CN103570084B - 基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，处理步骤为：将纳米银附着在载体上，将带有纳米银的载体投入蓝藻水域中。本发明基于纳米银来防护和治理蓝藻污染，纳米银具有很好的杀菌效果，可用于小区域和大面积蓝藻防护和治理。将纳米银载体制作成浮子用于防护和治理蓝藻污染无环境排放、是完全的物理杀菌和抗菌；且该防护和治理方法成本较低，容易操作。
Description
技术领域
本发明属于环境保护和水处理领域，更具体涉及防护和治理蓝藻污染的处理方法。
背景技术
蓝藻极大的影响了内陆湖泊水的质量和环境，目前国内和国外的一些内陆湖泊由于受到工业污染的影响，使得蓝藻的生长更加快速和泛滥。为此，每年政府投入了大量的人力，也采取了不同形式的方法来防护和治理蓝藻，但都没有有效的措施防护和治理蓝藻污染。
纳米银是大小在100纳米以内的银金属颗粒。其颗粒具有极好的抗菌能力。纳米银的杀菌可以安全、无毒性、无抗药性、持久快速的杀菌，而且杀菌的种类比较多，可达650余种病菌、病毒。对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、绿脓杆菌、枯草芽孢、黑曲霉等的杀菌率均达99.99%以上。同时安全、无刺激性、有效浓度低、性质稳定、无腐蚀性、操作简单，是新型杀菌抗菌剂。
发明内容
本发明提供一种基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，具体步骤如下：
步骤1：用水和酒精将载体清洗后干燥，对干燥的载体进行预处理，使载体表面获得羟基和羧基，再将载体放入氨基硅烷的无水乙醇溶液中进行浸泡，使载体表面获得氨基；
步骤2：将经过步骤1处理的载体浸渍在银离子溶液中，使载体表面吸附银离子；
步骤3：将经过步骤2处理的载体浸渍在还原剂中，使载体表面的银离子还原成中性纳米银粒子；
步骤4：将步骤3中获得的带有纳米银的载体制作成浮子，投入蓝藻水域中。
在一些实施方式中，通过等离子体放电法或酸碱腐蚀法使载体表面获得羟基和羧基。
在一些实施方式中，载体为全棉织物或海绵或尼龙网或氧化铝片。
在一些实施方式中，步骤1中的氨基硅烷的无水乙醇溶液的体积分数为2～10%。
在一些实施方式中，全棉织物在氨基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡时间为100～110分钟。
在一些实施方式中，步骤2中的银离子溶液浓度为0.2～20mmol/L。
在一些实施方式中，经过步骤1处理的全棉织物在银离子溶液中浸渍时间为5～6分钟。
在一些实施方式中，步骤3中的还原剂为硼氢化钠或水合肼或氨水。
在一些实施方式中，步骤3中的还原剂的浓度为8～12mmol/L。
在一些实施方式中，步骤2处理的全棉织物在还原剂中浸泡时间4～5分钟。
在一些实施方式中，全棉织物载体上纳米银最低上载量为30微克/平方厘米/克，海绵载体上纳米银最低上载量为20微克/平方厘米/克，尼龙网载体纳米银最低上载量为40微克/平方厘米/克，氧化铝片载体纳米银最低上载量为20微克/平方厘米/克。
在一些实施方式中，步骤4中确定浮子数量由如下方式确定：
N=fV/(svt)
其中，V是水域中水的体积，v是水的流速，s是载体在流速方向的截面积，t是提前投放时间，f是一个与水的干净程度、载体的孔隙率等因素有关的修正因子，N是投放载体的数量。
本发明将纳米银附着在载体上，将带有纳米银的载体投入蓝藻水域中，这些纳米银载体在水中起到抑菌和杀菌的作用，抑制蓝藻的生长。纳米银具有很好的杀菌效果，可用于小区域和大面积蓝藻防护和治理，杀完菌后可将这些载体回收并再利用。此外，其防护和治理过程为完全的物理杀菌和抗菌，对环境不会造成污染。
附图说明
图1为实施例一得到的载体产品的扫描电镜图；
图2为实施例一得到的载体产品经过50次国家标准洗涤后的扫描电镜图；
图3为实施例一得到的载体产品经过50次国家标准洗涤后被洗涤下了的纳米银粒子透射电镜照片；
图4为以全棉织物为载体时载体上纳米银的上载量与硝酸银溶液的浓度的关系；
图5为本发明基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法的纳米银载体防护和治理蓝藻工程示意图；
图6为以全棉织物为载体时纳米银相对浓度对蓝藻抑菌率的影响。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实例一
纳米银处理的全棉纺织品：将全棉织物使用纯净水和酒精分别超声清洗5分钟，以便清洁其表面的污染物和油污，自然干燥。全棉织物表面本身带有羟基和羧基。然后将全棉织物放入体积分数为5%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡100分钟，接着自然干燥，然后将织物后放入6mmol/L的硝酸银溶液中浸渍5分钟，接着将全棉织物通过轧辊甩出多余的硝酸银。然后将经过处理的全棉织物放入浓度为10mmol/L的硼氢化钠溶液中浸泡反应5分钟，最后用水漂洗，120°C下干燥。完成后就可以在全棉织物的表面便获得原位生长的中性纳米银粒子。3-氨基丙基三甲氧基硅烷在无水乙醇中水解生成硅醇，硅醇与全棉织物表面的羟基和羧基结合脱水，从而氨基硅烷牢牢附着在全棉织物的表面上，使得全棉织物表面获得氨基。由于氨基与银离子的相互作用使得银离子通过氨基牢固地附着在全棉织物上。银离子被还原成银原子，因氨基带有高密度的负电荷，增加了载体表面的电荷密度，使得银原子在全棉织物表面的迁移速度受限，还原的银原子只能在受阻的全棉织物表面生成较小的纳米银粒子。
用原子吸收光谱法测量全棉织品上纳米银的上载量可以高达100微克/平方厘米/克，大于全棉织物载体上纳米银的最低上载量30微克/平方厘米/克。
图1为在载体全棉织物上的原位生长的纳米银的扫描电镜图，其中白色小点为纳米银，灰色部分为全棉织物载体，可以看出大量的纳米银附着在载体上。
图2为在载体全棉织物上原位生长的纳米银经过50次国家标准洗涤后的扫描电镜图，其中白色小点为纳米银，灰色部分为全棉织物载体，可以看出，经过洗涤后，仍然有较大量的纳米银附着在载体上。
如图3所示，全棉织物上经50次洗涤后被洗涤下来的纳米银粒子的透射电镜图，从图中可以看出，纳米银粒子的粒径在5~25nm之间。
由图4可以看出，随着硝酸银溶液浓度的上升，全棉织物上的纳米银上载量也在增加，并且从图4中可以看出载体上纳米银的上载量都较高。
将纳米银全棉织物制作成浮子置于蓝藻发生区，在本实施例中，将载体制作成直径为0.5米，厚度为0.3米的圆形浮子。按照图5的方式在水面布放。图5中外面的方框1代表水池，中间摆布的圆圈2代表纳米银载体浮子。其载体的布放密度主要由提前布放时间、纳米银在载体上的上载量及其水域中水的流动速度等因素有关。对于实际应用来说，浮子的布放量可以用下列简化的公式进行计算：
N=fV/(svt)
其中，V是水域中水的体积，v是水的流速，s是载体在流速方向的截面积，t是提前投放时间，f是一个与水的干净程度、载体的孔隙率等因素有关的修正因子，N是投放载体的数量。
V为107立方米，v为0.01米/秒，s为0.785平方米，t为5184000秒，在载体上纳米银最低上载量的条件下，f近似为0.8。将数据代入公式计算：
N=1*107/(0.785*0.01*5184000)
=196.5872454
N的值为196个。
在蓝藻汛期前2个月放置由载体制作成的浮子于待处理的蓝藻水域表面，浮子可以用绳子相互连接，以防浮子载体飘走，在整个蓝藻爆发期内不将浮子取出，可以抑制蓝藻的出现。纳米银载体可以在表面清洁后重复使用。由图6可以看出，以全棉织物为载体制作成浮子，不断增加纳米银在蓝藻水域中的有效杀菌浓度。当纳米银在蓝藻水域中的有效杀菌浓度为0～3ppm时，几乎没有抑菌的效果；当纳米银在蓝藻水域中的有效杀菌浓度为3～5ppm时，抑菌率不断上升；当纳米银在蓝藻水域中的有效杀菌浓度为5ppm时，抑菌率达到最大值78%；当纳米银在蓝藻水域中的有效杀菌浓度大于5ppm时，抑菌率保持78%不再上升。因此，纳米银在蓝藻水域中的有效杀菌浓度应大于或等于3ppm。
实例二
纳米银处理的全棉纺织品：将全棉织物使用纯净水和酒精分别超声清洗5分钟，以便清洁其表面的污染物和油污，自然干燥。全棉纺织品表面带有羟基和羧基。然后将全棉织物放入体积分数为8%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡110分钟，接着自然干燥，然后等织物冷却后将其放入6mmol/L的硝酸银溶液中浸渍6分钟，接着将全棉织物通过轧辊甩出多余的硝酸银。然后将经过处理的全棉织物放入浓度为10mmol/L的硼氢化钠溶液中浸泡反应4分钟，最后用水漂洗，120°C下干燥。完成后就可以在全棉织物的表面便获得原位生长的中性纳米银粒子。3-氨基丙基三甲氧基硅烷在无水乙醇中水解生成硅醇，硅醇与全棉织物表面的羟基和羧基结合脱水，从而氨基硅烷牢牢附着在全棉织物的表面上，使得全棉织物表面获得氨基。由于氨基与银离子相互作用使得银离子通过氨基牢固地附着在全棉织物上。银离子被还原成银原子，因氨基带有高密度的负电荷，增加了载体表面的电荷密度，使得银原子在全棉织物表面的迁移速度受限，还原的银原子只能在受阻的全棉织物表面生成较小的纳米银粒子。
用原子吸收光谱法测量全棉织品上纳米银的上载量可以高达100微克/平方厘米/克，大于全棉织物载体上纳米银的最低上载量30微克/平方厘米/克。
将纳米银全棉织物制作成浮子置于蓝藻发生区，在本实施例中，将载体制作成直径为0.5米，厚度为0.4米的圆形浮子。按照图5的方式在水面布放。图5中外面的方框1代表水池，中间摆布的圆圈2代表纳米银载体浮子。其载体的布放密度主要由提前布放时间、纳米银在载体上的上载量及其水域中水的流动速度等因素有关。对于实际应用来说，载体的布放量可以用下列简化的公式进行计算：
N=fV/(svt)
其中，V是水域中水的体积，v是水的流速，s是载体在流速方向的截面积，t是投放时间为两个月的时间。f是一个与水的干净程度、载体的孔隙率等因素有关的修正因子，N是投放载体的数量。
V为107立方米，v为0.01米/秒，s为0.785平方米，t为5184000秒，在载体上纳米银最低上载量的条件下，f近似为0.8。
将数据代入公式计算：
N=0.8*107/(0.785*0.01*5184000)
=196.5872454
N的值为196个。
在蓝藻汛期前2个月放置由载体制作成的浮子于待处理的蓝藻水域表面，浮子可以用绳子相互连接，以防浮子载体飘走，在整个蓝藻爆发期内不将浮子取出，可以抑制蓝藻的出现。纳米银载体可以在表面清洁后重复使用。
实例三
纳米银处理的尼龙网：将尼龙网使用纯净水和酒精分别超声清洗6分钟，以便清洁其表面的污染物和油污，自然干燥。在本实施例中用等离子体放电法使尼龙网的表面获得羟基和羧基。本实施例在德国Harrick Plasma公司的PDC-002等离子体表面处理仪中采用氧等离子体处理，设定参数射频为200瓦，氧气压力为266.644帕，放电靶和处理部件的间距是15毫米，处理时间为30秒。处理使得尼龙网表面获得羟基和羧基。然后将尼龙网放入体积分数为6%的N-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡80分钟，接着自然干燥，然后等尼龙网冷却后将其放入浓度为0.2mmol/L的硝酸银溶液中浸泡20分钟，接着将吸附硝酸银的尼龙网在5转/分钟的甩干机上甩干。然后将其放入浓度为8mmol/L的氨水中浸泡反应10分钟，最后用自来水冲洗，120°C干燥。在尼龙网表面便获得原位生长的纳米银粒子。N-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷在无水乙醇中水解生成硅醇，硅醇与尼龙网表面的羟基和羧基结合脱水，从而氨基硅烷牢牢附着在尼龙网的表面上，使得尼龙网表面获得氨基。由于氨基与银离子相互作用使得银离子通过氨基牢固地附着在尼龙网上。银离子被还原成银原子，因氨基带有高密度的负电荷，增加了载体表面的电荷密度，使得银原子在尼龙网表面的迁移速度受限，还原的银原子只能在受阻的尼龙网表面生成较小的纳米银粒子。
用原子吸收光谱法测量尼龙网上纳米银的上载量为40微克/平方厘米/克，等于尼龙网上纳米银最低上载量40微克/平方厘米/克。
将纳米银尼龙网制作成浮子置于蓝藻发生区固定，在本实施例中，将载体制作成边长为0.5米，厚度为0.3米的圆形浮子。按照图5的方式在蓝藻汛期前两个月布放，可以抑制蓝藻的出现。图5中外面的方框1代表水池，中间摆布的圆圈2代表纳米银载体浮子。其载体的布放密度主要由提前布放时间、纳米银在载体上的上载量及其水域中水的流动速度等因素有关。对于实际应用来说，载体的布放量可以用下列简化的公式进行计算：
N=fV/(svt)
其中，V是水域中水的体积，v是水的流速，s是载体在流速方向的截面积，t是投放时间为两个月的时间，f是一个与水的干净程度、载体的孔隙率等因素有关的修正因子，N是投放载体的数量。
V为107立方米，v为0.01米/秒，s为0.785平方米，t为5184000秒，在载体上纳米银最低上载量的条件下，f近似为1。
将数据代入公式计算：
N=1*107/(0.785*0.01*5184000)
=245.7340568
N的值为245个。
蓝藻爆发期过后，可以将纳米银载体从水中取出。纳米银尼龙网可以在表面清洁后重复使用。
实例四
纳米银处理的海绵：将海绵使用纯净水和酒精分别超声清洗5分钟，以便清洁其表面的污染物和油污，在80°C条件下干燥。本实施例中通过酸腐蚀法使得海绵表面获得羟基和羧基。将海绵放入浓度为10%的硫酸中，浸泡5分钟，然后将海绵浸泡在水中水洗10分钟，最后在60℃的条件下烘干，使得海绵表面获得羟基和羧基。然后将海绵放入体积分数为2%的氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡120分钟，接着在80°C的条件下干燥，然后等海绵冷却后将其放入浓度为2mmol/L的硝酸银溶液中浸泡10分钟，接着将吸附硝酸银的海绵在6转/分钟的甩干机上甩干。然后将其放入浓度为12mmol/L的水合肼溶液中浸泡反应3分钟，最后用纯净水冲洗，120°C干燥，在海绵的表面便获得原位生长的纳米银粒子。氨乙基氨丙基三乙氧基硅烷在无水乙醇中水解生成硅醇，硅醇与海绵表面的羟基和羧基结合脱水，从而氨基硅烷牢牢附着在海绵的表面上，使得海绵表面获得氨基。由于氨基与银离子的相互作用使得银离子通过氨基牢固地附着在海绵上。银离子被还原成银原子，因氨基带有高密度的负电荷，增加了载体表面的电荷密度，使得银原子在海绵表面的迁移速度受限，还原的银原子只能在受阻的海绵表面生成较小的纳米银粒子。
用原子吸收光谱法测量海绵上纳米银的上载量可以高达40微克/平方厘米/克，大于海绵载体上纳米银的最低上载量20微克/平方厘米/克。
将纳米银海绵制作成浮子置于蓝藻发生区固定，在本实施例中，将载体制作成边长为1米，厚度为0.5米的方形浮子。在蓝藻汛期前两个月按照图5的方式布放，可以抑制蓝藻的出现。图5中外面的方框1代表水池，中间摆布的圆圈2代表纳米银载体浮子。其载体的布放密度主要由提前布放时间、纳米银在载体上的上载量及其水域中水的流动速度等因素有关。对于实际应用来说，载体的布放量可以用下列简化的公式进行计算：
N=fV/(svt)
其中，V是水域中水的体积，v是水的流速为，s是载体在流速方向的截面积，t是投放时间为两个月的时间，f是一个与水的干净程度、载体的孔隙率等因素有关的修正因子，N是投放载体的数量。
V为107立方米，v为0.01米/秒，s为1平方米，t为5184000秒，在载体上纳米银最低上载量的条件下，f近似为1。
将数据代入公式计算：
N=1*107/(1*0.01*5184000)
=192.9012346
N的值为192个。
蓝藻爆发期过后，可以将纳米银载体从水中取出。纳米银海绵可以在表面清洁后重复使用。
实施例五
纳米银处理的氧化铝片：将氧化铝片使用纯净水和酒精分别超声清洗5分钟，以便清洁其表面的污染物和油污，在80°C的条件下干燥。氧化铝片表面本身就带有羟基和羧基。然后将氧化铝片放入体积分数为10%的γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡60分钟，接着在80°C的条件下干燥，然后等氧化铝片冷却后将其放入浓度为20mmol/L的硝酸银溶液中浸泡25分钟，接着用纯净水将氧化铝片上残留的未络合的硝酸银洗去，再将氧化铝片上大量水分甩去，然后将其放入浓度为8mmol/L的硼氢化钠溶液中浸泡反应10分钟。最后用自来水冲洗，120°C干燥。在氧化铝片上便得原位生长的纳米银粒子。γ-氨乙基氨丙基三甲氧基硅烷在无水乙醇中水解生成硅醇，硅醇与氧化铝片表面的羟基和羧基结合脱水，从而氨基硅烷牢牢附着在氧化铝片表面上，使得氧化铝片表面获得氨基。由于氨基与银离子相互作用使得银离子通过氨基牢固地附着在氧化铝片上。银离子被还原成银原子，因氨基带有高密度的负电荷，增加了载体表面的电荷密度，使得银原子在氧化铝片表面的迁移速度受限，还原的银原子只能在受阻的氧化铝片表面生成较小的纳米银粒子。
用原子吸收光谱法测量氧化铝片上纳米银的上载量可以高达25微克/平方厘米/克，大于氧化铝片上纳米银的最低上载量20微克/平方厘米/克。
将纳米银氧化铝片制作成浮子置于蓝藻发生区，在本实施例中，将载体制作成直径为0.5米，厚度为0.4米的圆形浮子。可以按照图5的方式在水面布放，在蓝藻汛期前2个月放置于该水域表面，可以抑制蓝藻的出现。图5中外面的方框1代表水池，中间摆布的圆圈2代表纳米银载体浮子。其载体的布放密度主要由提前布放时间、纳米银在载体上的上载量及其水域中水的流动速度等因素有关。对于实际应用来说，载体的布放量可以用下列简化的公式进行计算：
N=fV/(svt)
其中，V是水域中水的体积为107立方米，v是水的流速为0.01米/秒；s是载体在流速方向的截面积为0.785平方米，t是投放时间为两个月的时间，为5184000秒。N是投放载体的数量；f是一个与水的干净程度、载体的孔隙率等因素有关的修正因子，近似为0.65。将数据代入公式计算的N的值为160个。
V为107立方米，v为0.01米/秒，s为0.785平方米，t为5184000秒，在载体上纳米银最低上载量的条件下，f近似为1。
将数据代入公式计算：
N=1*107/(0.785*0.01*5184000)
=159.7271396
N的值为160个。
蓝藻爆发期过后，可以将纳米银载体从水中取出。纳米银氧化铝片可以在表面清洁后重复使用。
Claims (11)
1.基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，具体步骤如下：
步骤1：用水和酒精将载体清洗后干燥，对干燥的载体进行预处理，使载体表面获得羟基和羧基，再将所述载体放入氨基硅烷的无水乙醇溶液中进行浸泡，使载体表面获得氨基；
步骤2：将经过步骤1处理的载体浸渍在银离子溶液中，使所述载体表面吸附银离子；
步骤3：将经过步骤2处理的载体浸渍在还原剂中，使载体表面的银离子还原成中性纳米银粒子；
步骤4：将步骤3中获得的带有纳米银的载体制作成浮子，投入蓝藻水域中。
2.根据权利要求1所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，通过等离子体放电法或酸碱腐蚀法使载体表面获得羟基和羧基。
3.根据权利要求2所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述载体为全棉织物或海绵或尼龙网或氧化铝片。
4.根据权利要求1所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述步骤1中的氨基硅烷的无水乙醇溶液的体积分数为2～10％。
5.根据权利要求3所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述全棉织物在氨基硅烷的无水乙醇溶液中浸泡时间为100～110分钟。
6.根据权利要求1所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述步骤2中的银离子溶液浓度为0.2～20mmol/L。
7.根据权利要求3所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述经过步骤1处理的全棉织物在银离子溶液中浸渍时间为5～6分钟。
8.根据权利要求1所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述步骤3中的还原剂为硼氢化钠或水合肼或氨水。
9.根据权利要求8所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述步骤3中的还原剂的浓度为8～12mmol/L。
10.根据权利要求3所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述步骤2处理的全棉织物在还原剂中浸泡时间4～5分钟。
11.根据权利要求3所述的基于纳米银的防护和治理蓝藻污染的方法，其特征在于，所述全棉织物载体上纳米银最低上载量为30微克/平方厘米/克，所述海绵载体上纳米银最低上载量为20微克/平方厘米/克，所述尼龙网载体纳米银最低上载量为40微克/平方厘米/克，所述氧化铝片载体纳米银最低上载量为20微克/平方厘米/克。
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- 2012-07-30 CN CN201210268256.1A patent/CN103570084B/zh not_active Expired - Fee Related
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