CN104211152B - 一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法，包括以下步骤：步骤一、在藻液中加入混凝剂和助凝剂；步骤二、对藻液先以200r/min搅拌2min；再以100r/min搅拌10min；步骤三、藻液经沉淀，藻液中的藻细胞被去除。藻液经搅拌后沉淀，在整个藻液体系1/2高度处取样测定吸光度确定藻细胞浓度，并计算去除率。该方法能够提高铜绿微囊藻的去除效果，加快絮体沉降速率，并能够应用于不同藻类浓度的水体。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法。
背景技术
随着社会发展，含大量氮、磷等营养物质被排放到水体中，造成大量水体污染，富营养化问题日益严重[1]。根据“2012年中国环境状况公报”，全国60个重点湖泊(水库)中，6.7％为中度富营养状态，18.3％为轻度富营养化状态，61.7％为中营养状态。水体富营养化导致的藻类水华频发，会导致大面积水质变差，释放藻毒素危害动植物以及人类身体健康，造成饮用水安全隐患，增加城市供水成本等问题[2]。因此，水中藻类的去除是我们必须面对的一个重要的问题。混凝沉淀作为一种传统的水处理工艺，在除藻方面也有广泛的应用。
混凝沉淀工艺的实际应用中，常见的混凝剂一般为聚合氯化铝(PACl)[3-4]，与作为助凝剂的聚丙烯酰胺(PAM)配合使用，以达到去除水中污染物的目的[5-6]。PAM作为一种大分子聚合物，在石油工业、印染工业、环境治理、生物医学、化学等许多方面有广泛的应用[7]。但关于聚丙烯酰胺的毒性问题一直都存在争议[8]，并且PAM难以降解也是对环境的一种威胁[9]。为了降低对环境产生二次污染的可能性，研究一种低毒的混凝技术是十分必要的。如高健等人用粘土矿复合PACl除藻[10]，张龙等人用高锰酸钾预氧化来强化混凝除藻的效果[11]，Chun-DeWu等人用硅藻土作为助凝剂与PACl联用除藻[12]。
纳米材料因其具有小尺寸效应和大的比表面积近些年受到了广泛的关注。其中纳米Fe3O4因其具有磁性而应用于许多领域。如在生物医药方面，纳米Fe3O4和纳米γ-Fe2O3因具有物料性质稳定、与生物相容性较好、强度较高，且无毒副作用等特点，而被广泛的应用于生物医用的多个领域[13-14]。而且，两种材料在水处理上也有应用，可以被用作吸附剂吸附和回收水中的重金属和有机物等。
参考文献：
[1]秦伯强，许海，董百丽.富营养化湖泊治理的理论与实践.北京:高等教育出版社，2011.
[2]熊彩蕾,罗亚田,王丽.藻类对水体的危害及灭藻技术的现状分析.辽宁化工,2009,38(3)；173-175
[3]赵莉莉，刘文静，何贤珍，等.三种絮凝剂除藻效果的比较.广东化工,2011,38(5)；69-71.
[4]E,CastrillónL,Fernández-NavaY,etal.Coagulation-flocculationasapretreatmentprocessatalandfillleachatenitrification-denitrificationplant.Journalofhazardousmaterials,2008,156(1-3):538-544.
[5]张雪，张安龙，魏江浪，等.PAC和PAM在造纸废水处理中的应用.湖北造纸,2013,(2)；24-25.
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[7]张学佳，纪巍，康志军，等.聚丙烯酰胺应用进展.化工中间体,2008,(5):34-39.
[8]SCJSumner,CCWilliams,RWSnyder,etal.Acrylamide:acomparisonofmetabolismandhemoglobinadductsinrodentsfollowingdermal,intraperitoneal,oral,orinhalationexposure.ToxicolSci,2003,75(2):260-270.
[9]MJCaulfield,XJHao,GGQiao,etal.Degradationonpolyacrylamides.PartI.Linearpolyacrylamide.Polymer,2003,44(5):1331-1337.
[10]高健,赵春禄.传统PAC混凝除藻方法的改进.青岛科技大学学报,2005,26(2)；120-123.
[11]张龙,乔俊莲,雷青.高锰酸钾预氧化强化混凝去除绿藻的研究.环境科学学报,2013,33(1)；73-78.
[12]CDWu,XJXu,JLLiang,etal.Enhancedcoagulationfortreatingslightlypollutedalgae-containingsurfacewatercombiningpolyaluminumchloride(PAC)withdiatomite.Desalination,2011,279(1-3):140-145.
[13]GuptaAK,GuptaM.Synthesisandsurfaceengineeringofironoxidenanoparticlesforbiomedicalapplications.Biomaterials,2005,26(18):3995-4021.
[14]谢青松,许信龙,魏晓捷,等.新型超顺磁性氧化铁在干细胞活体示踪中的应用研究.中国临床药理学与治疗学,2010,15(3):272-276.
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何高效去除水体中的藻类，特别是水华爆发时蓝藻中的优势藻种——铜绿微囊藻。
为了解决上述技术问题，本发明中选取水华爆发时蓝藻中的优势藻种——铜绿微囊藻作为研究对象，用纳米四氧化三铁(纳米Fe3O4)或纳米γ-氧化铁(纳米γ-Fe2O3)作为助凝剂，配合作为混凝剂使用的聚合氯化铝(PACl)，去除水中的藻类。具体技术方案是：
一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法，包括以下步骤：
步骤一、在藻液中加入混凝剂和助凝剂；
步骤二、对藻液先以200r/min搅拌2min；再以100r/min搅拌10min；
步骤三、藻液经沉淀，藻液中的藻细胞被去除。
优选地，步骤一中，混凝剂为碱式氯化铝。
优选地，步骤一中，混凝剂为纳米四氧化三铁和/或纳米γ-氧化铁。
优选地，加入的混凝剂与助凝剂的质量比为4:1。
优选地，当藻液中藻细胞浓度为105个/mL时，混凝剂和助凝剂总的加入量为1mg/L～10mg/L。
优选地，当藻液中藻细胞浓度为106个/mL时，混凝剂和助凝剂总的加入量为10mg/L～50mg/L。
优选地，当藻液中藻细胞浓度为107个/mL时，混凝剂和助凝剂总的加入量为50mg/L～300mg/L。
优选地，藻液经搅拌后沉淀，在整个藻液体系1/2高度处取样测定吸光度确定藻细胞浓度，并计算去除率。
本发明的有益效果是，该方法能够提高铜绿微囊藻的去除效果，加快絮体沉降速率，并能够应用于不同藻类浓度的水体。
附图说明
图1是投加纳米四氧化三铁后在不同PACl浓度下铜绿微囊藻去除率的影响示意图；
图2是投加纳米四氧化三铁对铜绿微囊藻的沉降速率的影响示意图；
图3纳米四氧化三铁作为助凝剂对不同浓度铜绿微囊藻的去除效果示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在100mL的烧杯中加入50mLOD值在0.25左右、藻细胞浓度为106个/mL的藻液，再分别加入浓度为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L的PACl溶液，将纳米Fe3O4与PACl的投加比例设定为1:4。混凝过程不加磁场沉淀的体系先以200r/min的转速快搅2min，再以100r/min慢搅10min，沉淀60min。沉淀后在体系1/2高度处取样测定吸光度确定参与藻类浓度，并计算去除率。每组试验设三个平行样，取平均值。
实施例1：不同PACl浓度下铜绿微囊藻去除率
图1显示了投加纳米Fe3O4后在不同PACl浓度下铜绿微囊藻去除率的影响。结果表明，随着PACl投加量的提高，藻类去除效率逐渐提高。单独投加PACl的量小于20mg/L时，对藻的去除率只能达到60％左右，当PACl的投量增大到30mg/L时，体系的藻去除率也可达到80％左右，当投加量大于40mg/L时，对藻的混凝处理去除率就可达到95％左右。投加纳米Fe3O4作为助凝剂后极大降低了PACl的投加量。PACl投加量小于20mg/L时，加入助凝剂纳米Fe3O4后，铜绿微囊藻的去除率可达到85％～89％。
实施例2：铜绿微囊藻的沉降速率
根据混凝效果试验的实验结果，PACl单独投量为30mg/L时，铜绿微囊藻的去除率能够达到较高的水平，同时PACl浓度为30mg/L时，还能对该去除率有一定提高，故选取PACl浓度为30mg/L作为铜绿微囊藻沉降速率试验的基本条件。
图2为投加纳米Fe3O4对铜绿微囊藻的沉降速率的影响。如图2所示，在相同的时间内，添加助凝剂的体系中藻的去除率要高于单独投加PACl的体系，沉降终点时的藻去除率也要高于单独投加PACl的体系。这说明了纳米Fe3O4作为助凝剂除了对藻去除率有一定提高之外，还有提高藻的沉降速率的效果。
上述实验中，作为助凝剂使用的纳米四氧化三铁可以用纳米γ-氧化铁代替，或者两者混合使用。
实施例3：对不同浓度铜绿微囊藻的去除
图3显示了纳米Fe3O4作为助凝剂对不同浓度铜绿微囊藻的去除效果。针对不同浓度级的藻液，选取的混凝剂的浓度也不同。从图3可知，在不同数量级藻密度下，纳米Fe3O4的加入对铜绿微囊藻去除率的提高有着类似的效果。加入纳米Fe3O4都可以在一定程度减少PACl的投加量，提高去除率。
选取藻去除率在80％以上的混凝剂最低投量进行对比，得到表1。由图3及表1可以看出，随着藻浓度降低，所需的混凝剂投加量减小。数量级在107个/mL的铜绿微囊藻，单独加入PACl时所需浓度高达250mg/L，而数量级在10个/mL的铜绿微囊藻，单独加入PACl时所需的浓度也只有6mg/L。同时，随着藻浓度降低，纳米Fe3O4对去除率的提高作用更为明显。在不同藻浓度下，纳米Fe3O4的加入都可提高铜绿微囊藻的去除率，降低混凝剂PACl的投加量，但低藻浓度下，PACl投加减少的百分比更大，纳米Fe3O4加入的作用也就更为显著。在同样的条件下，加入纳米Fe3O4自由沉淀体系和只加PACl体系的去除率相对比结果如表2所示。
表1不同藻浓度下加入纳米Fe3O4对PACl投加量的减少
表2不同藻浓度下纳米Fe3O4加入对去除率的提高
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在藻液中加入混凝剂和助凝剂；所述混凝剂为碱式氯化铝；所述助凝剂为纳米四氧化三铁和/或纳米γ-氧化铁；加入的所述混凝剂与所述助凝剂的质量比为4:1；
步骤二、不加磁场，对藻液先以200r/min搅拌2min；再以100r/min搅拌10min；
步骤三、藻液经沉淀，藻液中的藻细胞被去除。
2.如权利要求1所述的一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法，其特征在于，当所述藻液中藻细胞浓度为105个/mL时，所述混凝剂和所述助凝剂总的加入量为1mg/L～10mg/L。
3.如权利要求1所述的一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法，其特征在于，当所述藻液中藻细胞浓度为106个/mL时，所述混凝剂和所述助凝剂总的加入量为10mg/L～50mg/L。
4.如权利要求1所述的一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法，其特征在于，当所述藻液中藻细胞浓度为107个/mL时，所述混凝剂和所述助凝剂总的加入量为50mg/L～300mg/L。
5.如权利要求1所述的一种利用纳米铁材料作为助凝剂去除水体中藻类的方法，其特征在于，藻液经搅拌后沉淀，在整个藻液体系1/2高度处取样测定吸光度确定藻细胞浓度，并计算去除率。
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