CN101972622A - 一种基于碳基催化剂的蓝藻微波治理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于碳基催化剂的蓝藻微波治理方法，其特征在于在微波反应的体系中加入经金属离子改性的活性炭、炭黑或碳纤维，即碳催化剂，可在极短的时间内实现对蓝藻的高效杀灭。本发明的方法简单易行，催化剂原材料价廉易得，处理蓝藻的效果非常显著，且不会对水体产生二次污染。

Description

一种基于碳基催化剂的蓝藻微波治理方法
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种基于碳基催化剂的蓝藻微波治理方法。
背景技术
蓝藻又称蓝细菌，是地球上现存的一种最古老的植物类群，是一种广适性藻类，在85℃的温泉中，在高山的冰雪中，在海洋及淡水中均有生存，并且繁殖速度非常快，能在水面形成一层数十厘米厚的蓝绿色带有腥臭味的浮沫，称为“水华”，在水华衰老期间，能将水中溶解的氧耗尽，引起鱼类和水生动物窒息死亡。有些种类(如微囊藻)还会产生毒素(微囊藻毒素)，藻毒素除了直接对鱼类、人畜产生毒害之外，也是肝癌的重要诱因。蓝藻在危害人类健康的同时，也影响了水生生物的生长发育，破坏了自然景观和环境。2007年5月底，太湖蓝藻提前爆发，一夜之间数百万群众的饮用水安全受到了严重威胁，同样严重的情况也出现在了滇池和巢湖中。中国水污染问题已展现在人们面前，中国经济发展和环境保护的关系引起我们深思，治理蓝藻已成为一个亟待解决的问题。
随着人们对蓝藻认识的逐渐深入，国内外对蓝藻的治理方法也层出不穷，通常情况下采取打捞和预防控制措施。加拿大Smave集团经过20多年的摸索，发明了FOXIN-SAMVE环保工作船；韩国海洋水产部斥资23.5亿韩元打造了“海洋清扫号”打捞船，对蓝藻的治理起到了一定的作用。但是，仅仅只是一味的打捞，蓝藻的生存环境没有变，水域内的氮、磷等富营氧化程度会相对加剧，反而会使蓝藻在短时间内以更快的速度繁殖。因此，科研工作者又从物理方法、生物方法及化学方法等领域进行了蓝藻的治理研究。物理法即机械除藻，如挖泥法、拉网捞藻法或加入粘土絮凝沉降剂等，成本较高，能源消耗较大；生物法即利用生物菌或放入特殊水体动物如放入鲢鱼、食藻虫、微生物制剂等除藻；化学法中主要是采用化学药剂杀死藻类，常用的化学药剂有硫酸铜、二氧化氯等，臭氧和高锰酸钾作为除藻剂的也有研究，这种方法可以高效及时地控制蓝藻的繁殖，但化学药剂对水体生态带来的负面影响极其严重，蓝藻繁殖很快，当天使用当天有效，但过1～2天又大量繁殖，可以说此法是一种权宜之计，在使用除藻剂后，死藻仍留在水体中，营养物质不能被移出水体，蓝藻还是会繁殖出新蓝藻，所以必须连续间歇加注，因此耗药量大，且费时费力，多余的药剂又会造成水体二次污染。因此，寻找一种耗时短，对水体环境无污染，简单易行的蓝藻处理方法变得尤为重要。
与上述研究方法相比较，本发明所提供的蓝藻治理方法简单易行，成本低廉，省时高效，能在短短3分钟内实现对蓝藻的高效处理，且不会对水体产生二次污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法简单、成本低廉、省时高效、对生态无影响的治理蓝藻的新方法。
本发明主要包括以下步骤：
1)将碳材料用去离子水洗涤3次以上，在质量浓度8％～10％的盐酸水溶液中浸泡过夜，然后用蒸馏水洗涤3次以上，在蒸馏水中煮沸，再用蒸馏水反复冲洗至中性后烘干，得预处理碳材料，所述的碳材料为活性炭、炭黑或碳纤维；
2)将步骤1)所得的预处理后的碳材料在含有0.1g/L～1.0g/L Fe3+、Al3+或Cu2+离子的溶液中浸泡3～5小时，取出烘干，即得金属离子改性的碳催化剂；
3)向50mL光密度值为0.6的蓝藻中加入1g步骤2)所得的金属离子改性的碳催化剂，进行微波处理，微波反应的功率为400～600W，微波反应的温度为60～90℃；在3分钟内即可实现对蓝藻的高效处理。
本发明的效果和优点：
1、方法简单易行，无需大型仪器设备，只需普通微波反应器即可；
2、催化剂原材料价廉易得且绿色无毒，我国碳材料资源丰富，原料充足；
3、省时高效，在短短3分钟内即可使蓝藻的光密度(optical density，OD)值下降76％，叶绿素a的含量降低85％，光学显微镜下可以观察到蓝藻细胞壁破裂，同时测得超氧化物歧化酶(superoxidase dismutase，SOD)失活，谷胱甘肽(L-Glutathione，GSH)含量下降，说明本发明的方法对抑制蓝藻的生长有显著效果；
4、本发明的方法是在实验室的小型微波反应器中进行的，将处理液和催化剂用量相应地放大后，使用中型微波处理装置，也可在短时间内实现对蓝藻的快速高效处理。因此，通过大型微波装置，只需扩大催化剂的用量就可实现大范围内蓝藻水华的治理。
附图说明
图1是不同微波时间受试蓝藻的浊度变化图；
图中：a为不加催化剂的微波体系对蓝藻的处理效果图(记为MW)，b为加入Fe3+(FeCl3)离子改性的碳催化剂的微波体系处理蓝藻的效果图(记为MW+FeCl3/C)；
图2是MW组和MW+FeCl3/C组在不同时间的浊度变化图；
图3是MW组和MW+FeCl3/C组在680nm处的光密度值随时间的变化图；
图4是MW组和MW+FeCl3/C组叶绿素a含量随反应时间的变化图(乙醇提取叶绿素，分光光度法测定)；
图5是MW+FeCl3/C组微波反应2min时的光学显微镜观察结果；
图6是MW+FeCl3/C组超氧化物岐化酶SOD活性随反应时间的变化图(用SOD试剂盒测试)；
图7是MW+FeCl3/C组蓝藻谷胱甘肽GSH含量随反应时间的变化图(用GSH试剂盒测试)。
与蓝藻直接微波的实验结果相比较可以发现，本发明的方法可以大幅度地降低蓝藻的浊度，OD值及叶绿素a的含量。从图1和图2结果可以发现，本发明的方法可以显著降低蓝藻的浊度，该方法在3分钟的处理时间内可使受试蓝藻变为澄清；图5光学显微镜观察的结果可以看出用本发明的方法在2min的时间里可以使蓝藻的细胞壁破裂，原生质体的内含物不同程度溶出，且在反应体系中可产生大量的自由基，使SOD酶失活(图6)，导致蓝藻细胞受损；随着SOD酶活性的丧失，细胞为抵御大量自由基的侵袭，谷胱甘肽GSH的含量(图7)呈上升趋势，但是随着自由基含量的继续增加，GSH清除自由基的能力下降，细胞内相应的抗性体系受到影响，GSH含量逐渐降低，说明细胞抗氧化能力减弱，逐渐受损死亡。以上结果可充分说明本发明提供的方法对抑制蓝藻的生长有显著效果。
具体实施方式
实施例1
碳材料预处理：将活性炭、炭黑或碳纤维用去离子水洗涤3次以上，在质量浓度8％～10％的盐酸水溶液中浸泡过夜，然后用蒸馏水洗涤3次以上，在蒸馏水中煮沸，再用蒸馏水反复冲洗至中性后烘干，得预处理碳材料活性炭、炭黑或碳纤维；
将经过预处理的碳材料浸泡在含0.1g/L的Fe3+(FeCl3)溶液中，取出，干燥，得金属离子改性的碳催化剂；取50mL蓝藻加入100mL的圆底烧瓶中，加入1g的上述碳催化剂进行微波反应。微波条件为：80℃，400W。在3分钟内蓝藻变为澄清。
实施例2
碳材料预处理同实施例1；
将经过预处理的碳材料浸泡在含0.2g/L的Al3+溶液中，取出，干燥，得金属离子改性的碳催化剂；取50mL蓝藻加入100mL的圆底烧瓶中，加入1g的上述碳催化剂进行微波反应。微波条件为：80℃，400W。在3分钟内蓝藻变为澄清。
实施例3
碳材料预处理同实施例1；
将经过预处理的碳材料浸泡在含0.1g/L的Cu2+溶液中，取出，干燥，得金属离子改性的碳催化剂；取50mL蓝藻加入100mL的圆底烧瓶中，加入1g的上述碳催化剂进行微波反应。微波条件为：80℃，400W。在3分钟内蓝藻变为澄清。
实施例4
碳材料预处理同实施例1；
将经过预处理的碳材料浸泡在含0.3g/L的Fe3+溶液中，取出，干燥，得金属离子改性的碳催化剂；取50mL蓝藻加入100mL的圆底烧瓶中，加入1g的上述碳催化剂进行微波反应。微波条件为：90℃，600W。在3分钟内蓝藻变为澄清。
实施例5
碳材料预处理同实施例1；
将经过预处理的碳材料浸泡在含0.3g/L的Al3+溶液中，取出，干燥，得金属离子改性的碳催化剂；取50mL蓝藻加入100mL的圆底烧瓶中，加入1g的上述碳催化剂进行微波反应。微波条件为：90℃，600W。在3分钟内蓝藻变为澄清。
实施例6
碳材料预处理同实施例1；
将经过预处理的碳材料浸泡在含1g/L的Cu2+溶液中，取出，干燥，得金属离子改性的碳催化剂；取50mL蓝藻加入100mL的圆底烧瓶中，加入1g的上述碳催化剂进行微波反应。微波条件为：90℃，600W。在3分钟内蓝藻变为澄清。
实施例7
碳材料预处理同实施例1；
将经过预处理的碳材料浸泡在含0.2g/L的Al3+溶液中，取出，干燥，得金属离子改性的碳催化剂；取50mL蓝藻加入100mL的圆底烧瓶中，加入1g的上述碳催化剂进行微波反应。微波条件为：60℃，400W。在3分钟内蓝藻变为澄清。

Claims (1)

1.一种基于碳基催化剂的蓝藻微波治理方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将碳材料用去离子水洗涤3次以上，在质量浓度8％～10％的盐酸水溶液中浸泡过夜，然后用蒸馏水洗涤3次以上，在蒸馏水中煮沸，再用蒸馏水反复冲洗至中性后烘干，得预处理碳材料，所述的碳材料为活性炭、炭黑或碳纤维；
2)将步骤1)所得的预处理后的碳材料在含有0.1g/L～1.0g/LFe3+、Al3+或Cu2+离子的溶液中浸泡3～5小时，取出烘干，即得金属离子改性的碳催化剂；
3)向50mL光密度值为0.6的蓝藻中加入1g步骤2)所得的金属离子改性的碳催化剂，进行微波处理，微波反应的功率为400～600W，微波反应的温度为60～90℃；在3分钟内即可实现对蓝藻的高效处理。
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