CN104355379B - 一种基于喜旱莲子草的除藻剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于喜旱莲子草的除藻剂及其制备方法和应用。该除藻剂含有HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水；其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。该方法包括将HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水进行混合，其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。本发明提供的除藻剂对有害藻类的去除率可以高达99.9％。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于喜旱莲子草的除藻剂，用于制备该除藻剂的方法，以及该除藻剂的应用。
背景技术
随着水体富营养化的加剧，水体中的藻类污染越来越严重，因此，去除水体中的藻类是当今一个比较热门的课题。现有技术中主要的除藻方法有除藻方法有：化学除藻法、物理方法、生物控藻法、物理化学法。
化学除藻法包括化学药剂直接灭杀法和絮凝沉淀法，其中，化学药剂除藻一般是通过抑制藻细胞的生理功能，破坏藻细胞的结构，使藻细胞灭活甚至解体，从而达到杀死藻类的目的。使用无机除藻剂除藻时，效果明显，但二次污染严重。有机除藻剂药效持久、抑藻专一性高、易于自然降解，但速效性差，用量较大，合成成本较高，在应急除藻的应用中较困难，目前只能用于小型水体藻华的预防和控制。另外，被杀死的藻类残留在水体中，营养物质重新释放，无法解决富营养化的根源问题。
物理方法主要采取换水、过滤、活性炭吸附、气浮、遮光等直接或间接措施除藻以及对藻细胞进行生理灭活的直流电击、超声波处理。物理方法除藻通常存在费时、代价高、操作困难等一系列缺陷，且不能从根本上解决水体富营养化的问题。
生物方法主要集中在采用栽种一些水生高等植物对湖泊内源营养盐的控制、放养水生动物、利用植物化感作用和微生物抑藻。通过在水中种植高等植物、放养水生生物和植物化感抑藻具有高生态安全性和低成本的特点，但见效慢，作用周期长，而微生物抑藻见效快，但其生态安全性有待于商榷。
物理化学方法主要采取絮凝沉淀、加药气浮等措施。絮凝沉淀法是目前应用最广泛的水处理方法之一，指在絮凝剂的作用下，使水中的胶体和藻体凝聚成絮凝体、沉淀沉降，然后予以分离去除。除藻常用的絮凝剂一般有无机高分子絮凝剂(天然黏土、铝盐、铁盐、聚合氯化铝等)、有机高分子絮凝剂(壳聚糖、改性淀粉等)、微生物絮凝剂。铝盐和铁盐无机絮凝剂絮凝性能受水体的pH影响较大。聚合氯化铝对藻细胞有较好的絮凝效果，铝易生物富集，次生危害严重。铁盐易增加水体色度。微生物絮凝剂具高效、无毒、易生物降解等独特的优点，但目前大多处于菌种的筛选阶段，且成本很高，无法适应于工业化生产的需要。
较为典型的絮凝剂为天然黏土絮凝除藻，利用天然黏土可以与藻细胞结合并形成絮体沉降至水体底部，在这个过程中或直接杀死藻细胞、或吸附营养盐、或影响其光合作用使藻细胞失去耐以生长的条件等间接除藻。天然黏土矿物除藻在成本、对环境和非赤潮或水华生物影响等方面优于其他除藻方法，但因溶胶性质差，迅速凝聚、沉淀藻类的能力低，需大量撒播，给大面积治理藻类污染带来原料和淤渣量过大的问题。
相对于天然黏土絮凝剂，改性黏土絮凝除藻效果更好，改性黏土絮凝除藻以天然黏土矿物为基础，对其进行各种改性，以提高黏土絮凝除藻的能力。是使用壳聚糖对黏土进行包覆改性,目的是利用壳聚糖改变黏土颗粒表面特性和电性，提高黏土絮凝去除藻细胞的能力。改性和复合黏土除藻能显著提高黏土的除藻效率且降低黏土的用量，但是改性后的黏土通常会给环境产生一些有毒有害的物质。
现有技术中较为成熟的改性黏土絮凝剂是使用壳聚糖对天然黏土进行包覆改性,目的是利用壳聚糖改变黏土颗粒表面特性和电性，提高黏土絮凝去除藻细胞的能力。使用壳聚糖改性后的黏土除藻效果好且对环境的影响低，但当在治理水华时往往要投加大量的黏土，而壳聚糖的价格相对较高，这就使得成本偏高，这是现有技术中亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的为了克服现有的除藻剂成本大、污染严重以及除藻效率低的缺陷，提供了一种除藻剂、用于制备该除藻剂的方法和该除藻剂在净化水质过程中的应用。
喜旱莲子草属苋科莲子草属，为多年生草本植物，又名空心莲子草、水花生、革命草等。喜旱莲子草原产于南美洲，后被引入北美洲、大洋洲、东南亚等地，现已成为一个世界性的入侵植物种。喜旱莲子草的主要特征有：生长迅速、繁殖力高、对频繁扰动的适应性强。
发明人通过观察发现在淡水水华连年爆发的水域，喜旱莲子草具有抗藻的潜势，研究后发现，活体和残体的喜旱莲子草植株均可以显著抑制水华藻的生长。可能是由于喜旱莲子草含有黄酮甙、三萜皂甙、香豆素、6-甲氧基木犀草素、7-a-L-鼠李糖甙(7-a-L-rhamnosy1-6-methoxyluteolin)及藤菊黄素(patuletin)等活性成分使其具有强的抗藻能力。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，该除藻剂含有HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水；其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。
本发明还提供了一种基于喜旱莲子草的除藻剂的制备方法，其中，该方法包括将HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水进行混合，其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。
本发明还提供了所述的除藻剂在净化水质过程中的应用；优选地，待处理水体与除藻剂的用量的体积比为100：3-10，更优选为100：5-6。
本发明使用对本身为入侵物种的的喜旱莲子草的粉末为改性剂，利用该喜旱莲子草富含糖类、脂肪、蛋白质和酸性物质对廉价的膨胀蛭石进行包覆改性，同时利用喜旱莲子草的次生代谢组分针对性的杀灭水华藻，得到一种可以有效絮凝除藻的药剂。因此，该药剂是先杀死藻类、再絮凝，最后沉淀。该除藻过程时间短、成本低、无二次污染、使用方便、能够实现植物资源循环利用并且对环境友好。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是检测例1中3h后处理组A和对照组B中的藻液对比图；
图2是检测例1中除藻剂A1加入处理组A中3h后的除藻率统计图；
图3是检测例1中除藻剂A1在加入处理组A中0-15min内的除藻过程图；
图4是检测例1中除藻剂A1在加入处理组A中0min后的显微成像图；
图5是检测例1中除藻剂A1在加入处理组A中1.5min后的显微成像图；
图6是检测例1中除藻剂A1在加入处理组A中15min后的显微成像图；
图7是检测例2中粉末状的喜旱莲子草和实施例1中混合溶液中的喜旱莲子草的SEM图；
图8是检测例2中末状的膨胀蛭石以及除藻剂A1中的膨胀蛭石的SEM图；
图9是检测例3中处理组A未添加除藻剂A1时铜绿微囊藻细胞的SEM图；
图10是检测例3中添加除藻剂A11min后处理组A中的铜绿微囊藻细胞的SEM图；以及
图11是检测例3中添加除藻剂A16h后处理组A中的铜绿微囊藻细胞的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，该除藻剂含有HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水；其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。
在本发明中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm均能够获得除藻藻效果优异的除藻剂，但是为了同通过调整喜旱莲子草和/或膨胀蛭石的粒径使得除藻剂的除藻效果得到进一步提高，优选地膨胀蛭石的粒径小于75μm；并且/或者所述喜旱莲子草的粒径为100-200目。
在本发明提供的除藻剂中，各组分的含量可以在宽的范围内选择，但为了使得该除藻剂能够具有更优异的除藻效果，优选地，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，HCl的含量为7-16重量份，所述膨胀蛭石的含量为7-13重量份。为了进一步提高除藻剂的除藻效果，更优选地，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，HCl的含量为10-14重量份，喜旱莲子草的含量为9-11重量份。
在所述除藻剂中，水的含量可以根据应用过程以及制备过程的需要而进行适当调整。为了使得该除藻剂具有优异的除藻效果，在优选情况下，水的含量使得本发明的除藻剂以悬浊液的形式存在。优选地，在悬浊液形式的所述除藻剂中，以所述除藻剂的总重量为基准，HCl、喜旱莲子草和膨胀蛭石的总含量为1.0-2.0重量％，水的含量为98.0-99.0重量％。
在所述除藻剂中，所述喜旱莲子草可以是喜旱莲子草植株上的任何一个部位，也可以是任何生长周期中任何一种喜旱莲子草，如生长期或休眠期中的喜旱莲子草。但为了获得出早效果更加优异的除藻剂，优选地，喜旱莲子草的原料选自生长期的喜旱莲子草植株。
另外，本发明中的粉末状的喜旱莲子草是通过将生长期的喜旱莲子草植用蒸馏水洗净并剪碎，然后将其在80-100℃下烘干至恒重并研磨至200目以下过筛取得。
本发明还提供了一种基于喜旱莲子草的除藻剂的制备方法，其中，该方法包括将HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水进行混合；其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。
在本发明中提供的制备方法中，所述喜旱莲子草的粒径大于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm均能够获得除藻效果优异的除藻剂，但是为了同通过调整喜旱莲子草和/或膨胀蛭石的粒径使得除藻剂的除藻效果得到进一步提高，在上述优选实施方式中，为了使所述膨胀蛭石的粒径满足本发明的要求，在将所述膨胀蛭石与所述混合溶液混合之前，优选将粒径较大的膨胀蛭石和/或喜旱莲子草进行磨碎和筛分，以获得粒径小于100μm(优选小于75μm)的膨胀蛭石；并且/或者所述喜旱莲子草的粒径为100-200目。
在本发明提供的除藻剂的制备方法中，各组分的含量可以在宽的范围内选择，但为了使得该除藻剂能够具有更优异的除藻效果，优选地，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，HCl的用量为7-16重量份，所述喜旱莲子草的用量为7-13重量份。为了进一步提高除藻剂的除藻效果，更优选地，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，HCl的用量为10-14重量份，喜旱莲子草的用量为9-11重量份。
根据本发明的除藻剂的制备方法的一种优选实施方式，将HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水进行混合的过程包括如下步骤：
(1)将0.5-2.0重量％的盐酸溶液与喜旱莲子草混合，得到混合溶液；
(2)将所述膨胀蛭石与所述混合溶液混合。
在所述除藻剂的制备方法中，优选地，水的用量使得制备的除藻剂为悬浊液的形式；优选地，在该悬浊液的形式的除藻剂中，HCl、喜旱莲子草和膨胀蛭石的总含量为1.0-2.0重量％，水的含量为98.0-99.0重量％。
本发明还提供了上述除藻剂在净化水质的过程中的应用。
在采用本发明的除藻剂进行净化水质的过程中，所述除藻剂的用量可以根据本领域常规的除藻工艺进行确定和选择。优选地，待处理水体与除藻剂的用量的体积比为100：3-10，更优选为100：5-6。
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将生长期的喜旱莲子草植株洗净并剪碎，然后在80℃下烘干至恒重并研磨，过200目筛得到粉末状的喜旱莲子草。
将10ml浓度为1重量％的盐酸溶液与100mg的平均粒径为200目的喜旱莲子草均匀混合并浸泡30min，然后用水定容至100ml，得到混合溶液。
将膨胀蛭石破碎并筛分，得到粒径小于75μm的膨胀蛭石。将1g粒径小于75μm的膨胀蛭石加入上述混合溶液中，搅拌至均匀混合后，得到本发明的除藻剂A1。
实施例2
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的膨胀蛭石的用量为0.9g，得到本发明的除藻剂A2。
实施例3
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的膨胀蛭石的用量为1.1g，得到本发明的除藻剂A3。
实施例4
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的喜旱莲子草的平均粒径为100目，得到本发明的除藻剂A4。
实施例5
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的喜旱莲子草的平均粒径为200目，得到本发明的除藻剂A5。
实施例6
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的喜旱莲子草的平均粒径为250目，得到本发明的除藻剂A6。
实施例7
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的膨胀蛭石的用量为0.8g，得到本发明的除藻剂A7。
实施例8
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的膨胀蛭石的用量为1.4g，得到本发明的除藻剂A8。
实施例9
按照实施例1的方法进行，所不同的是，粉末状的膨胀蛭石的平均粒径为90μm，得到本发明的除藻剂A9。
对比例1
按照实施例1的方法进行得到除藻剂B1，所不同的是，不含有HCl。
对比例2
按照实施例1的方法进行得到除藻剂B2，所不同的是，不含有粉末状的喜旱莲子草。
对比例3
按照实施例1的方法进行得到除藻剂B3，所不同的是，不含有粉末状的膨胀蛭石。
对比例4
按照实施例1的方法进行得到除藻剂B4，所不同的是，粉末状的膨胀蛭石的粒径为150μm。
对比例5
按照实施例1的方法进行得到除藻剂B5，所不同的是，粉末状的喜旱莲子草的粒径为50目。
检测例1
取培养了7d的铜绿微囊藻液800ml，均分为两组(处理组A和对照组B)，每组各400ml，记录其藻浓度，温度以及pH。对照组B中加入蒸馏水20ml，同时向处理组A中加入20ml除藻剂A1，使加入的除藻剂与藻液的体积比为5:100，3h后分别记录各组中藻细胞浓度，计算3h除藻率。
除藻率＝(对照组B藻细胞数目-处理组A藻细胞数目)/对照组B藻细胞数目×100％
检测效果如图1和图2所示，其中，图1是3h后处理组A和对照组B中的藻液对比图，由该图得知，3h后处理组A中的藻液中的铜绿微囊藻几乎完全被去除；图2是除藻剂A1的3h除藻率统计图，由该图可知除藻剂A1的除藻率可高达99.9％。
同样利用上述方法对除藻剂A2-A9和除藻剂B1-B5进行除藻率检测，检测结果见表1和表2。
表1
| 除藻剂 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | A7 | A8 | A9 |
| 除藻率/％ | 99.9 | 99.8 | 99.9 | 99.8 | 99.8 | 99.2 | 99.1 | 99.3 | 99.4 |
表2
| 除藻剂 | B1 | B2 | B3 | B4 | B5 |
| 除藻率/％ | 70.1 | 78.8 | 59.4 | 66.2 | 61.7 |
除藻剂A1在加入上述处理组A中0-15min内的具体除藻过程见图3，由图3可知，在3min左右，除藻剂A1便能有效地去除处理组A中的铜绿微囊藻。为了进一步观察除藻过程，使用显微成像对除藻过程进行检测，该显微成像检测是通过BM-100C生物显微镜(安徽奥特光学仪器厂)检测完成，检测结果见图4-图6。图4-图6分别是除藻剂A1在加入上述处理组A中0min、1.5min和15min的显微成像图，图4中的L图是显微成像图，M图是处理组A中铜绿微囊藻液，由此显示出处理组A中分布有大量的铜绿微囊藻。图5中的L图是处理组A在加入除藻剂A1后1.5min时上层液的显微成像图，R图是此时处理组A下层液的显微成像图，M图是处理组A中铜绿微囊藻液，由此显示出再1.5min时处理组A中铜绿微囊藻开始出现凝絮。图6中的L图是处理组A在加入除藻剂A1后15min时上层液的显微成像图，R图是此时处理组A下层液的显微成像图，M图是处理组A中铜绿微囊藻液，由此显示出再15min时处理组A中铜绿微囊藻凝絮的比较完全。
检测例2
通过HitachiS-4800扫描电镜(日本日立公司)对粉末状的喜旱莲子草和实施例1中混合溶液中的喜旱莲子草进行检测，检测结果见图7，其中，图7中的左图为粉末状的喜旱莲子草的SEM图，右图为实施例1中混合溶液中的喜旱莲子草的SEM图。由图7可知，酸化后的喜旱莲子草结构更加疏松，具有更多的孔隙。
同样通过HitachiS-4800扫描电镜(日本日立公司)对粉末状的膨胀蛭石以及除藻剂A1中的膨胀蛭石进行检测，检测结果见图8，其中，图8中的左图为粉末状的膨胀蛭石的SEM图，右图为除藻剂A1中的膨胀蛭石的SEM图。由图8可知，除藻剂A1中的膨胀蛭石的表面被盐酸改性的喜旱莲子草包覆。
检测例3
通过HitachiS-4800扫描电镜(日本日立公司)对处理组A未添加除藻剂A1时铜绿微囊藻细胞以及添加除藻剂A1后铜绿微囊藻细胞进行检测，检测结果见图9-11。其中，图9是处理组A未添加除藻剂A1时铜绿微囊藻细胞的SEM图，由图可知未经处理的铜绿微囊藻细胞分散存在于藻液中且藻细胞表面光滑。图10是添加除藻剂A11min后处理组A中的铜绿微囊藻细胞的SEM图，由图可知，在藻液中投加除藻剂后，藻细胞会很快被除藻剂凝聚形成絮体，此时藻细胞表面依然光滑。图11是添加除藻剂A16h后处理组A中的铜绿微囊藻细胞的SEM图，由图可知，藻细胞表面形态由光滑变为粗糙，这很有可能是在除藻剂的作用下，铜绿微囊藻细胞内部组分变化或藻细胞膜破裂而导致的。
应用例
取培养了13天的铜绿微囊藻，分为8份，分别用不同量的942培养基稀释，得到具有浓度梯度的铜绿微囊藻系列(942培养基由稀释10倍的942母液得到，942母液配方见表3)。向8个锥形瓶分别添加100ml上述8份铜绿微囊藻液，同时均加入5ml除藻剂A1，用玻璃棒搅拌均匀，3h后测定8个铜绿微囊藻密度，计算其除藻率，结果见表4。
表3
表4
由表3可知，本发明提供的除藻剂A1对藻细胞浓度在1.2×1010-1.45×1010cell/L的藻液具有优异的除藻能力。
综上可知，经过喜旱莲子草改性后的悬浊液状的膨胀蛭石浆，即除藻剂，对有海害藻类有着较高絮凝去除效果。不仅，形成絮体所用的时间更短，絮体稳定、易聚集沉淀，水体接近无叶绿素，浊度急剧下降，水体变得透明；同时，除藻效率高，由相关数据可知对有害藻类的去除率高达99.9％。
Claims (18)
1.一种基于喜旱莲子草的除藻剂，其特征在于，该除藻剂含有HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水；其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。
2.根据权利要求1所述的基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，所述膨胀蛭石的粒径小于75μm。
3.根据权利要求1所述的基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，所述喜旱莲子草的粒径为100-200目。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，所述HCl的含量为7-16重量份，所述喜旱莲子草的含量为7-13重量份。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，所述HCl的含量为10-14重量份，喜旱莲子草的含量为9-11重量份。
6.根据权利要求1-3中的任意一项所述的基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，所述除藻剂以悬浊液的形式存在。
7.根据权利要求1-3中的任意一项所述的基于喜旱莲子草的除藻剂，其中，以所述除藻剂的总重量为基准，所述HCl、喜旱莲子草和膨胀蛭石的总含量为1.0-2.0重量％，所述水的含量为98.0-99.0重量％。
8.一种基于喜旱莲子草的除藻剂的制备方法，其特征在于，该方法包括将HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水进行混合，其中，所述喜旱莲子草的粒径不小于100目，所述膨胀蛭石的粒径小于100μm。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述膨胀蛭石的粒径小于75μm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其中，所述喜旱莲子草的粒径为100-200目。
11.根据权利要求8-10中任意一项所述的制备方法，其中，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，所述HCl的用量为7-16重量份，所述喜旱莲子草的用量为7-13重量份。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其中，相对于100重量份的所述膨胀蛭石，所述HCl的用量为10-14重量份，所述喜旱莲子草的用量为9-11重量份。
13.根据权利要求8-10中任意一项所述的制备方法，其中，将所述HCl、粉末状的喜旱莲子草、膨胀蛭石和水进行混合的过程包括如下步骤：
(1)将0.5-2.0重量％的盐酸溶液与所述喜旱莲子草混合，得到混合溶液；
(2)将所述膨胀蛭石与所述混合溶液混合。
14.根据权利要求8-10中任意一项所述的制备方法，其中，水的用量使得制备的除藻剂为悬浊液的形式。
15.根据权利要求8-10中任意一项所述的制备方法，其中，在以悬浊液的形式存在的除藻剂中，所述HCl、喜旱莲子草和膨胀蛭石的总含量为1.0-2.0重量％，所述水的含量为98.0-99.0重量％。
16.根据权利要求1-7中任意一项所述的除藻剂在净化水质过程中的应用。
17.根据权利要求16所述的除藻剂在净化水质过程中的应用，其中，待处理水体与所述除藻剂的用量的体积比为100：3-10。
18.根据权利要求17所述的除藻剂在净化水质过程中的应用，其中，待处理水体与所述除藻剂的用量的体积比为100：5-6。
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