纳米Fe3O4/植物多酚的可控组装及其对微藻捕集分离特性的研究

Due to the low concentration and small size of cells, the harvesting efficiency of microalgae is not high, and cost of oil is much higher in microalgae energy industry. Based on the special structure of plant polyphenol with lots of -OH, this project proposes to modify the plant polyphenols step by step and use them as the template agent to assembly them with the Fe3O4 to obtain nano Fe3O4/plant polyphenols (MPP), which is used to harvest the algal cells. The project will study the controllable assembly conditions of Fe3O4/MPP. The harvesting efficiency and recycling potential of magnetic materials will be assessed. The HRTEM, XRD, FTIR, XPS, TG/DTA, the colloidal EDLVO model, etc., will be used to study the phase, composition, morphology, magnetic and colloidal characters. Then it will investigate the effect mechanism of MPP and Fe3O4 interface to reveal the recognition of MPP to Fe3O4 interface. Based on the research of harvesting efficiency, the projects will study the morphology of magnetic flocs to obtain the fractal dimension and the strength coefficient. It will demonstrate the structure characteristics of the magnetic-algae flocs. By the use of Population Balance Model, the relationship between the microcosmic behavior of magnetic flocs (flocculation and broken) and macroscopic properties of magnetic flocs (size, fractal dimension, surface charge) will be studied to describe the dynamic processes of magnetic flocculation. The purpose of this project is to provide a new way for microalgae collection, and to provide the scientific and theoretical basis in developing a new magnetic flocculation materials with high efficiency, low cost and friendly to environment.

在微藻能源化中，藻细胞浓度低、体积小，使收集效率低而成本高。鉴于植物多酚具有多酚羟基的结构特征，本项目提出在对植物多酚进行分步改性设计的基础上，以植物多酚作为Fe3O4制备的模板剂，通过可控自组装合成纳米Fe3O4/植物多酚，用于细胞收集。拟研究可控组装与解组装的工艺条件，并评价磁介质收集效率与回收再利用潜力，采用FESEM、HRTEM、XRD、FTIR、XPS、TG/DTA等表征方法，和EDLVO胶体模型，研究磁介质物相、组成、形貌、电磁性和胶体性，解析植物多酚与Fe3O4的识别与组装机制，揭示结构与捕集效能之间的关系。对磁藻絮体进行形态研究，通过分形维数和强度系数，揭示絮体结构特性，并采用群体平衡模型，研究磁藻絮体微观行为(絮聚、破碎等)与宏观属性(分维、表面电荷)之间的关联，阐述磁藻絮体分离的动力学演变过程。为微藻收集提供新途径，为开发高效、低成本且环境友好的新型材料提供理论依据。

能源微藻收集是导致其能源生产成本较高的因素之一。本项目利用植物多酚(PP)具有的多羟基结构，采用可控自组装合成Fe3O4/植物多酚磁性材料，用于微藻收集与分离。对磁性材料的可控制备、收集效能、表征、回收再利用以及捕集机制进行了研究。将植物多酚进行胺甲基化(APP)和季胺盐化(QPP)改性，通过静电组装得到Fe3O4/APP和Fe3O4/QPP；采用高温热解和水热合成原位组装方法，制得Fe3O4/PP和Fe3O4/tannin；采用水热合成层层组装制得Fe3O4/SiO2和Fe3O4/SiO2-AM-DMC-PP（AM：丙烯酰胺；DMC：甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵）。六种材料均呈核壳结构，粒径在2-50μm间。在收集小球藻或微藻模式物时，Fe3O4/tannin和Fe3O4/SiO2投加量低，在1.0-2.5g/L间，收集率达到95%以上。磁材料投加量、溶液pH值、藻细胞密度以及胞外分泌物影响收集效果。酸性条件有利于Fe3O4/APP的收集，而pH对Fe3O4/QPP、Fe3O4/PP、Fe3O4/tannin、Fe3O4/SiO2没有影响。由于微藻溶液呈碱性（pH 8.5-10.0），这4种材料更有利于微藻采收，且这4种材料的收集不受胞外分泌物的影响。采用超声的方法，可以将磁材料从磁藻聚集体中分离出来，实现回收效率90%以上。回收后的Fe3O4/PP、Fe3O4/tannin和Fe3O4/SiO2可直接回用10次以上，仍能实现85%以上收集效率。运用DLVO、EDLVO、XDLVO和MDLVO模型研究磁颗粒与微藻细胞之间的作用能，结果显示Fe3O4/APP和Fe3O4/QPP是通过压缩双电层、电中和以及网捕作用实现对藻细胞的收集，而对Fe3O4/PP、Fe3O4/tannin和Fe3O4/SiO2，主要是通过磁力能够克服颗粒间的斥力能量而实现藻细胞收集。磁性颗粒与藻细胞在磁场作用下聚集为链状，然后再形成团状聚集体，从水中分离。在聚集-破碎-再聚集研究中，即使磁聚集体破碎了，也能够有效再聚集，不受分离过程中破碎的影响。本项目的科学意义在于，利用植物多酚的酚羟基结构，可以制备具有不同性能的新型磁性材料，实现微藻高效收集与分离，其作用机制来源于磁力对颗粒间作用能的影响，为水中微藻或其他胶体颗粒的收集与去除提供了新方法，为磁材料的应用提供了理论基础与技术支撑。