纤维素酶解（精选5篇）
纤维素酶解 篇1
我国番茄资源丰富,是世界上最大的番茄及番茄制品生产国。新疆番茄年加工量约占全国总产量的90%,但是番茄茎叶尚未被种植户或番茄加工生产企业利用。废弃番茄渣的主要成分是难以被酶水解的木质纤维素,即纤维素、半纤维素与木质素的结合体。纤维素物质经适当加工处理,可以作为饲料资源在畜牧生产中应用。试验以提取了番茄碱和鞣质的番茄茎叶废渣为研究对象,采用稀硫酸预处理,结合生物酶酶解法,找出纤维素酶酶解番茄废渣的最佳工艺条件,为番茄渣饲料化利用提供理论依据,现报道如下。
1 材料
番茄茎叶,采自新疆石河子市143团场番茄种植园。纤维素酶(酶活≥30 000 IFPU/g),沂源康源生物科技有限公司提供。
浓硫酸、柠檬酸、柠檬酸钠、3,5-二硝基水杨酸(DNS)试剂、十二烷基硫酸钠、乙二胺四乙酸二钠、四硼酸钠、乙二醇乙醚、无水磷酸氢二钠、十六烷三甲基溴化铵、无水亚硫酸钠、十氢化萘、硫酸、盐酸、葡萄糖、氢氧化钠、丙酮等,市购。所有试剂均由石河子大学化学化工学院418实验室提供。
75513型紫外可见分光光度计,购自上海箐华科技仪器有限公司;p HS-3C型p H计,购自上海箐华科技仪器有限公司;GMSX-280型手提式压力蒸汽消毒器,购自北京市永光明医疗仪器厂。以上仪器均由石河子大学化学化工学院综合实验室提供。
2 方法
2.1 供试样品的分筛
将番茄茎、叶废渣摊开,自然晾干,粉碎,过40目筛,经60℃恒温干燥24 h,室温干燥器中保存,备用。
2.2 酸性洗涤纤维(ADF)样品的制备
称取1.00 g,做6个平行样。制得ADF样品(为方便下步试验使用,样品不必从坩埚中取出)。在105℃烘干,室温称恒重,重复3次,计算得率。
2.3 纤维素、半纤维素及木质素含量测定
样品的测试:对Van Soest测定法进行改进,分别以p H值为2.0的硫酸洗涤液代替中性洗涤液测定中性洗涤纤维,以2 mol/L盐酸洗涤液代替酸性洗涤液测定酸性洗涤纤维[2]。操作步骤及计算方法与Van Soest测定法相同。
2.4 纤维素酶酶活与还原糖含量的测定
2.4.1 纤维素酶的稀释
准确称取0.100 g纤维素酶粉,用p H值为4.8的醋酸缓冲液溶解并定容至100 m L,保存在4℃冰箱中,制得纤维素酶液。酶活范围为50~70 U/m L。
2.4.2 纤维素酶活的测定
1 m L液体酶(或1 g固体酶粉)在40℃、p H值4.6条件下,每分钟水解羧甲基纤维素钠(CMC-Na),产生1.0μg的葡萄糖,即为1个酶活单位,以U/g(U/m L)表示。
2.4.3 还原糖含量的测定
采用DNS比色法[3]测定还原糖含量,以葡萄糖标准曲线进行对照分析。
2.5 酶解得率测定
按照参考文献[4]的方法制备纤维素酶水解反应器。塞紧酸性洗涤纤维样品的坩埚底部,加入纤维素酶液和p H值为4.8的缓冲液,酶解,抽滤,水洗至中性,滤液保留为下步试验使用。残渣在105℃烘至恒重,放至室温,称重。重复3次。
差重法计算酶解得率:酶解得率(%)=(中性洗涤纤维重-酶解后重)/秸秆干物质重×100%。
3 结果与分析
3.1 纤维素酶酶解条件的选择
3.1.1 单因素试验结果
1)溶液p H值对纤维素酶酶解效果的影响。准确称取1.00 g酸性洗涤纤维样品残渣,加入纤维素酶0.15 g,在温度为50℃、p H值为4.2,4.6,4.8,5.0,5.3的缓冲溶液中水解10 h,抽滤,洗涤,烘至恒重。结果见图1。
在p H值为4.2~4.8范围内酶解率呈上升趋势,p H值大于4.8时酶解率明显下降。遂选取4.6,4.8,5.0为正交试验中p H值的考察数据。
2)酶用量对纤维素酶酶解效果的影响。取1.00 g酸性洗涤纤维样品残渣,在温度为50℃、p H值为4.8的缓冲溶液中加入纤维素酶0.07,0.10,0.15,0.20,0.25 g,水解10 h,抽滤,洗涤,烘至恒重。结果见图2。
随着纤维素酶用量的增加,酶解率迅速增大。酶用量大于0.15 g时纤维素酶用量对酶解效果没有明显影响。综合成本考虑,选取0.13,0.15,0.17 g为正交试验中纤维素酶用量的考察数据。
3)温度对纤维素酶酶解效果的影响。取1.00 g酸性洗涤纤维样品残渣,加入纤维素酶0.15 g,于p H值为4.8的缓冲溶液中,在温度40,45,50,55,60℃条件下水解10 h,抽滤,洗涤,烘至恒重,结果见图3。
温度由40℃升温至50℃时,酶解率逐渐增大,当温度为50℃时酶解效果最佳。遂选取48,50,52℃作为正交试验中温度的考察数据。
4)时间对纤维素酶酶解效果的影响。取1.00 g酸性洗涤纤维样品残渣,加入0.15 g纤维素酶,在温度50℃、p H值为4.8的缓冲溶液中分别水解6,8,10,12,14 h,抽滤,洗涤,烘至恒重,结果见图4。
水解6~10 h内,纤维素酶酶解率逐渐增大;超过10 h后酶解率增加不大,遂选取9,10,11 h作为正交试验中时间的考察数据。
3.1.2 正交试验分析因素水平的选取
根据单因素试验结果,正交试验设计为4因素3水平,见表1。
3.2 正交试验结果
在单因素试验基础上,以纤维素酶酶解率影响为考察指标,正交分析结果见表2,酶解前后番茄废渣中木质纤维素的含量见表3。
由表2可知,纤维素酶酶解番茄废渣的最佳工艺条件为A1B3C3D3,即p H值为4.6、纤维素酶用量为0.17 g、温度为52℃、时间为11 h,纤维素酶酶解率为39.17%。极差分析表明,纤维素酶酶解效果的影响程度大小依次为B(酶用量)>A(p H值)>C(温度)>D(时间)。
3.3 验证试验结果
称取1.00 g酸性洗涤纤维样品残渣,加入纤维素酶0.17 g、p H值为4.6的缓冲溶液,在温度52℃条件下水解11 h,抽滤,洗涤,烘至恒重,平行测定3次,纤维素酶酶解率分别为39.15%、39.23%、39.35。与正交组最大酶解率数值接近,证明正交试验数据真实可信。
%
4 结论
试验通过对番茄废渣纤维素酶酶解条件的研究,确定了最佳酶解工艺,结果表明,纤维素酶用量和p H值是影响番茄废渣水解的主要因素。由正交试验确定的最佳酶解工艺条件:p H值为4.6,纤维素酶用量为0.17 g,温度为52℃,时间为11 h,纤维素酶最佳酶解率为39.17%。在此条件下最大水解还原糖得率为17.13%,纤维素为34.86%,半纤维素为4.51%,木质素为0.10%。该工艺操作简单易行,为番茄资源再利用提供了理论依据,可望向生化饲料及生化配合饲料进一步发展。
参考文献
[1]WU J J,DU R P,GAO M,et al.Identification and characterization of lactic acid bacteria isolated from tomato pomace[J].Ann Microbiol,2014,64(4):1849-1855.
[2]李华.粗饲料中纤维素、半纤维素酶解测定方法的研究与评价[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2008.
[3]夏服宝,邱雁临,孙宪迅.纤维素酶活力测定条件研究[J].饲料工业,2005,26(16):23-26.
[4]孔新刚,李华,吴国莲.秸秆纤维素酶水解率测定方法的研究[J].新疆农业科学,2007,44(5):663-666.
纤维素酶解 篇2
竹材中纤维素、半纤维素及木质素之间特殊的化学键作用[2,3],阻碍了生物酶与竹材的充分接触,影响了酶液对竹材的作用效率,故采用超声波预处理竹材以提高纤维素酶作用效率。超声波作为一种清洁、高能的能量形式,在液体介质中传播时的空化效应及机械效应,冲击、剪切竹粉表面,使竹粉比表面积增大,可及度提高,纤维素酶的酶解效率提高[4,5,6]。经有机抽提的竹粉为实验用原竹粉,比较超声波处理前后竹粉经纤维素酶8000L酶解效果,同时使用扫描电镜和红外光谱来测定超声波预处理对竹粉表面及化学结构变化的影响。
1 实验部分
1.1 原料与仪器
实验用原竹粉[毛竹研磨成粉末过60目,乙醇和苯(2∶1,体积比)混合对竹粉进行有机抽提[7]],自制;中性纤维素酶8000L,上海诺维信(Novozymes)公司;3,5-二硝基水杨酸(DNS)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、牛血清白蛋白(BAS)、考马斯亮蓝G-250、磷酸,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
超声波清洗器(SK5210HP型),上海科导超声仪器有限公司;紫外/可见分光光度计(UV-9600型),北京瑞利分析仪器有限公司;离心机(Anke TGL-20B型,25mL),南通宏大实验仪器有限公司;单道可调移液器,百得实验仪器有限公司;扫描电镜(SEM,SU1510型),日本日立公司;红外测试仪(ATR-FTIR,NICOLETISl0型),赛默飞世尔科技有限公司;振荡水浴锅(Xiamen-rapid型),南京科尔仪器设备有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 纤维素酶性质
分别采用DNS法[8]和Bradford法[9]在最适条件下测定所用纤维素酶的酶活及蛋白质含量,从而计算纤维素酶的比酶活。通常对于同一种酶而言,比酶活越高,说明酶越纯。
1.2.2 超声波预处理竹粉的作用研究
超声波处理频率为固定值53kHz,其余主要参数功率、时间、浴比及温度采用单因素试验依次确定。通过查阅相关文献[10,11]及初步实验结果,超声波处理初始参数选定为:时间30min,浴比1∶20,温度60℃。在此条件下用不同的超声波功率(80、100、120、140、160、180和200W)处理竹粉,确定最优的超声波处理功率;然后用确定的最优功率替代初始功率,改变超声波处理时间(5、10、15、20、25、30、35、40、45和50min),从而确定最优的超声波处理时间;同上,在确定最优超声波处理功率和时间后,依次改变超声波处理浴比(1∶10、1∶20、1∶30、1∶40和1∶50)及处理温度(30、40、50和60℃),确定最优的超声波处理浴比及温度。将超声波处理后的竹粉洗净、晾干,取0.05g竹粉于50mL带塞锥形瓶中,加入最优酶活[12](15U)的纤维素酶,用pH=7的磷酸盐缓冲液定容至15mL,放入50℃的振荡水浴锅中反应。分别在合适的时间点取反应液,经离心机离心后取上清液,通过紫外分光光度计测得上清液中所含还原糖量,以此为评价指标,确定超声处理参数。
1.2.3 竹粉对纤维素酶吸附特性
设置对照组和实验组两组实验,每组实验均设置两个平行样。对照组为原竹粉,实验组为超声波处理竹粉。每组实验均称取0.05g相应的竹粉于50mL带塞锥形瓶中,分别加入15U的纤维素酶,并使用pH=7的磷酸盐缓冲液定容至15mL。分别在合适的时间点取样,经离心机离心后取上清液。通过紫外分光光度计测上清液在595nm处的吸光度值,以此评价竹粉对酶液的吸附能力。
1.3 测试与表征
采用SEM在500倍放大倍数条件下观察分析原竹粉和超声波处理竹粉形态变化;分别将原竹粉和超声波处理的竹粉与溴化钾粉末(1∶100,w/w)混合均匀研磨后压片,在波数为4000~400cm-1范围内扫描[13],通过ATR-FTIR确定超声波处理对竹粉结构的影响。
2 结果与讨论
2.1 纤维素酶特性研究
前期实验[14]确定纤维素酶8000L的最适反应条件为pH=7,温度50℃,在此条件下测定1mL所用酶的酶活为3.12U,对应的蛋白含量为1.52mg,此酶的比酶活为2.05U/mg。
2.2 超声波预处理竹粉单因素试验
2.2.1 超声波功率
超声波处理功率对酶解竹粉产糖量的影响如图1。由图可知,超声波功率为180W时酶解竹粉可产生较多的还原糖。这是因为较低功率的超声波不能破坏竹粉的作用,但是超声波功率过大又会破坏竹粉中的多糖物质。因此,180W为较优超声波处理功率。
2.2.2 超声波时间
超声波处理时间对酶解竹粉产糖量的影响如图2。由图可知,在超声波处理30min时还原糖产量达到最大值。因为超声波功率和超声波时间共同决定超声波强度,因此超声波时间的影响趋势与超声波功率相似。
2.2.3 超声波浴比
超声波处理浴比对酶解竹粉产糖量的影响如图3。由图可知,浴比为1∶10和1∶20时还原糖产量相近,由于浴比为1∶30时还原糖产量骤减,选择1∶10为最优浴比。这是因为超声波对竹粉的冲击、碎裂作用是在液体介质中完成的,随着浴比的增加,水量增加到一定程度时,超声波的传播距离增加,从而导致超声波对竹粉大分子的破坏能力减弱[14]。
2.2.4 超声波温度
超声波处理温度对酶解竹粉产糖量的影响如图4。受室温影响,超声波处理最低温度选为30℃。由图可知,随着超声波处理温度的升高,还原糖产量逐渐降低。
2.2.5 超声波处理对还原糖产量的影响
超声波预处理对中性纤维素酶酶解竹粉生成还原糖产量的影响如图5所示。超声波处理的竹粉在0~4h有较高的产糖速率,4~12h产糖速率稍缓;而原竹粉在0~2h有较高的产糖率,2~12h产糖速率稍缓,两者在12~24h时产糖速率均趋于平缓,反应的整体过程中超声波处理竹粉生成的还原糖量均高于原竹粉。经计算12和24h时,超声波处理的竹粉较原竹粉产糖量分别增加了18.05%和17.35%。这是由于在超声波空化作用下,液体气泡在崩溃时产生的强大冲击波、剪切力及微射流对竹粉表面形态和内部结构造成破坏,从而增加酶的附着位点而引起的。
2.3 超声波预处理对酶吸附性能的影响
采用反应液在595nm处的吸光度值(OD值)表征反应液中蛋白质含量,OD值越大表示反应液中蛋白质含量越多,竹粉吸附的酶量越少,结果如图6所示。由图可知,在0~150min反应时间内,超声波预处理的竹粉所在体系中反应液的OD值略小于原竹粉所在体系中反应液的OD值,即超声波预处理竹粉对酶的吸附能力优于原竹粉。图6表明,反应开始的0~5min内OD值急剧降低,说明反应液中蛋白质含量迅速下降,即在此时间段内竹粉对酶有较大的吸附能力。50~150min内OD值基本趋于平缓,说明在此时间段内竹粉对酶的吸附已基本达到稳定。
2.4 SEM分析
图7为放大倍数为500倍条件下超声波预处理前后竹粉的SEM图。由图可知,超声波处理破坏了原竹粉平整有序的结构,使更多的直接接触面积暴露出来,为酶的吸附提供了更多的附着位点,提高了纤维素酶的水解效率及竹粉对纤维素酶的吸附能力。
[(a)原竹粉;(b)超声波处理竹粉]
2.5 ATR-FTIR分析
图8为样品的ATR-FTIR谱图。由图可知,两种竹粉的谱图除波强发生变化外,波形及波数都没有明显变化,即没有新的官能团的生成或者消失,因此可判断超声波预处理前后竹粉的化学成分并未发生明显变化。
3 结语
(1)所用纤维素酶酶活为3.12U,蛋白质含量为1.52mg,比酶活为2.05U/mg。
(2)单因素试验分析确定超声波预处理竹粉工艺参数:频率53kHz,功率180W,时间30min,浴比1∶10,温度30℃。纤维素酶酶解经此条件预处理的竹粉的产糖量较原竹粉最大提高了18.05%。
(3)超声波预处理对纤维素酶吸附性能实验结果表明,经超声波处理的竹粉对酶液的吸附性能优于原竹粉。
(4)SEM表明超声波预处理破坏了竹粉的表面结构,增加了竹粉的可及性,因此纤维素酶酶解竹粉效率及对酶的吸附性能提高。
纤维素酶解 篇3
本研究通过乙二醇醇解废弃聚酯纤维得到中间产物对苯二甲酸乙二醇酯(BHET),与多异氰酸酯及助剂反应制得阻燃硬质聚氨酯泡沫,可作为绝热保温和结构承载材料用于工农业、建筑业及国防军事等诸多领域[4]。通过添加三氯丙基磷酸酯(TCPP)等阻燃剂,提高了聚氨酯泡沫的阻燃性能,并研究了阻燃剂用量对泡沫密度、压缩强度的影响,及添加助剂用量对阻燃性能的影响。
1 实验部分
1.1 主要试剂及仪器
试剂:废弃聚酯纤维(聚对苯二甲酸乙二醇酯,缩写PET),醋酸锌,乙二醇,多异氰酸酯,水,硅油,辛酸亚锡,三氯丙基磷酸酯(缩写TCPP)。
仪器:电子精密天平(BSA224S型),赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;恒速搅拌器(S212型),上海梅颖浦仪器制造有限公司;恒温油水浴锅(XMTE-7000型),上海申顺生物科技有限公司;循环水式多用真空泵(SHB-Ⅲ型),郑州长城科工贸有限公司;真空干燥箱(DZF-6090型),上海一恒科学仪器有限公司;傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet Nexus-470型),美国Thermo Nicolet公司;视频变焦显微镜(DI3型),日本U-nion公司;多孔性固体密度仪(TW-300Y型),厦门雄发仪器仪表有限公司;电子万能材料试验机(3385H型),美国Instron有限公司;氧指数测定仪(JF-3 型),南京市江宁区分析仪器厂。
1.2 废弃聚酯纤维醇解
将一定量的乙二醇放入带有温度计,搅拌器,冷凝管,充有氮气保护的四口烧瓶中,加入催化剂醋酸锌,加热至醋酸锌完全溶解。将已经清洗、干燥过的聚酯纤维放入四口烧瓶中,通氮保护,防止发生氧化反应,通入冷凝水,缓慢升温至乙二醇的沸点196℃。开始发生回流现象后计时,反应3h后停止加热。保持冷凝水和氮气的持续通入,待反应后的混合液冷却到140℃以下,取下备用。将冷却的混合液稀释到90℃的蒸馏水中,过滤,将滤液冷却结晶,重复上述操作3次后,将结晶物对苯二甲酸乙二醇酯BHET放入真空干燥箱内,控制温度在60℃ 下干燥24h,即可得到较高纯度的醇解产物BHET[5],反应式如下:
1.3 BHET制备聚氨酯泡沫
采用一步法发泡,将BHET、多异氰酸酯、发泡剂(水)、稳定剂(硅油)、催化剂(辛酸亚锡)以及阻燃剂(TCPP)等原料按一定配比混合在一起搅拌,倒入模具,在2-10s内完成整个发泡过程,得到具有较高相对分子质量且有一定交联密度的泡沫,再经24h放置熟化。发泡过程较为复杂,主要包括链增长、气体发生及交联等反应[6]:
(1)多异氰酸酯与BHET反应,主链增长:
(2)多异氰酸酯与水发生发泡反应,生成CO２和聚脲:
(3)多异氰酸酯的聚合反应:
依据GB 12008.3-1989《聚醚多元醇中羟值测定方法》和GB 12008.5-1989《聚醚多元醇中酸值测定方法》,分别测得BHET单体的羟值和酸值,计算可知与10.0g BHET反应所需异氰酸酯的质量为13.26g。其他助剂的用量分别为:发泡剂(水)0.3~0.6g,稳定剂(硅油)0.2~0.35g,催化剂(辛酸亚锡)0.25~0.65g,阻燃剂(TCPP)0~1.8g。按确定比例混合,充分搅拌均匀,发泡反应即开始,1.5~2.5min内发泡结束。放置24h熟化后制样,测定泡沫性能。
1.4 聚氨酯泡沫性能测试
(1)外观形态:按垂直于泡沫升起的方向切割样品,通过视频变焦显微镜观察其泡孔结构。
(2)红外光谱测试:采用Nicolet Nexus-470型傅里叶变换红外光谱仪,通过KBr压片法对聚氨酯泡沫的结构进行表征。
(3)密度的测定:依照GB/T 6343-2009《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》,利用TW-300Y型多孔性固体密度仪对经防水处理的聚氨酯泡沫的表观密度及孔隙率测试。样品制作后放置至少72h以上,且放置48h后测出密度与放置72h后测出值相差小于10%。每种配方的样品分别测量5次,取其平均值。
(4)压缩强度的测定:将样品烘干至恒重,用美国Instron3385H型电子万能材料试验机测试样品压缩强度,预载荷为0.500N,速度为12.0m/min,测定不同配料情况下,泡沫的最大承载压强和最大压缩位移。
(5)阻燃性能测定:利用JF-3型氧指数测定仪,参照GB/T 2406-93《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》对聚氨酯泡沫进行阻燃性能测试。样品尺寸为100mm×10mm×10mm,采用顶端点燃法,分别对同一配方样品进行5次测试,取其平均值,得到极限氧指数及续燃时间。
2 结果与讨论
2.1 聚氨酯泡沫外观形态
依上述方法制得的聚氨酯泡沫为闭孔泡沫,紧密相连的孔壁可以支撑泡沫结构(图1),具有较好的结构稳定性。同时,封闭的泡孔包含了大量的静止空气,降低导热系数,使其具有良好的保温性能。
[(a)×4，(b)×100]
2.2 BHET及聚氨酯泡沫红外光谱分析
采用KBr压片法对提纯后的BHET及聚氨酯泡沫的结构进行表征,红外光谱如图2所示。
由BHET红外光谱图中各波段的吸收峰可知,在3400~3230cm-1处显示了醇羟基结构;1610~1370cm-1之间出现了3个尖锐的吸收谱带,分别位于1500~1450cm-1处两个吸收带和1300cm-1处一个吸收带,显示了苯环结构;这些都说明了产物具有BHET的基本特征。在聚氨酯泡沫的红外光谱中,2275~2225cm-1处为异氰酸酯基的特征吸收峰,证明了多异氰酸酯与BHET的反应[7]。
2.3 阻燃剂用量对泡沫阻燃效果的影响
聚氨酯泡沫分子链中含可燃烧的碳氢分子链,不耐热,容易被点燃,产生毒性气体,危害人身财产安全。由于聚氨酯泡沫密度小,有孔状结构,比表面积大,因此燃烧时会加快燃烧速度和质量的散失,其极限氧指数(LOI)在16%~18%之间,属于易燃材料,需通过添加阻燃剂来提高其阻燃性能[4]。三氯丙基磷酸酯(TCPP)是硬质聚氨酯泡沫常用的阻燃剂,经试验证明TCPP也适用于由PET降解产物BHET和多异氰酸酯反应而成的泡沫。
由表1可见,由BHET和多异氰酸酯反应而成的泡沫在没有添加阻燃剂的情况下,极限氧指数为24.25%,高于一般未添加阻燃剂的聚氨酯泡沫的极限氧指数(16%~18%),其原因主要是BHET主链上的芳香基团提高了泡沫的阻燃性能。随着阻燃剂TCPP的增加,极限氧指数由24.25%逐渐上升至大于27%,达到难燃材料水平。当TCPP添加量超过1.5g后,LOI到达极限值,不再随TCPP量的增加有明显变化。没有添加阻燃剂的泡沫,续燃时间在60s以上,通过增加阻燃剂TCPP用量,续燃时间可减少至20s,并不伴随明显的阴燃。
2.4 添加剂对聚氨酯泡沫阻燃效果的影响
发泡过程中主要的添加剂包括发泡剂(水)和催化剂(辛酸亚锡)等。当水用量过少时,不能产生足够的气泡,泡沫迅速凝固胶化;而当水用量过多时,会产生大量气泡,气泡逃逸过快,导致泡沫塌泡。经试验表明,发泡剂(水)用量的适宜范围应在0.30-0.65g之间。表2 中显示当水含量在0.30~0.65g之间变化时,对于泡沫的极限氧指数影响并不显著,变化值小于1%,这可能和发泡过程中大量的水参加反应,并生成气体挥发,而并未以水或结晶水的形式存在泡沫中有关。
表3显示了催化剂(辛酸亚锡)用量增加对阻燃效果的影响,随着辛酸亚锡从0.25g增加到0.65g,极限氧指数从25.38%下降到了23.27%。辛酸亚锡用量的增加,平衡了发泡反应与凝胶反应,增大了泡孔率,增大了气体渗透性,因此也更易燃烧,降低了其极限氧指数。
2.5 阻燃剂对聚氨酯泡沫密度的影响
阻燃剂TCPP的添加对泡沫密度和泡沫孔隙率产生了一定的影响,随着TCPP用量的增加,泡沫密度逐渐减小,与TCPP用量成反比关系,空隙率增大(表4)。
2.6 阻燃剂对聚氨酯泡沫压缩强度的影响
阻燃剂(TCPP)为添加型阻燃剂,以物理分散的方式分散于聚氨酯基体的网络中。但因与其他反应物的混容性差,当用量增加时,会降低泡沫的力学性能。如表5中可见,随着TCPP的添加,泡沫最大承载压强下降,最大压缩位移变化不显著。因此在保证阻燃性能的基础上,为确保泡沫力学性能,需控制TCPP的用量,以1.5gTCPP/10gBHET为宜。
3 结论
利用废弃聚酯纤维的乙二醇醇解产物BHET与多异氰酸酯在发泡剂(水)、催化剂(辛酸亚锡)、稳定剂(硅油)和阻燃剂(TCPP)的共同作用下,制备了阻燃硬质聚氨酯泡沫材料。发泡剂(水)的用量在0.30~0.65g之间时,发泡速度可控,发泡效果较好,且对阻燃性能影响可忽略。催化剂(辛酸亚锡)的增加,会引起阻燃效果的下降。BHET中含有芳香基团,从而增强了泡沫的阻燃性能,极限氧指数可达24.25%。通过增加TCPP的用量,极限氧指数可达27%以上,符合难燃材料的标准。但随着TCPP用量增加,泡沫密度降低,泡孔率增大,泡沫压缩性能逐渐下降。因此,在保证阻燃效果的同时,TCPP应适量添加,以1.5g/10gBHET为宜。
摘要：以废弃聚酯纤维、乙二醇、多异氰酸酯等为原料,采取乙二醇醇解法降解废弃聚酯纤维,分离提纯得到高纯度的BHET单体,并采用一步发泡法制备了具有阻燃效果的聚氨酯泡沫材料。利用傅立叶变换红外光谱对各阶段产物进行定性分析。讨论了阻燃剂(TCPP)、发泡剂(水)及催化剂(辛酸亚锡)对阻燃性能的影响,以及TCPP对泡沫密度、压缩性能的影响。
纤维素酶解 篇4
要实现废弃聚酯产品的资源化利用, 需要解决两个问题:一是废弃聚酯的有效回收, 二是如何转化为新的资源化产物。聚酯结构致密, 结晶度高, 熔点高, 但分子链中含有的酯键为化学降解提供了可能。化学降解是将聚酯高分子通过水解、醇解、氨解等化学方式分解为低聚物或单体[2,3,4], 这些低聚物或单体可以作为原材料合成聚酯或其他聚合物[5,6,7]。以乙二醇为解聚剂降解聚酯得到的不饱和低聚物, 其两端为羟基, 可通过反应制备多种产物, 有着广泛的潜在用途:Kilinc等利用乙二醇降解聚酯瓶, 并用产物制备了PVC辅助增塑剂[8];Dutt等将醇解产物与2-乙基己醇 (2-ethyl-1-hexanol) 反应, 制备了用于丁腈橡胶的增塑剂[9];Shukla等将废弃的聚酯瓶通过醇解和有机合成制备了印染助剂[10];Atta等利用乙二醇降解聚酯的产物制备了聚氨酯发泡材料[11,12]。本实验通过乙二醇醇解法解聚废弃聚酯短纤, 产物对苯二甲酸乙二醇酯经过硝化、还原、重氮反应得到重氮盐后, 与1- (4-磺酸苯基) -3-甲基-5-吡唑啉酮偶合制备偶氮分散染料, 并对锦纶长丝染色, 分析了不同pH值条件下上染率和L*、a*、b*值。
1 实验
1.1 主要试剂与仪器
废弃聚酯短纤、醋酸锌、乙二醇、浓硫酸 (98%) 、浓硝酸 (68%) 、浓盐酸 (36.8%) 、氯化亚锡、1- (4-磺酸苯基) -3-甲基-5-吡唑啉酮、亚硝酸钠、醋酸、醋酸钠、碳酸钠、碳酰胺, 所有试剂均为AR级, 国药集团化学试剂有限公司生产。
电子天平 (AR1530/C) , 豪斯国际贸易有限公司;恒温油水浴锅 (XMTE-7000) , 上海申顺生物科技有限公司;恒速搅拌器 (S212) , 上海申顺生物科技有限公司;电热恒温鼓风干燥箱 (DGG-9140A型) , 上海森信实验仪器有限公司;循环水式多用真空泵 (SHB-Ⅲ型) , 郑州长城科工贸有限公司;傅里叶红外变换光谱仪 (NICOLET iS 10FTIR) , 赛默飞世尔科技 (中国) ;紫外可见分光光度计 (UV2400) , 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;电脑测配色仪 (COLOR-Eye-7000A) , 美国GretagMacbeth仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 乙二醇解聚废弃涤纶纤维
将200g乙二醇和0.2g醋酸锌加入带有温度计、搅拌器、冷凝管, 充有氮气保护的四口烧瓶中, 加热至醋酸锌完全溶解。将100g清洗、干燥后的废弃涤纶短纤加入烧瓶, 在氮气保护下加热至乙二醇沸点196℃反应3h, 反应过程为:
待反应结束后, 将混合液冷却至140℃, 并稀释到90℃的蒸馏水中真空过滤, 将滤液冷却结晶, 重复上述操作3次后, 得到结晶物对苯二甲酸乙二醇酯 (BHET) 单体。将BHET单体于60℃干燥24h, 待用[11,12,13]。
1.2.2 对苯二甲酸乙二醇酯的硝化与还原
将26.82g浓硫酸和10g干燥的BHET在5℃依次加入到接有温度计、冷凝管、搅拌器的三口烧瓶中, 再将2.98g浓硝酸缓慢加入烧瓶中[14], 搅拌并缓慢加热, 用1h加热至60℃, 再用1h加热至80℃, 并在80℃水浴下恒温反应10h。反应完成后, 将混合物冷却至室温, 用去离子水过滤3次后, 60℃干燥2h, 再用乙醇过滤2次, 60℃干燥2h, 得到邻硝基对苯二甲酸乙二醇酯。将30.19g氯化亚锡和80mL浓盐酸依次加入到装有冷凝管、温度计、搅拌器的三口烧瓶中, 待氯化亚锡完全溶解后, 加入10g邻硝基对苯二甲酸乙二醇酯, 加热至80℃反应3h[15]。反应后, 冷却至室温, 用去离子水过滤3次, 60℃干燥2h, 再用乙醇过滤2次, 60℃干燥2h, 得到邻氨基对苯二甲酸乙二醇酯, 反应过程为:
1.2.3 邻氨基对苯二甲酸乙二醇酯的重氮偶合
取5g邻氨基对苯二甲酸乙二醇酯加入到13.57g稀盐酸 (15%) 中, 将混合物冷却至大约10℃。将6.41g质量分数为20%的亚硝酸钠水溶液加入到上述混合物中, 在5℃反应3h。反应完成后, 用碳酰胺除去多余的亚硝酸[16], 得到重氮盐, 保存于5℃环境中, 待用。反应过程为:
在5℃环境中, 将5g 1- (4-磺酸苯基) -3-甲基-5-吡唑啉酮分散于50mL水中, 并用质量分数为15%的碳酸钠溶液调节pH值至8.0, 待固体完全溶解, 加入6.23g重氮盐, 再用质量分数为15%的碳酸钠溶液调节溶液pH值至7.0, 反应2h。加入体积分数为10%的浓盐酸盐析, 用去离子水过滤3次, 60℃干燥2h, 得到偶氮分散染料, 反应过程为:
1.2.4 染色性能评价
取制得的偶氮分散染料0.3g配制800 mL染液 (3%o.w.f.) , 并用醋酸-醋酸钠缓冲液分别调节pH值至3.5、4.0、4.5、5.0、5.5和6.0。水浴加热染液至45℃, 加入10g锦纶长丝, 匀速升温至95℃, 保持温度染色40min后, 取出锦纶长丝, 用去离子水洗3次, 将长丝于60℃干燥2h。采用紫外分光光度计测定合成染料的最大吸收波长, 得到吸光度-浓度标准曲线, 计算不同pH值条件下上染前后染液的浓度, 进而计算上染率, 并用电脑测配色仪分析不同pH值条件下上染的锦纶长丝的L*、a*、b*值。
2 结果与讨论
2.1 红外光谱分析
采用KBr压片法对提纯后的BHET及合成的偶氮染料的结构进行红外光谱表征。
由图1 (a) 中BHET红外光谱各波段的吸收峰可知, 在3400~3230cm-1处显示了醇羟基结构;1610~1370cm-1之间出现了3个尖锐的吸收谱带, 分别是位于1500~1450cm-1处的2个吸收带和1300cm-1处的1个吸收带, 显示了苯环结构。这些都说明了产物具有BHET的基本特征[17]。图1 (b) 中在1511cm-1处为氮氮双键的振动峰, 在1293cm-1处为碳氮键的振动吸收峰, 与偶氮染料结构相对应[16]。
2.2 染液pH值对上染率和L*、a*、b*值的影响
配制不同浓度的染液, 测定其在最大吸收波长处的吸光度, 拟合偶氮染料吸光度与浓度的标准曲线 (图2) , 得到浓度与吸光度的关系式为:
式中:C为染液中染料浓度 (mmol/L) , A为染液吸光度。
配制不同pH值的染液, 在pH=3.5~6.0的范围内, 染液的最大吸收波长为395~398nm, 且不随pH值变化而变化, 与染料及染液呈现的黄色相符[18]。
对不同pH值的染液, 分别测试染色前后染液在最大吸收波长处的吸光度A0与A1, 依据式 (1) 计算出染色前后的染液浓度C0和C1, 并由式 (2) 计算出上染率, 如表1所示。
式中:C0为染色前染液浓度, C1为染色后染液浓度。
由表1可知, 合成的偶氮分散染料适用于酸性染液对锦纶长丝进行染色, 随着染液pH值由3.5增加到6.0, 上染率由76.69%逐渐减小, 当pH值增加到5.5之后几乎没有上染效果。这是由于在中性溶液中, 锦纶纤维以两性离子 (NH3+-Ny-COO-) 形式存在, 而在酸性溶液中, 一部分羟基质子化, 使纤维带正电荷 (NH3+-Ny-COOH) , 染料分子与锦纶纤维以范德华力和氢键结合。同时, 锦纶纤维在pH较低的溶液中会发生水解, 生成大量氨基, 纤维可及度增加, 吸附和固着的染料量增加, 因此较低pH值的染液具有较高的上染率。
利用CIE1976表色系统对染色的锦纶长丝进行染色评定, 其中, L*值表示明度, a*值表示色饱和度的红绿指数, b*值表示色饱和度的黄蓝指数。不同pH值染液对应的L*、a*、b*值如表2所示。由表2可知, 染液呈现出较高的亮度, 且亮度随pH值的增加有所增大;a*、b*值也和染液呈现的黄色相符。
3 结论
纤维素酶解 篇5
光助催化氧化是处理难降解有机废水的重要方法。该法主要运用Fenton反应原理, 即催化剂在光 (紫外、可见光) 作用下使双氧水生成具有强氧化活性的·OH, 将废水中的有机物氧化分解并最终矿化为CO2和H2O, 从而消除有机物对环境的危害[1]。催化剂主要有均相和非均相两大类, 均相催化剂 (主要是指Fe3+/Fe2+和Zn2+等) 可在光作用下使双氧水生成·OH, 其特点是反应速度快、效率高。然而, 均相催化剂无法重复使用, 而且不可避免地产生二次污染。因此, 非均相催化剂的研究开发已引起人们的广泛关注。
胶原纤维分子中含有丰富的化学基团, 如—COOH和—NH2, 可以与金属离子配位结合[2]。胶原纤维广泛存在于家畜的皮中, 是一种可再生的环境友好型天然生物质[3]。本课题组的前期研究表明, 将Fe (III) 负载在胶原纤维上制备的非均相催化剂在紫外光的作用下对酸性橙II有较强的催化降解活性[4]。但由于太阳光中仅含有少量的长波紫外光, 其余是各占一半的可见光和红外光[5]。因此本文将研究胶原纤维负载Fe (III) (FICF) 催化剂在可见光作用下催化降解孔雀石绿的催化特性。
研究表明, 双氧水、Fe (II) 和Fe (III) 均不吸收可见光, 而染料分子对可见光有很强的吸收。因此, 可见光作用下染料分子被转化为激发态, 从而作为电子供体把电子传递给Fe (III) , 并将其还原为Fe (II) , 进而构成了生成·OH的循环体系, 使得可见光作用下的光助催化降解反应能够顺利进行[6]。该过程如图1所示。
本文选择孔雀石绿作为模型分子, 系统研究了FICF在可见光作用下的催化活性, 获得较适宜的催化反应条件。
1 实验部分
1.1 材料的制备及表征
1.1.1 胶原纤维的制备
胶原纤维的制备按照本课题组已建立的方法进行[7]。即牛皮经清洗、碱处理、剖皮、脱碱、脱矿物质、缓冲液浸泡、脱水、减压干燥、研磨过筛等处理过程制备而成。
1.1.2 胶原纤维负载Fe (III) (FICF) 催化剂的制备
将15 g胶原纤维加入到400 mL去离子水中并在40 ℃条件下搅拌24 h, 加入6 g NaCl并充分搅拌, 用0.1 mol/L的硫酸溶液将pH值调至2.0左右后加入所需量的Fe2 (SO4) 3并再搅拌反应4～6 h;用15%的碳酸氢钠溶液在2 h内将体系的pH值缓慢提升至3.0～4.0, 升温至40 ℃并再反应4 h;然后过滤并用去离子水充分洗涤, 于50 ℃干燥12 h, 经破碎过筛后即获得FICF。
1.1.3 FICF的表征
利用紫外可见光漫反射测试仪 (UV-1901, Pgeneral, P. R. China) 分析胶原纤维和催化反应前后FICF的紫外可见光漫反射光谱。仪器工作条件:扫描范围200～800 nm, 扫描带宽为2 nm。利用X射线衍射仪 (XRD, X' Pert Pro, Netherland) 分析FICF中Fe (III) 的存在状态。仪器工作条件:连续扫描;40 kV/40 mA;扫描步长0.03 °/min, 扫描范围10 °～50 °。
1.2 实验方法
1.2.1 可见光光助催化降解实验
在自制可见光催化反应器中, 用0.1 mol/L硫酸溶液将500 mL浓度为0.10 mmol/L的孔雀石绿溶液调至所需pH值后, 加入所需量H2O2 (已折算为纯H2O2, 下同) 和FICF, 设置恒温水浴温度为25 ℃, 开启磁力搅拌器使FICF均匀分散到反应液中, 打开光源 (可见光发生器:卤素灯, 100 W;滤光器:400～600 nm) 并启动反应。反应过程中定时取样进行分析。
1.2.2 分析方法
孔雀石绿溶液的脱色率:用紫外可见光分光光度仪 (Shimadzu UV-2501PC, Japan) 测定各反应时刻溶液中孔雀石绿的浓度Ct, 根据孔雀石绿溶液的初始浓度C0可计算其脱色率。
脱色率 = [ (C0 -Ct) / C0]×100%
孔雀石绿溶液的矿化率:用总有机碳分析仪 (LiquoTOC, Elementar, German) 测定各反应时刻溶液中的总有机碳浓度TOC, 根据孔雀石绿溶液的初始总有机碳浓度TOC0计算催化反应过程中的矿化率。
矿化率=[ (TOC0 -TOC) /TOC0]×100%
FICF的稳定性:用等离子发射光谱仪 (ICP-AES, Perkin-Elmer Optima 2100DV, USA) 测定各反应时刻溶液中的铁离子浓度, 从而分析FICF在使用过程中的稳定性。
本文中所有实验结果均为三次重复实验数据的算术平均值。
2 结果与讨论
2.1 FICF的表征
2.1.1 紫外可见光漫反射光谱分析
胶原纤维负载Fe (III) 前后的UV-Vis DRS谱图见图2, 可见FICF在400～600 nm波长范围内有明显吸收, 而胶原纤维在此波长范围并无明显吸收。因此, 将Fe (III) 负载到胶原纤维上制备的FICF在结构上已经明显有别于胶原纤维, 表明Fe (III) 已经负载到胶原纤维上并引起其反射光谱学特征发生变化。孔雀石绿的特征吸收峰没有出现在反应结束后FICF的吸收曲线中, 说明孔雀石绿的去除并不是依靠FICF对其简单的吸附作用。
2.1.2 XRD分析
图3为胶原纤维、反应前后FICF的XRD谱图。可见, FICF的XRD特征峰在强度上与胶原纤维相比明显减弱, 表明Fe (III) 与胶原纤维已经发生了交联[8];FICF的XRD谱图相对胶原纤维并没有出现新的衍射峰, 说明负载到胶原纤维上的Fe (III) 不具有形成新衍射峰的晶型结构。反应后的FICF的XRD谱图中也未发现新的衍射峰, 表明FICF中的Fe (III) 仍然保持参加光助催化反应前的非晶型形态。
2.2 初始pH值的影响
不同初始pH值条件下孔雀石绿溶液的脱色速度和矿化速度如图4所示。初始pH值对可见光作用下孔雀石绿的催化降解有显著的影响, 随着初始pH值的升高, 孔雀石绿的脱色和矿化速度明显减慢。当初始pH值升至5.0时, 反应130 min后溶液中仍残留有27%的孔雀石绿尚未被脱色, 且矿化率仅为0.2%。
初始pH值对孔雀石绿溶液在可见光作用下的脱色、矿化速度有着显著的影响, 原因在于随着初始pH值的升高, Fe (II) 与双氧水作用生成·OH的反应会受到抑制, 并且Fe (II) 在高pH环境中容易生成Fe (OH) 2沉淀, 进而影响到·OH的生成。因此, 随着溶液初始pH值的升高, 孔雀石绿溶液的脱色、矿化速度明显减慢[9], 特别是当初始pH值升高到5.0时, 反应过程中生成的·OH已不足以破坏孔雀石绿分子中的发色基团。
不同初始pH值条件下各反应时刻逸出的铁离子浓度如表1所示 (包括Fe3+和Fe2+, 下同) 。可见随着初始pH值的升高, 反应过程中逸出的铁离子浓度越低。此结果与传统的皮革金属盐鞣制理论是一致的[10], 当FICF处于低pH值环境中时, Fe (III) 与胶原纤维的结合能力减弱, 从而导致铁离子在反应过程中不断从FICF上逸出到溶液中。当初始pH值高于3.0时, 溶液中的铁离子浓度大大降低, 表明FICF具有较好的稳定性。
结合不同初始pH值条件下孔雀石绿溶液的脱色和矿化速度, 以及逸出到溶液里的铁离子浓度的高低, 综合分析后认为3.0是FICF在可见光作用下催化降解孔雀石绿的较佳初始pH值。
(a) 对脱色速度的影响, (b) 对矿化速度的影响 (孔雀石绿溶液初始浓度, 0.10mmol/L;H2O2, 10mmol;FICF, 0.50g;25±2℃)
2.3 双氧水用量的影响
不同双氧水用量条件下孔雀石绿的脱色速度如图5 (a) 所示。当无双氧水加入时, 孔雀石绿溶液在反应130 min后几乎未脱色;当双氧水加入量为2.5～10.0 mmol时, 不同双氧水用量条件下孔雀石绿溶液均能在反应进行到50 min时完全脱色。
不同双氧水用量条件下孔雀石绿的矿化速度如图5 (b) 所示。当不加入双氧水时, 反应过程中孔雀石绿未发生矿化。在用量为2.5～5.0 mmol范围内, 提高双氧水的加入量, 反应130 min后孔雀石绿溶液的矿化率由51.9%增加至58.9%, 原因是在此范围内增加双氧水用量能促进·OH的生成, 因此加速了溶液中孔雀石绿的脱色和矿化。当双氧水加入量在5.0～7.5 mmol范围内时, 孔雀石绿溶液在反应130 min后的矿化率基本稳定在59.0%左右。当继续提高双氧水加入量至10.0 mmol, 溶液在反应130 min后的矿化率反而从59.0%下降至54.8%;原因在于过量的双氧水可与生成的·OH发生反应, 生成氧化活性较低的·OOH, 从而降低了对孔雀石绿的氧化能力[11,12], 因此反应130 min后的矿化率随着双氧水用量的增加反而下降。
不同双氧水用量条件下反应过程中逸出的铁离子浓度如表2所示, 当不加入双氧水时逸出到溶液中的铁离子质量浓度在反应130 min上升到9.3 mg/L。原因在于溶液中的孔雀石绿分子在可见光作用下变为激发态, 从而将自身所带的电子传递给Fe (III) 并将其还原为Fe (II) , 由于溶液中缺少双氧水, 不能将生成的Fe (II) 进一步氧化为Fe (III) , 由于Fe (II) 与胶原纤维的结合能力弱于Fe (III) [2], 所以不断从FICF上逸出到溶液中, 导致溶液中的铁离子浓度升高。在适量双氧水作用下, 负载到FICF上的Fe (III) 在催化过程中的状态变化为Fe (III) -Fe (II) -Fe (III) , 即Fe (II) 可被氧化为Fe (III) 而重新与胶原纤维结合, 因此铁离子的逸出量较少。
不同双氧水用量下孔雀石绿溶液的脱色、矿化速度和逸出的铁离子浓度表明, 5.0 mmol是较适双氧水用量。
2.4 FICF用量的影响
不同FICF用量下孔雀石绿的脱色速度如图6 (a) 所示。当无FICF加入时, 孔雀石绿溶液几乎未脱色;而加入FICF后, 孔雀石绿溶液在反应进行到50 min时完全脱色。
FICF用量对可见光作用下其对孔雀石绿的矿化速度的影响如图6 (b) 所示。当不加入FICF时, 由于反应缺乏催化剂, 所以溶液没有发生矿化。当在0～0.50 g范围内提高 FICF的用量时, 孔雀石绿溶液在反应130 min后的矿化率从56.0%上升为59.0%;这是由于FICF的表面积随着催化剂用量的提高而增大, 即FICF在溶液中与激发态孔雀石绿分子、双氧水的接触面积增大, 因此加快了Fe (III) 向Fe (II) 转换的速度, 进而促进·OH的生成, 所以反应130 min后孔雀石绿的矿化率有所升高。当FICF加入量超过0.50 g后, 反应130 min后孔雀石绿的矿化率随FICF加入量的增加呈现下降的趋势;原因可能是溶液中存在过多的催化剂会阻碍可见光在溶液中的穿透, 由此降低了可见光的光效率[13], 影响到激发态孔雀石绿的生成, 进而影响·OH的生成并导致矿化率有所下降。
不同FICF用量条件下孔雀石绿溶液的脱色和矿化速度表明, 0.50 g是较适FICF用量。此条件下反应50 min时孔雀石绿溶液完全脱色, 反应130 min后的矿化率为59.0%, 此时从FICF上逸出的铁离子质量浓度仅为1.3 mg/L。
2.5 FICF的催化稳定性
进一步研究了FICF在可见光作用下降解孔雀石绿的催化稳定性。实验结果表明:三次重复使用过程中, FICF均能在反应进行到50 min时使孔雀石绿溶液完全脱色, 如图7 (a) 所示。在第三次重复使用过程中, FICF在可见光作用下反应130 min后, 仍能将溶液中53.2%的孔雀石绿矿化, 如图7 (b) 所示。三次反应后逸出的铁离子浓度无明显变化, 如表3所示。
三次重复使用过程中孔雀石绿溶液的脱色、矿化速度, 以及FICF上铁离子的逸出情况表明, FICF在可见光作用下催化降解孔雀石绿的过程中具有稳定的催化性能, 可以重复使用。
3 结论
(1) FICF可用于可见光作用下催化降解孔雀石绿, 染料分子的敏化作用使负载的Fe (III) 转化为Fe (II) , 从而在双氧水的作用下产生具有强氧化活性的·OH。
(2) 反应过程中生成的Fe (II) 在双氧水的作用下可被氧化为Fe (III) , 而重新与胶原纤维结合, 催化过程中Fe (III) 的状态变化为Fe (III) —Fe (II) —Fe (III) 。因此, 降解反应结束后逸出到溶液中的铁离子较少。