水稻秸秆主要组分的提取及其对芘的吸附作用

田芳 | -> | 1681| 2| 0.296501MB |秸秆,木质素,(半)纤维素,吸附,非线性,多环芳烃

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摘要:从水稻秸秆中提取主要组分———木质素、纤维素、半纤维素,利用元素分析和红外光谱对其性质进行了表征,并研究了芘在秸秆及其3 种组分上的吸附行为. 结果表明,各组分性质差异很大,木质素具有较高的芳香性和较低的极性,而纤维素和半纤维素具有较高的极性和脂肪性. 不同组分对芘的吸附等温线均符合Freundlich 方程,但吸附能力因其结构的差异而不同,木质素对芘的吸附能力最强,吸附容量KF为5. 04 × 104 ,比纤维素高100 倍左右,而芘在半纤维素上的吸附能力略低于纤维素. 低浓度( 水相平衡浓度ce = 0. 01 Sw) 下,秸秆对芘的吸附主要受木质素的控制,而且分配系数Kd略低于按照木质素质量分数计算的预测值,可能是由于木质素的烷基和芳香结构被周围的极性结构所覆盖. 但在高浓度( ce = 0. 5 Sw) 时,秸秆对芘的吸附高于各组分的加和,芘向秸秆其他组分的分配作用不能忽略. 芘在木质素上的吸附表现为非线性( 非线性指数,n =0. 89) ,而其它3 种吸附剂对芘的吸附更趋向于线性( n > 0. 96) . n 值与芳香性呈负相关关系,而与极性呈正相关关系,表明芳香性导致的特殊作用力是造成吸附非线性的主要原因. 有机碳标化分配系数Koc随吸附剂芳香性的增强而增大,但随极性的增强而减小.
    土壤/ 沉积物对多环芳烃( polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs ) 等憎水性有机污染物( hydrophobic organic chemicals,HOCs) 的吸附是影响其在环境中归趋和生态风险的主要过程,而有机质是土壤/ 沉积物吸附HOCs 的主要介质. 各种植物和动物残体中的生物高聚物( biopolymer) 是土壤/ 沉积物有机质的前体物质,它主要包括木质素、角质、纤维素、半纤维素、蛋白质、脂类等[1]. 近年来,这些生物高聚物对HOCs 的吸附行为引起了高度关注.研究表明,由于性质和结构的差异,不同生物高聚物对HOCs 具有不同的吸附能力. Mackay 等[2]研究了木屑对苯、甲苯和邻二甲苯的吸附,认为疏水性化合物被木屑的吸附主要受木质素控制,这可能是因为木质素的苯丙烷结构单元可以提供相对疏水性的区域吸引疏水性化合物. Huang 等[3]通过漂白、水解等方法处理木屑,发现吸附剂的比表面积、孔隙率、极性以及芳香度在PAHs 的吸附和解吸中发挥着重要作用.
    各种植物的秸秆是土壤有机质的重要来源和组成. 一般来说秸秆中含有纤维素( 36. 5% ~
38. 6% )、半纤维素( 38. 0% ~ 38. 8% ) 和木质素(12. 3% ~ 17. 6% ) . 各组分的结构和性质差异很大,木质素是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键连接而成的高分子化合物,它具有甲氧基、羟基和羰基等多种功能基. 纤维素和半纤维素共属于多聚糖,纤维素是D-葡萄糖以β-1,4 糖苷键组成的大分子多糖,而半纤维素是由2 种或2 种以上的糖基( 包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等) 所组成的高分子化合物,分子链短且存在侧链[4]. 目前对秸秆及其组分吸附PAHs 的机制研究仍较少,另外各组分对秸秆吸附的贡献鲜见报道,而秸秆更多地存在于农业环境中,因此这方面的研究有待加强.
     针对上述情况,本实验提取并获得了水稻秸秆的主要组分———木质素、纤维素、半纤维素,利用元素分析、红外等分析技术对其结构进行表征,并研究了四环芳烃———芘在秸秆、木质素、纤维素和半纤维素上的吸附行为,讨论了吸附剂微观结构性质对HOCs 吸附特性的影响规律.
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