理能力为2万立方米/日,再生水深
近日,生态环境部办公厅、国家发展改革委办公厅、住房城乡建设部办公厅、水利部办公厅联合发函《关于公布第二批区域再生水循环利用试点城市名单的通知》。关于公布第二批区域再生水循环利用试点城市名单的通知各省、自治区、直辖市生态环境厅(局)、发展改革委、住房城乡建设厅(委、管委)、水利(水
2月19日,商都县污水处理厂污泥资源化利用项目EPC公布中标结果,中标供应商为北京科泰兴达高新技术有限公司、容海川城乡规划设计有限公司联合体,投标报价3753.5016万元。商都县污水处理厂污泥资源化利用项目EPC结果公告项目名称:商都县污水处理厂污泥资源化利用项目EPC招标人:商都县住房和城乡建设
四川省遂宁市住房和城乡建设局发布关于再次征求《遂宁市污水处理厂污泥处理处置管理办法(征求意见稿)》意见的公告,以加强遂宁市污水处理厂污泥处置工作规范化管理,预防污泥二次污染,促进污泥资源化利用。文件全文如下:遂宁市污水处理厂污泥处理处置管理办法(征求意见稿)第一章总则第一条为加强
1月27日,汉中市污水处理厂污泥无害化资源化处理工程EPC+O及监理招标资格预审公告发布,项目投资总额13224.48万元,其中本次招标工程估算6441.04万元。汉中市污水处理厂污泥无害化资源化处理工程EPC+O及监理招标资格预审公告1.招标条件本招标项目汉中市污水处理厂污泥无害化资源化处理工程EPC+O已由汉
1月18日,内蒙古商都县污水处理厂污泥资源化利用项目EPC招标,总投资4129.94万元,项目采购人为商都县住房和城乡建设局,新建污泥处理厂房1处,辅料粉碎车间1座,总建筑面积4663.15平方米,污泥处理规模为40t/d(80%含水率),工艺采用好氧发酵工艺,出泥含水率≤40%,泥质达到《城镇污水处理厂污泥处置
湖北省咸宁市人民政府办公室印发《咸宁市农村生活污水治理三年行动方案(2023—2025年)》,计划2023—2025年,以行政村为单元,以县(市、区)为实施主体,全市再完成不少于189个行政村农村生活污水治理任务。到2025年底,全市行政村农村生活污水治理率高于全省平均水平,污水资源化利用水平得到有效
01文章亮点区别于从污泥系统分离出腐殖酸(HA)和酶添加等手段缓解HA抑制,以培养“无”HA和金属离子剩余污泥、再投加HA和金属离子方式探究解抑制效果
土壤有机磷是土壤环境中重要的磷组分,其在环境中的界面反应影响着磷素的迁移、转化、生物有效性以及环境行为。深入并系统研究土壤有机磷与矿物的相互作用及其环境效应,有助于提高对环境中有机磷的分布、形态、生物有效性等方面的认识,有利于全面了解磷素的迁移、转化与生物地球化学循环。论文总结了
东南亚地区的经济在前所未有地增长,也促使橡胶种植园在急剧扩张。同样是绿色,同样的茂密森林,热带雨林垦殖为橡胶林后,产生了哪些变化?科学家们的一项最新研究发现,橡胶林改变了土壤金属离子的分布格局,加速了土壤酸化,改变了表层土壤中金属离子的分布。西双版纳热带植物园农林复合生态系统研究
合肥工业大学成功研发出一种快速无标记的核酸适配体体外筛选方法,通过这一方法筛选的核酸适配体,对金属离子表现出高度的亲和力和特异性,提供了性能优良的金属离子亲和物质,从而实现了对重金属超标的快速实时检测。该成果论文近日发表在国际纳米材料领域顶级学术期刊之一《美国化学学会.纳米》上。
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!