CN115448435B - 一种利用菠萝蜜果皮制备助凝剂的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用菠萝蜜果皮制备助凝剂的方法及应用，该方法包括以下步骤：a将菠萝蜜果皮进行预处理，制得菠萝蜜果皮粉末；b将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液混合，在温度40‑90℃条件下加热搅拌浸提30‑90min，得到混合液；c对混合液进行过滤，得到菠萝蜜果皮提取液，再将菠萝蜜果皮提取液溶解于去离子水中，得到菠萝蜜果皮助凝剂溶液。该方法所制得菠萝蜜果皮助凝剂溶液可用于降低水体浊度。本发明从菠萝蜜果皮废弃物中提取果胶、纤维素木质素等多糖类物质，并将其作为新型的天然高分子助凝剂，与无机絮凝剂复合使用，具有分子量高，吸附架桥能力强，易于生物降解等优点，能有效降低水体浊度并去除水体污染物。
Description
技术领域
本发明属于污水处理及菠萝蜜果皮废弃生物质资源化利用技术领域，具体涉及一种利用菠萝蜜果皮制备助凝剂的方法及应用。
背景技术
我国工农业和社会经济正处于高速发展阶段，水环境问题日益严重，水资源短缺已成为经济发展的重要因素。为了实现生态环境保护和良好社会经济发展，亟需提高水的使用率及水处理效率，饮用水/污水处理技术的研究工作迫在眉睫。目前，絮凝沉淀法具有简便、高效、经济等优势，已成为国内外广泛采用的水处理技术。在絮凝沉淀技术中，絮凝剂的作用至关重要。传统絮凝剂常需要与助凝剂配合使用提高污染物的去除率。其中，聚丙烯酰胺是目前国内普遍使用的有机高分子助凝剂，但一方面聚丙烯酰胺主要从国外进口，价格昂贵且处理效果受水质影响，另一方面，可水解产生丙烯酸和有机胺等有毒单体，具有强烈的神经毒性和致癌性，造成二次污染。因此，开发环境安全、运行费用低廉且具有良好絮凝效能的新型助凝剂不仅是我国水处理领域的迫切需求，而且对人类健康和环境安全也具有重要意义。
我国是世界上的水果生产大国，近几年，水果产业技术越来越发达，水果种植规模和水果产量均出现大幅增加趋势。菠萝蜜属于桑科木菠萝属植物，果实硕大，但平均出肉率仅为50％左右，在新鲜菠萝蜜销售及加工过程中，加工利用率低，约58％果皮作为废弃物丢弃。大量废弃的菠萝蜜果皮废渣极易滋生细菌、果蝇等生物，传播疾病，造成环境污染和资源浪费。
目前，人们对菠萝蜜果皮的关注主要集中在果胶提取、吸附剂开发、抗氧化活性等方面。如专利号为CN201910815284.2的中国发明专利公开了一种从菠萝蜜种子中提取蛋白的方法；专利号为CN200910302822.4的中国发明专利公开了一种菠萝蜜多糖粗品及其制备方法，其涉及一种含有由葡萄糖单糖构成的单一多糖成分的菠萝蜜多糖粗品，及其制备方法和用途。申请公布号为CN113663643 A的中国发明专利公开了一种基于改性菠萝蜜壳的磁性吸附剂及其制备方法和应用，其使用菠萝蜜壳作为吸附剂的生产原料，实现废物资源化。然而，目前尚未见国内外报道菠萝蜜果皮替代聚丙烯酰胺，作为新型助凝剂与无机混凝剂配合使用用于水处理过程中的公开报道。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种利用菠萝蜜果皮制备助凝剂的方法及应用。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种利用菠萝蜜果皮制备助凝剂的方法，包括以下步骤：
a将菠萝蜜果皮进行预处理，制得菠萝蜜果皮粉末；
b将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液混合，在温度40-90℃条件下加热搅拌浸提30-90min，得到混合液；
c对步骤b得到的混合液进行过滤，得到菠萝蜜果皮提取液，再将菠萝蜜果皮提取液溶解于去离子水中，得到菠萝蜜果皮助凝剂溶液。
优选的，步骤a中预处理过程如下：将新鲜的菠萝蜜果皮清洗干净，切条，晾干表面水分，然后置于烘箱中于60-80℃条件下烘干，再进行粉碎，过筛得到菠萝蜜果皮粉末。
优选的，步骤b中：将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液以1:20-1:50的体积比混合，所述柠檬酸溶液的浓度为0.2-0.25mol/L。
优选的，步骤c中：采用多层纱布和300目网筛对混合液依次进行过滤。
优选的，所述菠萝蜜果皮提取液中的颗粒粒径尺寸范围在83-2383nm之间。
上述所制备助凝剂在降低水体浊度中的应用，具体步骤如下：向水体中加入絮凝剂后，搅拌，然后投加菠萝蜜果皮提取液或菠萝蜜果皮助凝剂溶液，再搅拌，然后静置；或将絮凝剂与菠萝蜜果皮提取液或菠萝蜜果皮助凝剂溶液混合后，一并加入水体中，搅拌，然后静置。
优选的，所述絮凝剂为聚合硫酸铁絮凝剂或聚合硫酸铝絮凝剂。
本发明的有益技术效果是：
本发明从菠萝蜜果皮废弃物中提取果胶、纤维素木质素等多糖类物质，并将其作为新型的天然高分子助凝剂，与无机絮凝剂复合使用，具有分子量高，吸附架桥能力强，易于生物降解等优点，能有效降低水体浊度并去除水体污染物。
本发明广泛适用于给水、生活污水等水体的混凝处理过程，可有效替代聚丙烯酰胺，并具有安全环保、制作成本低、絮凝效能好等优势；同时，本发明也为菠萝蜜果皮生物废弃质的资源化利用提供了一种新途径，达到以废治废的目的。
本发明所用原料为菠萝蜜果皮生物废弃质，易于获取，提取过程简单且反应条件温和，不需要高温高压的环境，同时，相比于传统絮凝剂而言，具有价格低廉，天然环保的优势。
本发明制得的菠萝蜜果皮助凝剂溶液是从天然植物中提取，具有较高的生物安全性和可降解性，更适用于饮用水的处理。
附图说明
图1示出菠萝蜜果皮助凝剂溶液的粒径分布；
图2为菠萝蜜果皮助凝剂溶液的紫外可见吸收谱图；
图3示出水样中单独添加聚合硫酸铁(PFS)和聚合硫酸铁-菠萝蜜果皮助凝剂溶液(PFS-JF)配合使用水样浊度去除率，其中聚合硫酸铁和菠萝蜜果皮助凝剂溶液依次加入水样中；
图4示出水样中添加聚合硫酸铁(PFS)和聚合硫酸铁-菠萝蜜果皮助凝剂溶液(PFS-JF)15min后水样沉降性能，其中聚合硫酸铁和菠萝蜜果皮助凝剂溶液依次加入水样中；左侧烧杯水样中采用PFS，右侧烧杯水样中采用PFS-JF；
图5示出水样中单独添加聚合硫酸铁(PFS)和聚合硫酸铁-菠萝蜜果皮助凝剂溶液(PFS+JF)复合使用水样浊度去除率，其中聚合硫酸铁和菠萝蜜果皮助凝剂溶液混合后一并加入水样中。
具体实施方式
菠萝蜜果皮含有果胶、纤维素、木质素等多糖类物质，分子量大且含有大量的羧酸基、羟基等基团，这些基团可在混凝过程中发挥电中和、架桥和网捕作用，提高絮凝效率。基于此，本发明提出一种利用菠萝蜜果皮制备天然高分子助凝剂的方法，该方法所制得助凝剂不仅可提高水体中污染物的去除效率，而且从“以废治废”途径实现菠萝蜜果皮废弃物的资源化再利用。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将菠萝蜜果皮反复清洗除去灰尘等杂质，切成大小均匀的条状，在阴凉处晾12h，晾干表面水分，而后均匀铺在烘箱内，在温度60℃条件下烘干16h。将干燥后的菠萝蜜果皮研磨粉碎，过40目筛，得到亮黄色菠萝蜜果皮粉末。将粉末置于密闭容器中，放在阴凉干燥处储存备用。
将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液混合，搅拌均匀，菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液以1:30的体积比混合，所述柠檬酸溶液的浓度为0.25mol/L。在温度60℃条件下加热搅拌浸提50min，得到混合液。对混合液进行过滤，先用8层纱布过滤掉较大杂质，再过300目过滤网，得到菠萝蜜果皮提取液。再将菠萝蜜果皮提取液溶解于去离子水中，配制不同浓度的菠萝蜜果皮助凝剂溶液
菠萝蜜果皮提取液的外观为蛋黄和透明液体，多糖含量23.51mg/mL，pH为5.5，密度为9.85g/cm3，粒径尺寸范围在83-2383nm之间，粒径分布如图1所示，菠萝蜜果皮提取液的粒径分布比较集中，主要分布在83-2383nm之间，其中在239-486nm之间时粒径强度最大，平均粒径为312.2nm，分子链长度较长。图2为本实施例所制得菠萝蜜果皮助凝剂溶液的紫外可见吸收谱图，在225nm左右，菠萝蜜果皮提取液有明显的吸收峰，说明提取液中存在有大量的多糖物质，在260nm左右处的不太明显的吸收峰说明提取液中含少量核酸和蛋白质。
实施例2
将菠萝蜜果皮反复清洗除去灰尘等杂质，切成大小均匀的条状，在阴凉处晾12h，晾干表面水分，而后均匀铺在烘箱内，在温度80℃条件下烘干16h。将干燥后的菠萝蜜果皮研磨粉碎，过40目筛，得到亮黄色菠萝蜜果皮粉末。将粉末置于密闭容器中，放在阴凉干燥处储存备用。
将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液混合，搅拌均匀，菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液以1:50的体积比混合，所述柠檬酸溶液的浓度为0.25mol/L。在温度90℃条件下加热搅拌浸提30min，得到混合液。对混合液进行过滤，先用8层纱布过滤掉较大杂质，再过300目过滤网，得到菠萝蜜果皮提取液。再将菠萝蜜果皮提取液溶解于去离子水中，得到菠萝蜜果皮助凝剂溶液。
实施例3
将菠萝蜜果皮反复清洗除去灰尘等杂质，切成大小均匀的条状，在阴凉处晾12h，晾干表面水分，而后均匀铺在烘箱内，在温度70℃条件下烘干16h。将干燥后的菠萝蜜果皮研磨粉碎，过40目筛，得到亮黄色菠萝蜜果皮粉末。将粉末置于密闭容器中，放在阴凉干燥处储存备用。
将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液混合，搅拌均匀，菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液以1:20的体积比混合，所述柠檬酸溶液的浓度为0.25mol/L。在温度40℃条件下加热搅拌浸提90min，得到混合液。对混合液进行过滤，先用8层纱布过滤掉较大杂质，再过300目过滤网，得到菠萝蜜果皮提取液。再将菠萝蜜果皮提取液溶解于去离子水中，得到菠萝蜜果皮助凝剂溶液。
实验例1
将实施例1中制备的菠萝蜜果皮助凝剂溶液与传统絮凝剂聚合硫酸铁配合使用。向一定量高岭土模拟水样投加定量的聚合硫酸铁絮凝剂，快速搅拌1min后加入25mg/L菠萝蜜果皮助凝剂溶液，先以200r/min的转速快速搅拌1min，随后以40r/min的转速慢速搅拌5min，再静置15min，测定上层清液浊度。
在混凝过程中，一次性投加适量的上述复合絮凝剂(其中，菠萝蜜果皮助凝剂溶液25mg/L与聚合硫酸铁(10-50mg/L)配合使用)用于水样的絮凝处理，同时与传统絮凝剂聚合硫酸铁(PFS)单独使用时的混凝效能作对比研究。单独使用PFS的混凝体系中，絮体仍未完全沉淀，悬浮在溶液中，上层溶液浑浊度较高。当复配使用菠萝蜜果皮助凝剂溶液(JF)时，无论PFS的投加量如何，添加JF后均可将浊度去除率提升到94％左右，形成较大絮体，经15min沉降后，絮体基本全沉淀到烧杯底部，上层溶液较为清澈，吸光度仅为0.019。水样吸光度与沉降性能实验对比结果见图3与图4。
实验例2
将实施例1中制备的菠萝蜜果皮助凝剂溶液与传统混凝剂聚合硫酸铁复合使用。向一定量高岭土模拟水样投加定量的聚合硫酸铁絮凝剂(25mg/L)和菠萝蜜果皮助凝剂溶液(10-50mg/L)，以200r/min的转速快速搅拌2min，再以40r/min的转速低速搅拌5min后，静置15min，测定上层清液浊度。
在混凝过程中，一次性投加适量的上述复合絮凝剂用于水样的絮凝处理，同时与传统絮凝剂聚合硫酸铁单独使用时的混凝效能作对比研究。单独使用PFS时，当PFS投加量达到54.69mg/mL时浊度去除率仅为77％，当复合使用菠萝蜜果皮助凝剂溶液时对水样浊度去除有明显的提升，即便PFS添加量较少时，复合絮凝剂对浊度去除率从40％提升到67％，实验结果见图5。
Claims (3)
1.一种利用菠萝蜜果皮制备助凝剂的方法，其特征在于包括以下步骤：
a将菠萝蜜果皮进行预处理，制得菠萝蜜果皮粉末；
b将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液混合，在温度40-90℃条件下加热搅拌浸提30-90min，得到混合液；
c对步骤b得到的混合液进行过滤，得到菠萝蜜果皮提取液，再将菠萝蜜果皮提取液溶解于去离子水中，得到菠萝蜜果皮助凝剂溶液；
步骤a中预处理过程如下：将新鲜的菠萝蜜果皮清洗干净，切条，晾干表面水分，然后置于烘箱中于60-80℃条件下烘干，再进行粉碎，过筛得到菠萝蜜果皮粉末；
步骤b中：将菠萝蜜果皮粉末与柠檬酸溶液以1:20-1:50的体积比混合，所述柠檬酸溶液的浓度为0.2-0.25mol/L；
步骤c中：采用多层纱布和300目网筛对混合液依次进行过滤；
所述菠萝蜜果皮提取液中的颗粒粒径尺寸范围在83-2383nm之间。
2.如权利要求1的方法中所制备的助凝剂在降低水体浊度中的应用，其特征在于：向水体中加入絮凝剂后，搅拌，然后投加菠萝蜜果皮助凝剂溶液，再搅拌，然后静置；或将絮凝剂与菠萝蜜果皮助凝剂溶液混合后，一并加入水体中，搅拌，然后静置。
3.根据权利要求2所述的助凝剂在降低水体浊度中的应用，其特征在于：所述絮凝剂为聚合硫酸铁絮凝剂或聚合硫酸铝絮凝剂。
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