CN108728365A - 一种适用于宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法 - Google Patents
一种适用于宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种利用两性有机高分子絮凝剂复配阳离子絮凝剂在宽盐度条件下高效地絮凝收获微藻的方法，属于环境保护技术领域。本方法在水体盐度0‰到50‰的范围内均能对微藻实现有效的絮凝收获，且絮凝效率随盐度变化较小，在絮凝剂剂量为微藻干重的0.3％～15％时，对微藻的最大絮凝收获效率达99％以上。相对于传统絮凝剂，本方法使用简单，藻絮凝效率高，絮体粒径更大、更紧实有利于后期的藻絮体收获，絮凝剂用量更少、成本更低，具有显著的抗盐特性。该方法适用于较宽盐度条件下，对人工养殖微藻或自然水体(湖泊、水库和海洋等)中的微藻进行高效絮凝收获，为微藻收获领域提供关键技术。
Description
技术领域：
本发明涉及宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法，属于环境保护技术领域，具体涉及利用两性高分子絮凝剂和阳离子型絮凝剂复配使用可以在较宽盐度(0-50‰)水体或水溶液中高效絮收获凝微藻细胞，为微藻收获领域提供关键技术方法。
背景技术：
微藻是一些单细胞藻类，具有环境适应能力强、生长周期短、生物量高等特点，是一种十分理想的绿色能源原料。人工微藻养殖和自然水体中的微藻都是收获微藻的重要来源。其中微藻养殖已经被广泛地应用于能源、食品、饲料和制药等领域，养殖的微藻种类包括淡水藻和海水藻；同时微藻也广泛的生长于不同盐度的自然水体(淡水湖泊，咸水湖泊，滨海混盐水体以及海洋)，尤其是当自然水体水华爆发时，微藻的生物量急剧增大，如果能将这部分微藻收获，既能缓解藻华的危害，又能实现微藻的资源化。在众多微藻收获方法中，絮凝收获微藻是一种经济高效的收获方法。
水体的理化性质是影响絮凝收获微藻效率的重要因素，其中水体的盐度变化通过影响絮凝剂的性能对影响微藻收获的效率和稳定性。由于无论人工微藻养殖，还是生长于淡水湖泊、咸水湖泊以及海洋等自然水体中的微藻，都既有淡水藻又有海水藻，这些藻溶液处于一个较宽的盐度条件下，目前还没有一种适用于宽盐度条件下高效絮凝微藻的方法。因此亟待需要寻找一种在宽盐度条件下高效稳定絮凝收获微藻的方法，其中絮凝剂的选择是絮凝收获微藻方法的核心，因此寻找一种耐盐的的絮凝剂或絮凝剂组合是解决盐度影响微藻絮凝效率问题的关键。
目前应用中常见的絮凝剂主要分为两类，有机絮凝剂与无机絮凝剂。常见的无机絮凝剂多为铝盐和铁盐，例如聚合氯化铝(PAC)、氯化铁、聚合氯化铝铁、聚硅酸硫酸铝以及混合金属层状氢氧化物(MMH)等。这类絮凝剂主要通过电中和作用使得藻细胞脱稳，通过碰撞聚集成藻絮体。这类絮凝剂能有效的对藻细胞进行絮凝，但是也存在许多缺陷。例如，仅有电中和作用形成的絮体往往较小且易碎,为收获增加困难；随着盐度的增大，单独使用时剂量较高，需要较大的剂量才能达到理想的絮凝效率，残留的过量金属离子会增大后续水处理成本同时在天然水体中使用时也容易引起饮用水安全等问题。常见的有机絮凝剂中天然有机高分子改性剂应用更加广泛，主要有壳聚糖、阳离子淀粉、辣木籽素以及黄原胶等。这类改性剂通过网捕架桥的作用，使得形成的絮体粒径更大、较为紧实且不易破碎。但是这类改性剂电荷密度较低，对盐度十分敏感，不适用于高盐度水体藻絮凝，难以利用在海藻收获等领域。原因是因为高盐度水体的离子强度较高，阳离子改性剂的高分子链在高离子强度下回被压缩不能很好的展开，因此也就失去了网捕架桥的能力。使得这类改性剂在高盐度水体中的藻絮凝效率会有很大下降，且用量也会增大，大大增加了使用成本。
因此解决盐度影响絮凝剂絮凝收获微藻效率的关键是寻找到一种能在宽盐度条件依然保持良好分子链展开，发挥网捕架桥作用的絮凝剂。两性高分子絮凝剂由于其具有反聚电解质效应，使得其在高盐度条件下依然能保持很好的链展开，发挥网捕架桥的作用。将两性高分子絮凝剂与阳离子絮凝剂复配使用，两性高分子絮凝剂发挥网捕架桥的作用，阳离子絮凝剂发挥电中和的作用，通过二者的协同的作用，可以在宽盐度条件下实现对微藻的高效絮凝收获。相对于传统的絮凝方法，本方法使用方法简单，适用于人工养殖微藻和自然水体微藻絮凝收获，藻絮凝效率高，絮体粒径更大、更紧实有利于后期的藻絮体收获，絮凝剂使用量更少、成本更低，具有显著的抗盐特性，相关专利还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全可靠、用量较低、高效的能在宽盐度下实现藻类高效絮凝的方法。具体地说就是使用两性高分子絮凝剂复配阳离子絮凝剂，复配使用的阳离子絮凝剂发挥电中和的作用使得藻细胞脱稳形成小絮体，两性高分子絮凝剂由于其反聚电解质效应能在高盐度水体下依然保持很好的分子链展开并发挥网捕架桥的作用使得小絮体成长为更加紧实的大絮体，两者发挥协同作用从而实现在较宽盐度条件下对微藻的高效絮凝。
本发明的技术方案是：
为实现本发明专利之目的，将采用以下技术方案：
一种适用于较宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法包括以下步骤：
(1)测定藻溶液的藻密度；
(2)向藻溶液中加入两性高分子絮凝剂和阳离子型絮凝剂，比例为A1:B1，
调节藻溶液的pH为5～11，机械搅拌，速率为40～300转/分钟；
(3)絮体持续成长并沉降10～60分钟，微藻絮体沉降到絮凝罐底部；
(4)将絮凝收集的藻絮体脱水，干燥。
如上述方法，优选地，所述方法包括如下步骤：
(1)测定藻溶液的藻密度；
(2)向藻溶液中加入两性高分子絮凝剂和阳离子型絮凝剂，比例为Ax:By(二者的比值根据实际情况确定的最优比值)，调节藻溶液的pH为6～10，机械搅拌，速率为300转/分钟持续1分钟，40转/分钟持续10分钟；
(3)絮体持续成长并沉降20～40分钟，微藻絮体沉降到絮凝罐底部；将絮凝收集的藻絮体脱水，干燥。
如上面所述一种适用于宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法，其特征在于：所用的藻溶液可以是人工培养的藻溶液，也可为含有微藻细胞的自然水体(淡水湖泊，盐水湖泊以及海洋)。溶液的藻浓度范围为1*107cells·L-1～1*1012cells·L-1，盐度范围为0‰～50‰。
如上面所述一种适用于宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法，其特征在于：两性高分子絮凝剂和阳离子絮凝剂分别配置成水溶液，然后加入藻溶液中，絮凝剂的用量为微藻干重的0.3％～15％，其比例根据实际要求自由调配，比例范围在1:5到5:1之间，通过加入不用剂量的絮凝剂能实现对微藻中50％～99％的微藻的有效收获。
如上面所述一种适用于宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法，其特征在于：所用的两性高分子絮凝剂可为人工合成的两性高分子或者天然有机高分子改性合成的两性高分子。
如上面所述一种适用于较宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法，其特征在于：所用的阳离子絮凝剂为有机阳离子絮凝剂或无机阳离子絮凝剂。
有益效果
本方法能安全地、高效地实现在较宽盐度条件下对淡水藻及海水藻的高效絮凝，在絮凝剂最佳用量下其絮凝效率达到99％。本方法使用方法简单，藻絮凝效率高，絮体粒径更大、更紧实有利于后期的藻絮体收获，絮凝剂使用量更少、成本更低，具有显著的抗盐特性，适用于较宽盐度条件下高效絮凝收获藻类。
附图说明
附图1两性淀粉的红外谱图
附图2该方法对铜绿微囊藻藻溶液的絮凝效率
附图3盐度对该方法藻絮凝效率的影响
附图4该方法对海水小球藻溶液的絮凝效率
附图5粒径测定装置图
附图6该方法絮凝藻溶液的粒径变化图
具体实施方式
实施例1
淡水铜绿微囊藻的絮凝收获
步骤1：藻浓度的测定
取铜绿微囊藻溶液进行藻浓度测定，藻浓度检测方面采用血球板计数法，具体操作如下取水样根据浓度适度稀释，取稀释后藻液在电动显微镜(Axioskop 2mot plus,卡尔蔡司,德国)下计数，每个样品计数3次，取平均值。测定结果铜绿微囊藻的藻浓度为8.2×109cell/L。
步骤2：两性淀粉的合成
首先准确称取0.5g NaOH和2g GTA加入300mL烧杯中，加入100mL去离子水并在磁力搅拌下溶解。然后加入准确称取的10g玉米淀粉，在75℃的恒温水浴下持续搅拌半个小时。将烧杯放入微波反应器中，反应功率设定为750W，反应每隔两分钟暂停一下，防止发生沸腾，反应时间大约进行十分钟后，直到生成粘性胶状物质停止。加入50mL溶解有2g NaOH的水溶液，70℃水浴下搅拌混合，然后加入2g的氯乙酸，持续搅拌直到完全混合。再将烧杯放置于微波反应器中，反应功率设定为750W，反应每隔两分钟暂停一下，防止发生沸腾，反应时间大约进行十分钟后，直到生成粘性胶状物质停止。将烧杯去除，冷却至室温后，加入150mL无水丙酮，搅拌下生成沉淀，抽滤并用无水乙醇洗涤三次，将产物放置于真空干燥箱中在50℃下干燥五个小时。最后将产物去除，研磨成粉末以备后续实验使用。通过凯氏定氮法和碱性滴定法被用来测定两性淀粉的阴阳离子取代度，其阳离子取代度为0.17，阴离子取代度为0.18。产品的红外谱图如图1。
步骤3絮凝收获微藻
将100L铜绿微囊藻溶液将入絮凝搅拌器中，温度为25℃，调节藻液pH为7～8，加入100mg的两性淀粉和200mg的聚合氯化铝，机械搅拌，转速300转/分钟持续1分钟，转速为40转/分钟持续10分钟。絮凝试验结束以后保持烧杯静置，分别在0、5、10、20、30和60分钟时，于液面2cm下小心吸取溶液进行藻浓度检测，结果如图2所示。藻的絮凝去除效率在10分钟以后达到99.9％，因此可在静置15分钟后，藻絮体自然沉降到絮凝罐底部时，收集藻絮体，脱水，干燥，称重，收获率99％。
实施例2
盐度对藻絮凝效率的影响
步骤1：藻浓度的测定
取铜绿微囊藻溶液进行藻浓度测定，藻浓度检测方面采用血球板计数法，具体操作如下取水样根据浓度适度稀释，取稀释后藻液在电动显微镜(Axioskop 2mot plus,卡尔蔡司,德国)下计数，每个样品计数3次，取平均值。测定结果铜绿微囊藻的藻浓度为8.2×109cell/L。
步骤2：具有一定盐度梯度藻溶液的配置
通过加入NaCl，调整藻溶液的盐度，配置成一系列盐度从0‰～20‰的铜绿微囊藻溶液。
步骤3:藻絮凝效率的测定
将不同盐度的200mL藻溶液加入300mL烧杯中，温度为25℃，调节藻液pH为7～8，分别加入0.2mg两性淀粉和0.4mg的聚合氯化铝，在六联搅拌器(ZR3-6,深圳中润水工业科技发展有限公司,中国)上进行絮凝搅拌。搅拌程序为300转/分钟持续1分钟，40转/分钟持续10分钟，絮凝结束以后保持静止，分别在0、5、10、20、30和60分钟时，于液面2cm下小心吸取溶液进行藻浓度检测，结果如图3所示。随着盐度的增长，藻絮凝去除效率略有下降，但依然保持在90％以上。
实施例3
海水小球藻的絮凝收获
步骤1：藻浓度的测定
取海水小球藻溶液进行藻浓度测定，藻浓度检测方面采用血球板计数法，具体操作如下取水样根据浓度适度稀释，取稀释后藻液在电动显微镜(Axioskop 2mot plus,卡尔蔡司,德国)下计数，每个样品计数3次，取平均值。测定结果海水小球藻的藻浓度为7.8×109cell/L。海水小球藻溶液的盐度大约为33‰。
步骤2絮凝收获微藻
将100L海水小球藻溶液将入絮凝搅拌器中，温度为25℃，调节藻液pH为7～8，加入200mg的两性淀粉和400mg的聚合氯化铝，机械搅拌，转速300转/分钟持续1分钟，转速为40转/分钟持续10分钟。絮凝试验结束以后保持烧杯静置，分别在0、5、10、20、30和60分钟时，于液面2cm下小心吸取溶液进行藻浓度检测，结果如图4所示。藻的絮凝去除效率在10分钟以后达到99.9％，因此可在静置15分钟后，藻絮体自然沉降到絮凝罐底部时，收集藻絮体，脱水，干燥，称重，收获率99％。
实施例4
藻絮体粒径测定
步骤1：藻浓度的测定
取铜绿微囊藻和海水小球藻溶液进行藻浓度测定，藻浓度检测方面采用血球板计数法，具体操作如下取水样根据浓度适度稀释，取稀释后藻液在电动显微镜(Axioskop2mot plus,卡尔蔡司,德国)下计数，每个样品计数3次，取平均值。测定结果铜绿微囊藻的藻浓度为7.8×109cell/，铜绿微囊藻的藻浓度为8.2×109cell/L。
步骤2：絮体粒径测定
在絮凝搅拌过程中(搅拌程序与絮凝试验相同)，藻液经蠕动泵(BT00-300M，保定兰格恒流泵有限公司，中国)进入激光粒度仪(Mastersizer 2000,马尔文，英国)的样品池进行絮体粒度测量。进样口与回样口相对布置，分别位于搅拌杯径向两端。进样口贴壁位于液面以下2cm处，回样口贴壁位于液面处。蠕动泵布置在样品池与回样口之间，以避免藻絮体在测定前被蠕动泵破碎，影响测定结果。蠕动泵的流量对絮体粒度的测定有一定影响，本实验控制在80mL min-1。激光粒度仪设定参数为：测量时间为15s，样品测量时间为10s，测定循环数调至最大99次。装置图如图5所示，测定结果如图6所示，铜绿微囊藻的藻絮体粒径最大达到1250μm，海水小球藻藻絮体粒径最大达到590μm。
Claims (8)
1.一种适用于较宽盐度条件下高效絮凝收获微藻的方法，其特征在于：通过两性有机高分子改性剂与阳离子型絮凝剂的复配使用，有效地在较宽盐度条件水体中高效絮凝收获微藻细胞，可以为微藻收获领域提供关键技术。
2.根据权利要求1所述的一种适用于较宽盐度条件下絮凝收获微藻的方法，其特征在于：两性有机高分子絮凝剂可为人工合成的两性有机高分子，也可以是将天然有机高分子改性得到的两性有机高分子改性剂；阳离子絮凝剂可为无机阳离子絮凝剂，也可为有机阳离子絮凝剂。
3.根据权利要求1所述的一种适用于较宽盐度条件下絮凝收获微藻的方法，其特征在于：依次向含藻溶液中加入配置好两性有机高分子改性剂与阳离子型絮凝剂的溶液，絮凝剂用量为微藻干重的0.3％～15％。
4.根据权利要求1所述的一种适用于较宽盐度条件下絮凝收获微藻的方法，其特征在于：两性高分子絮凝剂用量和阳离子絮凝剂用量比例根据实际需求进行调配，范围在1:5到5:1之间。
5.根据权利要求1所述的一种适用于较宽盐度条件下絮凝收获微藻的方法，其特征在于：该方法对微藻种类具有普适性，可以为人工培养的藻溶液，也可为含有微藻细胞的自然水体。
6.根据权利要求1所述的一种适用于较宽盐度条件下絮凝收获微藻的方法，其特征在于：含微藻水体或溶液的藻浓度范围为1*107cells·L-1～1*1012cells·L-1。
7.根据权利要求1所述的一种适用于宽盐度条件下絮凝收获微藻的方法，其特征在于：含微藻水体或溶液的盐度范围为0‰到50‰，pH范围为5～11。
8.根据权利要求1所述的一种适用于较宽盐度条件下絮凝收获微藻的方法，其特征在于：通过加入一定量的两性有机高分子絮凝剂和阳离子型絮凝剂，经过机械搅拌絮凝，能实现藻溶液中藻细胞50％～99％以上的有效絮凝收获。
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