CN108128867B - 一种提高粘土治理有害藻华效率的超声改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有害藻华防控技术领域，具体地说是一种使用超声波强化增效的方式提高粘土治理有害藻华效率的方法。将粘土粉与溶剂混合成悬浊液，采用一定功率和频率组合的超声波对悬浊液进行超声处理，可以针对有害藻华生物个体大小制备特定粒径的超声改性粘土，从而有效提高粘土矿物消除藻华生物效率。本发明操作流程简便，改性过程无其他添加剂或杂质加入，与未改性的粘土矿物相比，去除有害藻华的能力得到明显的提升，并且制备的超声改性粘土矿物无毒害，无二次污染。

Description

一种提高粘土治理有害藻华效率的超声改性方法
技术领域
本发明属于有害藻华防控技术领域,具体地说是一种使用超声波强化增效的方式提高粘土治理有害藻华效率的方法。
背景技术
有害藻华是一种水生藻类通过产生藻毒素或增加生物量，影响其他生物生长和正常食物链结构，危害生态环境和人类健康的异常生态现象。有害藻华生物通过产排毒素、损伤水生生物鰓组织、污染水体理化环境等方式对水生生物的生存构成影响，进而影响海水养殖、破坏海洋生态系统与环境健康，甚至直接危害人体健康。近年来，产生严重危害的有害藻华现象频泛出现；与此同时，一些新出现的有害藻华致灾生物种则进一步增加了有害藻华治理的难度。
迄今为止，已报到的有害藻华治理方法可以分为物理法、生物法、化学法、粘土矿物絮凝法等。物理法主要通过打捞、隔离、裂解等手段直接除藻，基本不会产生二次污染，操作也简单，但成本高，仅适用于小范围应急处理。生物法主要通过微生物的寄生、水生生物的摄食等方式杀死有害藻华生物，该方法同样不会产生二次污染，但实施难度大，成本较高，并且可能带来外来物种入侵的问题，另外摄食有毒藻类的生物体内还会产生毒素积累。化学法主要是向水体中投加化学试剂，抑制有害藻华生物生长或者直接杀死有害藻华生物，部分化学试剂还具有絮凝藻体沉降的作用，化学法的操作简单，并且见效快，但是容易导致二次污染，部分化学试剂对其他水生生物的生长和生存也会构成威胁，并且杀死有毒藻类导致藻体破裂也会向水体释放毒素。粘土矿物絮凝法是通过向水体投加粘土矿物，与有害藻华生物一同絮凝沉降，还具有一定的杀灭效果，粘土矿物法的操作简便，不会产生二次污染，成本低廉，并且粘土矿物来源广泛，但对部分有害藻华生物的去除效果不明显。
适合有害藻华治理的方法要求具备应用时见效快、不产生二次污染、成本低、原料易获取等，因此绝大多数现有方法不符合上述要求。粘土矿物絮凝法是具备可以开发应用的少数方法之一。自上世纪七十年代开始，针对粘土矿物法的研究就开始了，并取得了一定的效果；但在实践过程中发现需要粘土的用量较高，会导致淤渣量过大的问题，如何在保持去除效果的前提下减少粘土的用量成为了人们关注的问题。针对该问题，上世纪九十年代中国科学院海洋研究所俞志明研究员提出了利用粘土表面改性技术提高去除效率的粘土表面改性理论(Yu et al.1994a，1994b，1995)。在此理论指导下，制备出的PAC改性粘土(俞志明等，1994c)，大大提高了去除藻华生物的效率，进而减少了粘土的用量。在此之后，粘土矿物絮凝法的研究重点就是通过新的改性手段提高藻华生物的去除效率。已有研究主要关注了化学改性剂的研发，但对物理改性手段的研究报道仍然较少。
发明内容
本发明提供了一种提高粘土治理有害藻华效率的超声改性方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种提高粘土治理有害藻华效率的超声改性方法，对粘土悬浮液进行超声空化处理，使其通过机械效应将粘土颗粒定向快速破碎，并通过化学效应使粘土的表面电位改变，而后将处理后加入至待处理藻华环境下，使得粘土矿物消除藻华生物。
将粘土经蒸馏水或海水配置成浓度为1g/L—100g/L的悬浮液，而后对其进行连续或间歇式的超声空化处理，使其达到粒度分布的中值粒径为1μm-10μm的改性粘土，处理后加入至待处理藻华环境下，使得粘土矿物消除藻华生物。
所述超声空化处理条件为超声时间为1s-7200s、超声频率为优选20KHz～40KHz、超声功率为10W-900W。
所述超声空化处理条件为超声频率为20KHz-25KHz、超声功率为270W-450W。
所述粘土矿物为具备层状结晶构造的硅酸盐矿物。
所述粘土矿物为高岭土、蒙脱石、蒙脱土皂石或铿蒙脱石。
所述间歇式的超声空化处理超声连续工作时间on值为1s—60s，脉冲间隔时间off值为1s—30s。
所述超声发生装置包括但不限于超声波细胞破碎仪、超声波清洗仪、超声波分散仪等。
所述超声处理既可以采用连续式超声操作也可以采用间歇式超声操作。
本发明所具有的优点：
本发明方法中将粘土矿物和溶剂混合均匀，然后通过超声空化对粘土矿物进行改性，操作简便，不需要其他的附加试剂，而且没有二次污染、环保、简便，超声改性后粘土絮凝效果增强。
通过本发明方法对粘土矿物的超声改性，使液体中的微小泡核在声波作用下被激活，表现为泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列动力学过程。声与液体媒介相互作用会产生伴随效应，可有效提高粘土矿物去除有害藻华生物的能力。针对有害藻华生物个体大小，采用预设功率和频率组合的超声波对粘土悬浊液进行超声处理，得到特定粒径谱的超声改性粘土。
附图说明
图1为本发明实施例提供的超声改性时间变化对高岭土去除效率的影响图。
图2为本发明实施例提供的超声改性时间变化对高岭土粒度分布的影响图。
图3为本发明实施例提供的超声改性功率变化对高岭土去除效率的影响图。
图4为本发明实施例提供的超声改性功率变化对高岭土粒度分布的影响图。
图5为本发明实施例提供的溶剂改变对超声改性效果的影响图。
图6为本发明实施例提供的超声改性时间变化对蒙脱土去除效率的影响图。
图7为本发明实施例提供的超声改性时间变化对膨润土去除效率的影响图。
具体实施方式
下面通过实施例说明本发明。
本发明采用超声改性，可通过调节超声功率与频率将粘土矿物定向粉碎，得到特定粒径谱的超声改性粘土。超声空化产生的机械效应和化学效应对粘土矿物作用，超声空化的机械效应可将粘土颗粒快速破碎，通过调节超声功率，可将粘土颗粒破碎与藻细胞大小接近的较小颗粒，有利于藻细胞与粘土颗粒结合。粘土粒径变小，颗粒沉降速度减缓，粘土与藻细胞反应时间更加充分，比表面积增大，促进藻类与粘土的絮凝反应，提供更多的结合位点，同时还可以将粘土颗粒表面的细小残渣去除，使粘土与藻类更容易结合。所采用的超声空化的化学效应可以改变粘土表面电位，进而提高粘土对藻细胞的絮凝能力。超声改性是一种物理改性手段，采用普通的超声波发生装置和调节装置就可以进行粘土矿物的超声改性，设备简单、工艺流程比较少，而且超声处理通过液体的超声空化来实现，不需要附加其它化学试剂，也不需要其它特殊的处理环境，不会产生二次污染。
实施例1
称取0.5g高岭土粉末12份，分别加入到20ml灭菌海水中，得到12份浓度为25g/L的高岭土储备液，对其进行超声处理，超声功率为360W，超声时间分别为0、0.5min、1min、2min、5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、120min，得到12份不同的改性高岭土储备液。取处于指数生长期的东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)藻液(藻细胞密度达4×105cell/mL)至50mL试管中。在藻液中分别添加不同的改性高岭土储备液，使其浓度为1.0g/L，摇匀，静置3小时后测量其除藻效率。结果表明超声改性时间越长，高岭土的去除效率越高(参见图1)。
实施例2
如实施例1所述，测定上述不同改性高岭土的粒度分布，将改性高岭土储备液加入到激光粒度仪中，测量其粒度分布。结果表明超声时间越长，高岭土的颗粒越小，也更加均匀(参见图2)。
实施例3
称取0.5g高岭土粉末7份，分别加入到20ml灭菌海水中，得到12份浓度为25g/L的高岭土储备液，对其进行超声处理，超声时间为15min，超声功率分别为0、90W、180W、270W、360W、450W、540W，得到7份不同的改性高岭土储备液。取处于指数生长期的东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)藻液(藻细胞密度达4×105cell/mL)和球形棕囊藻(藻细胞密度达1×106cell/mL)藻液至50mL试管中。在藻液中分别添加不同的改性高岭土储备液，使其浓度为1.0g/L，摇匀，静置3小时和5小时后测量其除藻效率。结果表明对于不同的藻，可调节到合适的功率，使去除效果更佳(参见图3)。
实施例4
如实施例1所述，测定上述不同改性高岭土的粒度分布，将改性高岭土储备液加入到激光粒度仪中，测量其粒度分布。结果表明超声功率越高，高岭土的颗粒越小，也更加均匀(参见图4)。
实施例5
称取0.5g高岭土粉末8份，分别加入到20ml蒸馏水中，得到8份浓度为25g/L的高岭土储备液，对其进行超声处理，超声功率为360W，超声时间分别为0、0.5min、1min、2min、5min、10min、15min、20min，得到8份不同的改性高岭土储备液。取处于指数生长期的东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)藻液(藻细胞密度达4×105cell/mL)至50mL试管中。在藻液中分别添加不同的改性高岭土储备液，使其浓度为1.0g/L，摇匀，静置3小时后测量其除藻效率。结果表明溶剂的改变不影响超声改性的效果，以蒸馏水为溶剂时，依然是超声改性时间越长，粘土的去除效率越高(参见图5)。
实施例6
称取0.5g蒙脱土粉末8份，分别加入到20ml灭菌海水中，得到12份浓度为25g/L的蒙脱土储备液，对其进行超声处理，超声功率为360W，超声时间分别为0、0.5min、1min、2min、5min、10min、15min，得到8份不同的改性蒙脱土储备液。取处于指数生长期的东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)藻液(藻细胞密度达4×105cell/mL)至50mL试管中。在藻液中分别添加不同的改性蒙脱土储备液，使其浓度为1.0g/L，摇匀，静置3小时后测量其除藻效率。结果表明超声改性时间越长，蒙脱土的去除效率越高(参见图6)。
实施例7
称取0.5g膨润土粉末8份，分别加入到20ml灭菌海水中，得到12份浓度为25g/L的膨润土储备液，对其进行超声处理，超声功率为360W，超声时间分别为0、0.5min、1min、2min、5min、10min、15min，得到8份不同的改性膨润土储备液。取处于指数生长期的东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)藻液(藻细胞密度达4×105cell/mL)至50mL试管中。在藻液中分别添加不同的改性膨润土储备液，使其浓度为1.0g/L，摇匀，静置3小时后测量其除藻效率。结果表明，超声改性对膨润土具有较好的改性效果，并且超声改性时间越长，膨润土的去除效率越高(参见图7)。

Claims (4)

1.一种提高粘土治理有害藻华效率的超声改性方法，其特征在于：将粘土经蒸馏水或海水配置成浓度为1g/L—100g/L的悬浮液，而后对其进行连续或间歇式的超声空化处理，使其通过机械效应将粘土颗粒定向快速破碎，并通过化学效应使粘土的表面电位改变，使其达到粒度分布的中值粒径为1μm-10μm的改性粘土，处理后加入至待处理藻华环境下，使得粘土矿物消除藻华生物；
所述超声空化处理条件为超声时间为1s-7200s、超声频率为20KHz-25KHz、超声功率为270W-450W。
2.按权利要求1所述的提高粘土治理有害藻华效率的超声改性方法，其特征在于：所述粘土矿物为具备层状结晶构造的硅酸盐矿物。
3.按权利要求1所述的提高粘土治理有害藻华效率 的超声改性 方法，其特征在于：所述粘土矿物为高岭土、蒙脱石、蒙脱土皂石或铿蒙脱石。
4.按权利要求1所述的提高粘土治理有害藻华效率的超声改性方法，其特征在于：所述间歇式的超声空化处理超声连续工作时间on值为1s—60s，脉冲间隔时间off值为1s—30s。
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