Este artículo describe los métodos experimentales comúnmente utilizados para evaluar la biodegradabilidad de los polímeros de ácido poliacrílico. Se recomienda utilizar las imágenes de biodegradación de dióxido de carbono (PCD), consumo de oxígeno (DQO) y espectroscopia infrarroja para analizar exhaustivamente la biodegradabilidad de los polímeros de ácido poliacrílico.
El volumen del biorreactor es de 2L, la concentración de la sustancia probada es 1/1000, la concentración del lodo inoculado es de 500 mg/L, la temperatura de reacción es la temperatura ambiente (aproximadamente 25 °C) y el tiempo de reacción es de 14 días. . Los resultados experimentales muestran que el polímero de ácido poliacrílico estudiado puede biodegradarse completamente después de 14 días.
Palabras clave: polímero de ácido poliacrílico, biodegradación, producción de dióxido de carbono.
1. Introducción
Hasta ahora, la investigación nacional e internacional sobre la biodegradabilidad de sustancias orgánicas se ha centrado en colorantes, aguas residuales de coquización, pesticidas, compuestos heterocíclicos e hidrocarburos aromáticos policíclicos. Existen pocos estudios sobre la biodegradabilidad de los polímeros de ácido poliacrílico.
En la actualidad, el índice de evaluación para el estudio de biodegradabilidad de la materia orgánica se puede medir en función de factores como la reducción de materia orgánica, el consumo de oxígeno o la cantidad de dióxido de carbono generado y el contenido de ácido fosfórico de alta energía.
Además, también se puede evaluar observando los cambios fisiológicos y bioquímicos del inóculo. Los más utilizados son DBO5, DQO, carbono orgánico disuelto (DOC), producción de dióxido de carbono (PCD), contenido de ATP, etc.
Entre ellos, la nitrificación tiene un efecto sobre la DBO y la adsorción de microorganismos tiene un efecto sobre los resultados experimentales de DOC. La cantidad de dióxido de carbono (PCD), como nuevo método para evaluar la biodegradación de la materia orgánica, tiene los factores de menor influencia y puede reflejar el grado de inorganización completa de los contaminantes orgánicos.
Por tanto, este trabajo analiza de forma exhaustiva la biodegradación de los polímeros de ácido poliacrílico mediante tres indicadores: consumo de oxígeno (DQO), valor de PCD y espectroscopia infrarroja.
El objeto de investigación de este experimento es un polímero de ácido poliacrílico, que es una suspensión de color blanco lechoso. Los componentes principales incluyen monómero (monómero de dos componentes que incluye monómero duro y monómero blando), iniciador, emulsionante, medio portador agua. Los monómeros son principalmente acrilatos e incluyen principalmente compuestos éster como metacrilato de metilo, metacrilato de etilo, metacrilato de isobutilo, acrilato de hidroxipropilo, acrilato de metilo y acrilato de butilo.
Además, la emulsión también contiene una pequeña cantidad de un emulsionante (dodecilsulfato de sodio), un iniciador (azobisisobutironitrilo) y similares.
2. Experimento
2 .1 método de prueba de producción de CO2
2.1.1 Dispositivo experimental
El dispositivo de prueba se muestra en la Figura 1. Para eliminar el CO2 del aire de admisión. Se utiliza un dispositivo de absorción de tres etapas.
La primera etapa y la segunda etapa se absorbieron cada una con 150 ml de solución de NaOH 1.00 mol/L. La tercera etapa fue absorbida por 0,10 mol/L de solución de Ba (OH). Esto no solo probará la absorción de las dos primeras etapas, sino que también absorberá completamente el CO2.
Luego se lava en una botella de agua para evitar que la lejía ingrese al biorreactor. Para asegurar una buena absorción, reemplace el dispositivo de absorción con regularidad.
El CO2 producido durante el proceso de biodegradación utiliza un dispositivo de absorción de tres etapas, y la tercera etapa es absorbida por una solución de 0.05 mol/L de Ba (OH)2 en un volumen de 100.0 mL. Reemplace el dispositivo cada dos días y valore con una solución de HCI 0.1000mol/L.
1. Medidor de flujo de gas, 2. Botella de absorción frontal de primera etapa de CO2, 3. Botella de absorción frontal de segunda etapa de CO2, 4. Botella de pre-absorción de CO2 de tres etapas, 5. Botella de lavado, 6. Botella de reacción biológica, 7. Baño de agua a temperatura constante, 8 tubos de muestreo y muestra, botella de absorción primaria 9.CO2, botella de absorción secundaria 10.CO2, botella de absorción terciaria 11.CO2.
2.1.2 Medios biológicos
En el biorreactor, agregue la solución de CaCl2 (27.50 g/ L), la solución de sulfato de magnesio heptahidratado (22.50 g/ L), la solución de aluminuro de aluminio hexahidratado (0.25 g/ L) cada 5.0 ml 10.0 ml PH = 7 Solución tampón de sal de ácido fosfórico A (8.50 g de hidrogenofosfato dipotásico y 44.70 g de hidrogenofosfato disódico dodecahidratado por litro de solución) y una cantidad adecuada de oligoelementos.
2.1.3 Cultivo biológico
El lodo activado de la planta de tratamiento de aguas residuales se utilizó como inóculo. Se realizó aireación continua con bomba de aire de 135.0 L / hy domesticada durante 10 a 15 días.
Primero, se aireó la mezcla de lodos durante 24 h. Se añadieron dos gotas de 0.001 mol/L de la solución de polímero poliacrílico y 10 ml de la solución de cultivo todos los días durante los 2 días siguientes.
En el cuarto día, agregue 5 gotas de solución de polímero de ácido poliacrílico 0.001 mol/L.
En los días 5 y 6, se añadió 1,0 ml de una solución de polímero de ácido poliacrílico 0,001 mol/L para aclimatar el cultivo. Al mismo tiempo, se añadió una pequeña cantidad del sobrenadante de lodo originalmente activado y 10.0 ml de la solución de cultivo. Cuando la mezcla de lodo está uniformemente dispersa en flóculos de lodo marrón, indica que los microorganismos han sido inicialmente domesticados y maduros.
Posteriormente, se puede añadir 1.00 ml de una solución de polímero poliacrílico 0.001 mol/L para cultivo hasta que se utilice para el experimento.
2.1.4 Condiciones experimentales
En este experimento, la botella del biorreactor se divide en una botella de reacción endógena (solo concentración de 1.0L de 500.0 mg/L de mezcla de lodo activado y medio biológico) y una botella de reacción bioquímica (agregue 1.0L de ácido poliacrílico 0.0010mol / L) Solución de polímero, 1.0 L concentración es de 500,0 mg L de mezcla de lodos activados y medio biológico).
La temperatura de reacción fue de aproximadamente 25 ° C (temperatura ambiente), el caudal de gas fue de 25.0 l / hy el tiempo de reacción fue de 14 días. La cantidad de dióxido de carbono producido y el valor de DQO se midieron cada dos días.
2 .2 Determinación de DQO: método estándar de dicromato de potasio
2 .3 Método experimental de espectroscopia infrarroja
Tomar el sobrenadante del matraz de reacción endógeno y el biorreactor durante 14 días después de la biodegradación. Colocar en un vidrio de reloj y secar en un horno a 30 °C-40 °C (alrededor de 72 horas).
Las muestras secas se colocaron mediante el método de formación de tabletas, y se realizaron experimentos de espectroscopía e infrarrojos en el blanco y los polímeros poliacrílicos, utilizando un espectrómetro de infrarrojos de Fourier WQF-310.
3. Resultados y discusión
3 .1 Curva de liberación de dióxido de carbono y análisis de discusión
La solución de polímero poliacrílico es una mezcla de un polímero y un monómero. Durante los primeros 2 días, los microbios experimentaron rápidamente un período de estancamiento.
Al comienzo del período de estancamiento, una parte de los microorganismos adecuados para degradar los monómeros se adapta rápidamente al medio ambiente y entra rápidamente al final del período de estancamiento. El material celular aumenta, el volumen celular aumenta, su eje largo crece a un ritmo particularmente rápido, el metabolismo celular es fuerte, la frecuencia respiratoria, el ácido nucleico y la tasa de síntesis de proteínas están cerca de las células en fase logarítmica y la división celular comienza, con el monómero en la solución. Los microbios de los nutrientes aumentan rápidamente en progresión geométrica.
Figura 2 Curva de liberación de dióxido de carbono de polímero de ácido poliacrílico
Al mismo tiempo, dado que el polímero es más difícil de degradar que el monómero, las enzimas que degradan el polímero no son necesarias por el momento y no están sujetas a síntesis por inducción, existen a un nivel de concentración muy bajo o existen solo como información en el ADN. Otros microbios que no se adaptan al medio ambiente mueren.
En general, la cantidad total de microorganismos que degradan principalmente los microorganismos monoméricos aumentó en los primeros 2 días, y la actividad metabólica fue fuerte, la frecuencia respiratoria y la velocidad de síntesis fueron rápidas, y la cantidad de CO2 fue la más alta en los primeros 2 días de la reacción.
Después de 2-4 días, después de dos días de degradación, la cantidad de monómero en la solución se reduce considerablemente. Una gran cantidad de microorganismos monoméricos, parte de los cuales comienza a ajustar su sistema enzimático para adaptarse a la falta de monómero y alta concentración de polímero. nuevo ambiente.
Porque el microorganismo no sintetiza todas las enzimas que puede sintetizar bajo ninguna circunstancia. En realidad, solo sintetizan enzimas que son necesarias en determinadas condiciones ambientales, que es también el principio «económico» que siguen los microbios.
En este caso, la síntesis de la polimerasa anterior en realidad es inhibida por un represor que actúa sobre el ADN. La aparición del inductor alivia la represión del ADN por parte del represor, lo que hace que el fragmento del gen en el ADN inicie su proceso de «comando» y comience la síntesis de enzimas inducidas por polímeros.
En los días 2-4, en general, la actividad de los microorganismos disminuyó y la cantidad de CO2 disminuyó en la imagen.
En los días 4-6, los microorganismos que degradan el polímero se multiplican rápidamente y el polímero se degrada rápidamente y se utiliza por completo. Este proceso se llama crecimiento secundario.
Durante este período, los microorganismos eran ricos en nutrientes, se mejoró la actividad del metabolismo celular, se aceleró la velocidad de síntesis de nuevas sustancias celulares y el crecimiento microbiano fue fuerte. En la imagen, la cantidad de CO2 ha aumentado nuevamente.
En los días 6 a 8, debido al rápido crecimiento de microorganismos en la fase logarítmica, se consume una gran cantidad de polímero.
Al mismo tiempo, la acumulación de metabolitos es tóxica para la propia bacteria, lo que es desfavorable para el crecimiento de microorganismos, y la tasa de crecimiento de microorganismos disminuye gradualmente a cero, y la tasa de muerte aumenta gradualmente y entra en la fase estacionaria.
Después del período de reposo, debido al agotamiento de los nutrientes, los microorganismos utilizan el material almacenado para la respiración endógena debido a la falta de nutrición. Como resultado, la cantidad de CO2 ha disminuido significativamente.
En 8-12 días, algunos microorganismos utilizan el material celular después de la lisis de los microorganismos muertos para sintetizar los nutrientes que necesitan, y la cantidad de CO2 también aumenta.
Entre los 14 días, se acumula una gran cantidad de metabolitos debido a la degradación de los polímeros de ácido poliacrílico, lo que resulta en la producción de bacterias tóxicas. Por lo tanto, se puede ver en la figura que después de 6 días, la actividad microbiana en el biorreactor es menor que en la botella de reacción endógena, y el número es pequeño, pero la tendencia es consistente.
3.2 Análisis de la curva del valor de DQO
3 .3 Análisis de espectroscopia infrarroja
Las curvas espectrales infrarrojas de los polímeros poliacrílicos y en blanco se muestran en las Figuras 4 y 5.
Puede verse en la Fig.4 y la Fig.5 que en los números de onda de 2426 cm-1, 1650 cm-1, 1384 cm-1, 1139 cm-1 y 835 cm-1, existen tales picos de absorción en ambos imágenes, y no hay una diferencia significativa.
Estos números de onda reflejan los grupos funcionales en la estructura general del microorganismo. En el polímero de ácido poliacrílico, hay un pico grande en un número de onda de 3492 cm-1, y no hay tal pico en el blanco.
En este número de onda, hay una gran cantidad de NH2- y el NH2- es un producto del metabolismo microbiano. La presencia de NH2- indica:
Después de 14 días de reacción, los metabolitos microbianos en el matraz de reacción bioquímica eran más que los metabolitos en el matraz de reacción endógena. El grupo funcional orgánico en el polímero de ácido poliacrílico está ausente, lo que indica que se ha degradado.
Figura 4 Espectro infrarrojo del polímero poliacrílico.
Figura 5 Espectro infrarrojo de la botella de reacción endógena
4. Conclusión
En este estudio, se estudió la biodegradabilidad de los polímeros poliacrílicos en el medio ambiente mediante el método de biodegradación aeróbica, y se extrajeron las siguientes conclusiones.
En el ambiente aeróbico, se puede ver a partir de la curva de DQO y la curva de PCD que el valor de DQO y el valor de PCD del polímero acrílico de 6 días se reducen en gran medida, y se puede inferir que la mayor parte de la materia orgánica se ha degradado.
Puede verse en el espectro infrarrojo que el polímero de ácido poliacrílico tiene una buena biodegradabilidad y puede degradarse completamente después de 14 días.
Al mismo tiempo, a partir de la imagen de la curva de PCD, se proponen algunas ideas nuevas: el método de análisis de histograma de cantidad de dióxido de carbono (PCD).
A través del análisis exhaustivo de las reglas de biodegradación de los polímeros poliacrílicos, se demuestra que la combinación de la curva DQO, la curva PCD y el espectro infrarrojo se puede utilizar para analizar y evaluar exhaustivamente la biodegradabilidad aeróbica de los polímeros de ácido poliacrílico.
