CN109810903A - 益生藻生长促进剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种益生藻生长促进剂及其制备方法和应用。该益生藻生长促进剂的制备方法包括如下步骤：使用三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂通过溶胶凝胶法制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应，得到益生藻生长促进剂。上述益生藻生长促进剂能够很好地促进硅藻生长。
Description
技术领域
本发明涉及水体的治理领域，特别是涉及一种益生藻生长促进剂及其制备方法和应用。
背景技术
天然正常的水体具有均衡的营养物，包括氮、磷、钾等元素，水体中生长着土生有益藻类，使水体富含氧气，促进浮游动物和鱼虾的繁殖，形成健康的水生生态环境。随着工业化、城市化的发展，大量含氮、磷、钾的污染物排放到水体中，造成水体营养物失衡，导致水体中的土生有益藻类生长受到抑制，而有害藻，类如蓝藻爆发，蓝藻大规模生长过程中会释放藻毒素，而且死亡后还会造成水体腐败，严重危害水生态系统和饮用水安全。水体富营养化已影响到河流水库、养殖池塘、景观湖泊甚至海湾港湾，造成极大的经济损失和严重的社会影响。
目前，对水体富营养化水质的调控主要有原位修复法和异位修复法，原位修复法由于不需要额外占用土地面积收到了很多研究者的青睐。据报道，有研究发现通过向水体中添加絮凝剂可以有效控制蓝藻藻华的爆发，通过向水体中安放生物浮床也能有效改善水质和调整浮游植物群落结构。
硅藻是自然界常见的土生有益藻类，它能够吸收水体中的氮、磷而繁殖生长，而硅藻又是浮游动物和鱼虾很好的饵料，可有效实现氮、磷的转化和去除；另外，硅藻的生长与绿藻、蓝藻的生长存在竞争关系，可防止有害蓝藻、绿藻及水葫芦等疯长，通过此方法，富营养化水体(如河流、湖泊和海洋等)有望恢复正常的水生生物食物链和健康的生态环境。然而，富营养化水体具有硅藻生长所需的大量氮、磷元素，但缺乏微量元素，尤其是硅元素，限制了硅藻的生长，目前解决微量元素的方法通常当是向水体中投撒含有微量元素的生长促进剂，但是传统的生长促进剂促进硅藻生长的效果并不好，不能很好地实现富营养化水体的生物防治。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够很好地促进硅藻生长的益生藻生长促进剂的制备方法。
此外，还提供一种益生藻生长促进剂及其应用。
一种益生藻生长促进剂的制备方法，包括如下步骤：
将三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂通过溶胶凝胶法制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉；及
将所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应，得到益生藻生长促进剂。
在其中一个实施例中，所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与所述水溶性有机铁中的铁元素的质量比为1:1～1:10。
在其中一个实施例中，所述水溶性有机铁选自柠檬酸铁、柠檬酸铁铵及酒石酸铁中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述将所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应的步骤中还加入了添加剂，所述添加剂选自微量元素及维生素中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述微量元素选自锰、锌、钴、铜、钼、镍、钒、硼、硒、铬、碘、氟及镉中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述添加剂与所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比为0.01:100～50:100。
在其中一个实施例中，所述将所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应的步骤中还加入了络合剂，所述络合剂选自乙二胺四乙酸、亚硝基红盐、三价氮基三醋酸及羟基乙基乙烯二胺三醋酸中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述络合剂与所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比为0.1:100～10:100。
在其中一个实施例中，所述使用三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂通过溶胶凝胶法制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的步骤包括：
将所述三氧化二铝、所述硅源、所述催化剂和所述第一溶剂混合反应形成凝胶；
将所述凝胶干燥得到前驱体；
将所述前驱体煅烧，得到所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
在其中一个实施例中，所述将所述三氧化二铝、所述硅源、所述催化剂和所述第一溶剂混合反应形成凝胶的步骤包括：
将所述三氧化二铝分散在所述第一溶剂中，得到分散液；
在持续搅拌的条件下，将所述硅源加入到所述分散液中，得到预配液；
在持续搅拌的条件下在所述预配液中加入所述催化剂，在pH为6～8的条件下搅拌反应1小时～3小时，然后在30℃～60℃下静置2小时～6小时，以形成凝胶。
在其中一个实施例中，所述将所述凝胶干燥得到前驱体的步骤包括：将所述凝胶在室温下静置4天～15天，然后在60℃～80℃下干燥至恒重，得到所述前驱体。
在其中一个实施例中，所述将所述前驱体煅烧的步骤包括：将所述前驱体在300℃～500℃下煅烧20分钟～60分钟。
在其中一个实施例中，所述第一溶剂为水和醇的混合液，所述第二溶剂为水，所述催化剂为醋酸-醋酸铵缓冲溶液、醋酸-醋酸钠缓冲溶液及醋酸-醋酸钾缓冲溶液中的一种，所述硅源为钠水玻璃或钾水玻璃。
上述益生藻生长促进剂的制备方法制备得到的益生藻生长促进剂。
上述益生藻生长促进剂在养殖硅藻中的应用。
上述益生藻生长促进剂的制备方法通过溶胶凝胶法将三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉，而溶胶凝胶法制备的得到纳米级的三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉具有较大的表面积，能够很好地吸附铁等元素，将铁元素及硅藻生长所需的其他元素吸附于该纳米级颗粒上，铁元素和其他元素较难从水体中沉淀出来而流失掉，从而使铁元素在纳米二氧化硅上保持稳定，且铁元素不易流失，而使用水溶性有机铁代替无机铁作为铁源，能够保持益生藻生长促进剂中生物可利用态铁的浓度，易为藻类细胞利用，从而使得益生藻生长促进剂能够较好的促进硅藻生长。
附图说明
图1为一实施方式的益生藻生长促进剂的制备方法的流程图；
图2为具体实施例部分的测试过程中使用的围隔的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，一实施方式的益生藻生长促进剂的制备方法，该方法制备的益生藻生长促进剂能够用于促进硅藻的生长，该益生藻生长促进剂的制备方法包括如下步骤：
步骤S10：使用三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂通过溶胶凝胶法制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
其中，溶胶凝胶法是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶；凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
上述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉可根据以下溶胶凝胶制备纳米二氧化硅的制备原理制备得到：
第一步，硅烷的水解过程：
-Si-OR+H2O→-Si-OH+ROH
第二步，硅烷的缩聚过程：
-Si-OH+OH-Si→-Si-O-Si-+H2O
总反应：
2(-Si-OR)+H2O→-Si-O-Si-+2ROH。
在反应过程中，硅烷的浓度、反应过程的pH值、溶剂成分、水解时间与温度均会影响到硅烷的水解缩聚过程。其中，pH值能影响硅烷的水解缩聚反应速率。一般认为，酸性和碱性条件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此，选择合理的pH值和合适的缩聚催化剂能控制硅烷的水解与缩合反应速率。
在其中一个实施例中，步骤S10包括如下步骤S110～步骤S130：
步骤S110：将三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂混合反应形成凝胶。
在其中一个实施例中，将三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂混合反应形成凝胶的步骤包括如下步骤S111～步骤S114：
步骤S111：将三氧化二铝分散在第一溶剂中，得到分散液。
具体地，将三氧化二铝分散在第一溶剂中的方法为超声分散。三氧化二铝与第一溶剂的质量体积比为2g:400mL～10g:100mL。
具体地，第一溶剂为水和醇的混合液。进一步地，第一溶剂中，水和醇的体积比为(50～300):(50～100)。醇为无水乙醇。可以理解，第一溶剂中的醇不限于为无水乙醇，例如还可以为甲醇等。然而无水乙醇相对廉价，且毒性较小。
需要说明的是，在其它实施例中，第一溶剂也可以为水，然而在形成溶胶过程中，溶剂中的水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而溶剂中的醇对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还可以降低硅烷的水解速率，若第一溶剂仅为水，会导致硅烷水解速度过快。步骤S112：在持续搅拌的条件下，将硅源加入到分散液中，得到预配液。
此时，得到的预配液中的主要成分为硅烷。
其中，硅源可以为本领域常用的制备纳米二氧化硅的硅源，例如，正硅酸乙酯。具体地，硅源为钠水玻璃(Na2O·nSiO2)或钾水玻璃(氧化钾质量百分含量9.5％～11.5％)。相对于正硅酸乙酯，采用钠水玻璃(Na2O·nSiO2)或钾水玻璃制备纳米二氧化硅的硅源，能够大大降低制备成本。进一步地，硅源为钠水玻璃，钠水玻璃既易溶于水又有较高的强度，能够使制备的材料更加稳定。
具体地，钠水玻璃中的Na2O和SiO2的摩尔比为(1:1.5)～(1:3.5)，即n＝1.5～3.5。钠水玻璃中的硅酸钠的质量百分含量不小于97％。三氧化二铝与钠水玻璃的质量体积比为2g:10mL～10g:50mL。三氧化二铝过多会导致在制备三氧化二铝改性的纳米二氧化硅时三氧化二铝团聚，过少会导致所制备三氧化二铝改性的纳米二氧化硅稳定性较差。
具体地，搅拌的速率为300转/分钟～800转/分钟。
步骤S113：在持续搅拌的条件下在预配液中加入催化剂，在pH为6～8的条件下搅拌反应1小时～3小时，然后在30℃～60℃下静置2小时～6小时，形成凝胶。
其中，催化剂可以为本领域常用缩聚催化剂。在其中一个实施例中，催化剂为醋酸-醋酸铵缓冲溶液，该催化剂起调节pH值和催化反应的作用，还可以大大缩短二氧化硅溶胶水解缩合时间，且制备得到的溶胶稳定，并使制备得到的三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的粒度大小基本都在纳米级。而纳米级的三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉具有较大的表面积，能够很好地吸附铁元素和添加剂(微量元素和维生素)，将铁元素及硅藻生长所需的其他元素吸附于该纳米级颗粒上，铁元素和其他元素较难从水体中沉淀出来，保持铁元素和其他元素在纳米二氧化硅上稳定。
具体地，醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为1％～10％。醋酸-醋酸铵缓冲溶液中，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1。其中，醋酸-醋酸铵缓冲溶液的配置步骤包括：将醋酸和醋酸铵按照质量比为1:1溶剂在水中配置成质量百分浓度为1％～10％的缓冲溶液。
具体地，醋酸-醋酸铵缓冲溶液与预配液的体积比为(1:1)～(1:5)，该配比能够使预配液的pH为6～8。
需要说明的是，催化剂不限于为醋酸-醋酸铵缓冲溶液，例如催化剂还可以为醋酸-醋酸钠缓冲溶液或醋酸-醋酸钾缓冲溶液。
具体地，步骤S113为：在持续搅拌的条件下在预配液中加入催化剂直至pH为6～8，然后搅拌反应1小时～3小时。其中，在pH为6～8的条件下搅拌反应的搅拌速率为：300转/分钟～800转/分钟。
具体地，在30℃～60℃下静置2小时～6小时的步骤是在水浴加热的条件下进行的。
步骤S120：将凝胶干燥得到前驱体。
具体地，将溶胶干燥得到前驱体的步骤包括：将凝胶在室温下静置，然后在60℃～80℃下干燥至恒重，得到前驱体。将凝胶在室温下静置的时间为4天～15天，以使凝胶中的水分尽量挥发。
步骤S130：将前驱体煅烧，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
具体地，将前驱体煅烧的步骤包括：将前驱体在300℃～500℃下煅烧20分钟～60分钟。
通过上述方法制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表面上存在着大量的羟基基团，亲水性强，众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构，从而使得其能够很好地吸附铁以及其他元素，有效地防止铁元素和其他元素从水体中沉淀出来。
步骤S20：将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应，得到益生藻生长促进剂。
单胞藻培养液常用的铁源有三氯化铁(FeCl3)、硫酸亚铁(FeSO4)、硫酸铁[Fe2(SO4)3]、氧化铁(Fe2O3)等，其中最常用的是三氯化铁，然而，无机铁在水中容易形成胶体复合物和沉淀，难以为藻类利用，而水溶性有机铁能够保持益生藻生长促进剂中生物可利用态铁的浓度，易为藻类细胞利用。
具体地，将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应的步骤包括：将水溶性有机铁溶解在第二溶剂中，得到水溶性有机铁的水溶液；三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌反应。搅拌反应的时间为6小时～12小时。搅拌的速率为300转/分钟～80转/分钟。
具体地，水溶性有机铁选自柠檬酸铁(FeC6H5O7)、柠檬酸铁铵[Fe(NH4)3(C6H5O7)]及酒石酸铁[Fe2(C4H4O6)3]中的至少一种。三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比为(1:1)～(1:10)。有机铁含量过少促进硅藻生长的效果不够好，且纳米二氧化硅能负载的有机铁质量有限，过多造成浪费。
具体地，第二溶剂为水。可以理解，在其它实施例中，第二溶剂还可以为乙醇，水相对于乙醇更加廉价经济。
进一步地，将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应的步骤中还加入了添加剂，添加剂选自微量元素及维生素中的至少一种。微量元素和维生素可以为常用的微量元素和维生素。具体地，微量元素选自锰、锌、钴、铜、钼、镍、钒、硼、硒、铬、碘、氟及镉中的至少一种。其中，微量元素以化合物的形式进行添加，例如锰(Mn)元素以硫酸锰(MnSO4)、氯化锰(MnCl2)等形式是添加；锌(Zn)元素以硫酸锌(ZnSO4)、氯化锌(ZnCl2)等形式添加；铜(Cu)元素以硫酸铜((ZuSO4)、氯化铜(CuCl2)等形式添加；钼(Mo)元素以钼华(MoO3)的形式添加；钴(Co)元素以氯化钻(CoCl2)的形式添加；镍(Ni)元素以硫酸镍(NiSO4)的形式添加；钒(V)元素以钒酸钠(NaVO3)、钒酸铵(NH4VO3)的形式添加；硼(B)以硼酸(H3BO3)、焦性硼酸钠(Na2B4O7)等形式添加上；硒元素以氯化硒(Se2Cl2)的形式添加；碘元素以碘化钠(NaI)的形式添加；氟元素以氟化钠(NaF)的形式添加；铬(Cr)元素以硫酸铬钾[CrK(SO4)2]的形式添加；镉(Cd)元素以氯化镉(CdCl2)的形式添加。维生素选自B12及B5中的至少一种。可以理解，维生素的种类也可以根据需要进行调整。
具体地，添加剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比为0.01:100～50:100。添加剂添加量过少不能很好发挥促生效果，量过多造成过剩还会造成污染。
进一步地，三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应的步骤中还加入了络合剂，络合剂选自乙二胺四乙酸(EDTA)、亚硝基红盐(4-亚硝基-3-羟基-2,7-萘二磺酸二钠)、三价氮基三醋酸(NTA)及羟基乙基乙烯二胺三醋酸(HOEDTA)中的至少一种。
铁和微量金属元素容易形成胶体复合物和发生沉淀，形成胶体复合物和发生沉淀后难以为藻类利用，为了防止这些元素溶胶化和沉淀的发生，保持其对藻类的可利用态，采用上述络合剂有效地防止了铁和微量元素的沉淀和溶胶化，并能根据质量作用定律释放出足量的铁离子和微量元素供藻类细胞利用，能够大大地减少对藻类供应适量铁和微量元素的困难，并能使元素的量达到比藻类所能忍受的较高的浓度。
具体地，络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比为0.1:100～10:100。络合剂过少了不能很好地发挥防止铁和微量元素的沉淀和溶胶化，络合剂过多会造成过剩。
上述益生藻生长促进剂的制备方法通过溶胶凝胶法将三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉，而溶胶凝胶法制备的得到纳米级的三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉具有较大的表面积，能够很好地吸附铁元素和添加剂(微量元素和维生素)，将铁元素及硅藻生长所需的其他元素吸附于该纳米级颗粒上，铁元素和其他元素较难从水体中沉淀出来而流失掉，从而保持稳定，且铁元素和其他元素不易流失，能够减少传统益生藻生长促进剂流失出的元素造成的二次污染；而使用水溶性有机铁代替无机铁作为铁源，能够保持益生藻生长促进剂中生物可利用态铁的浓度，易为藻类细胞利用，从而使得益生藻生长促进剂能够较好的促进硅藻生长。
同时，上述益生藻生长促进剂的制备方法的益生藻生长促进剂颗粒小，与水的亲和性好，且益生藻生长促进剂还具有较好的分散性，能更好地被硅藻吸收，从而促进硅藻生长。
由于上述益生藻生长促进剂能够较好的促进硅藻生长，而硅藻的生长与绿藻、蓝藻的生长存在竞争关系，硅藻的生长有效地抑制有害藻的生长，能够较好地实现富营养化水体的生物防治。
一实施方式的益生藻生长促进剂，由上述益生藻生长促进剂的制备方法制备得到。该益生藻生长促进剂能够促使硅藻较好的生长。
上述益生藻生长促进剂能够应用于养殖硅藻，以使硅藻能够较好的生长。
以下为具体实施例部分(以下实施例如无特殊说明，则不含有除不可避免的杂质以外的其它未明确指出的组分。以下实施例使用的催化剂以钠水玻璃为例，催化剂以醋酸-醋酸铵缓冲溶液为例，对上述益生藻生长促进剂做的进一步详细说明，但是本发明保护的技术方案并不局限于此)：
实施例1
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程具体如下：
(1)取180mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入80mL去离子水，然后加入6g粉末状Al2O3，超声分散均匀，得到分散液。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)的条件下，在分散液中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝2.5，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为5％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至7，继续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)2小时，然后置于45℃的水浴锅中，陈化4小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置10天，然后捣碎，再置于烘箱中在70℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在400℃下煅烧40分钟，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为500转/分钟)混合反应18小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，表1中，A表示三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量，B表示水溶性有机铁的铁元素的质量，C表示微量元素和维生素的质量之和，D表示络合剂的质量，则三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
表1
实施例2
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程具体如下：
(1)取50mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入100mL去离子水，然后加入2g粉末状Al2O3，超声分散均匀，得到分散液。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为300转/分钟)的条件下，在分散液中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝1.5，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为300转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为10％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至6，继续搅拌(搅拌速率为300转/分钟)3小时，然后置于30℃的水浴锅中，陈化6小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置15天，然后捣碎，再置于烘箱中在60℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在300℃下煅烧60分钟，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为300转/分钟)混合反应24小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
实施例3
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程具体如下：
(1)取300mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入50mL去离子水，然后加入10g粉末状Al2O3，超声分散均匀，得到分散液。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为800转/分钟)的条件下，在分散液中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝3.5，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为800转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为1％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至8，继续搅拌(搅拌速率为800转/分钟)1小时，然后置于60℃的水浴锅中，陈化2小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置4天，然后捣碎，再置于烘箱中在80℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在500℃下煅烧20分钟，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为800转/分钟)混合反应6小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
实施例4
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程具体如下：
(1)取100mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入80mL去离子水，然后加入5g粉末状Al2O3，超声分散均匀，得到分散液。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为600转/分钟)的条件下，在分散液中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝2，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为600转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为3％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至6.5，继续搅拌(搅拌速率为600转/分钟)1.5小时，然后置于50℃的水浴锅中，陈化5小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置8天，然后捣碎，再置于烘箱中在65℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在350℃下煅烧30分钟，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为600转/分钟)混合反应12小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
实施例5
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程具体如下：
(1)取250mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入60mL去离子水，然后加入8g粉末状Al2O3，超声分散均匀，得到分散液。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为400转/分钟)的条件下，在分散液中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝3，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为400转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为8％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至7.5，继续搅拌(搅拌速率为400转/分钟)2.5小时，然后置于35℃的水浴锅中，陈化6小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置12天，然后捣碎，再置于烘箱中在75℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在500℃下煅烧30分钟，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为400转/分钟)混合反应20小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
实施例6
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程具体如下：
(1)取200mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入100mL去离子水，然后加入4g粉末状Al2O3，超声分散均匀，得到分散液。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为700转/分钟)的条件下，在分散液中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝3.5，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为700转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为6％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至7，继续搅拌(搅拌速率为700转/分钟)2小时，然后置于50℃的水浴锅中，陈化2小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置5天，然后捣碎，再置于烘箱中在80℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在480℃下煅烧40分钟，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为700转/分钟)混合反应8小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
实施例7
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程具体如下：
(1)取120mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入50mL去离子水，然后加入3g粉末状Al2O3，超声分散均匀，得到分散液。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)的条件下，在分散液中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝2，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为4％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至7，继续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)2小时，然后置于60℃的水浴锅中，陈化6小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置6天，然后捣碎，再置于烘箱中在80℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在450℃下煅烧50分钟，得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为500转/分钟)混合反应22小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
实施例8～14
实施例8～14的益生藻生长促进剂的制备过程与实施例1相似，区别在于步骤(7)中的原料不同，详见表1，实施例8中没有维生素，实施例9中没有微量元素，实施例10中没有维生素和微量元素，实施例11中没有络合剂，实施例12中没有维生素、微量元素和络合剂，实施例13中没有维生素和络合剂，实施例14中没有微量元素和络合剂。
实施例15和16
实施例15和16的益生藻生长促进剂的制备过程与实施例1相似，区别在于步骤(7)中的三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁中的铁元素的质量比A:B不同，如表1所示。
实施例17
本实施例的益生藻生长促进剂的制备过程与实施例1相似，区别在于步骤(7)中的络合剂与三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比D:A不同，如表1所示。
对比例1
对比例1的益生藻生长促进剂的制备过程与实施例1相似，区别在于步骤(7)中使用氯化铁代替柠檬酸铁。
对比例2
对比例2的益生藻生长促进剂的制备过程与实施例1相似，区别在于，对比例2中的没有添加Al2O3，则对比例2的益生藻生长促进剂的制备过程如下：
(1)取180mL的无水乙醇于烧杯中，在烧杯中加入80mL去离子水，得到混合溶剂。
(2)在持续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)的条件下，在溶剂中加入钠水玻璃(Na2O·nSiO2，n＝2.5，硅酸钠的质量百分含量97％)，得到预配液。
(3)在持续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)的条件下，在预配液中加入醋酸-醋酸铵缓冲溶液(醋酸-醋酸铵缓冲溶液中的醋酸和醋酸铵的总质量百分浓度为5％，醋酸和醋酸铵的质量比为1:1)直至预配液的pH值至7，继续搅拌(搅拌速率为500转/分钟)2小时，然后置于45℃的水浴锅中，陈化4小时，形成凝胶。
(4)将凝胶在室温下静置10天，然后捣碎，再置于烘箱中在70℃下干燥至恒重，得到前驱体。
(5)将前驱体碾碎后在400℃下煅烧40分钟，得到纳米二氧化硅粉。
(6)将水溶性有机铁溶解在水中，得到水溶性有机铁的水溶液；将纳米二氧化硅粉、微量元素、维生素、络合剂加入到水溶性有机铁的水溶液中，搅拌(搅拌速率为500转/分钟)混合反应18小时，得到益生藻生长促进剂。其中，水溶性有机铁、微量元素、维生素及络合剂如表1所示，此时，表1中，A表示纳米二氧化硅粉的质量，B表示水溶性有机铁的铁元素的质量，C表示微量元素和维生素的质量之和，D表示络合剂的质量，则纳米二氧化硅粉与水溶性有机铁的质量比A:B、微量元素和维生素的质量之和与纳米二氧化硅粉的质量的比C:B、及络合剂与纳米二氧化硅粉的质量比D:A如表1所示。
对实施例1～17及对比例1～2的益生藻生长促进剂硅藻促生效果测试：
一、实验样的处理：实验在位于武汉市新洲区涨渡湖渔场养殖池塘内进行，试验所用池塘规格约为60m×22m，养殖期平均水深2.5m，池塘为泥底质，水泥护坡，养殖鱼种为草鱼。试验所用围隔(如图2所示)采用钢骨架作为支架，包裹工程防水布，长宽各2m，高3.5m。围隔高出水面1m，以防止鱼类跳入。围隔搭建好后放入池塘中，为排除富有动物对浮游植物摄食的影响，向围隔内抽入经200目滤布过滤后的池塘水，静置5天，以使围隔内的生态系统稳定，对稳定后的围隔内的水体的物化指标及各浮游植物情况进行检测：采用哈希DR6000分光光度计对围隔内的多个区域的水体的物化指标进行测试，采用视野法计数，定性和定量计数均在10×40倍的Olympus显微镜下用万深AlgaeC软件进行，每个区域重复计数三次，每次计数200个视野，对围隔内的多个区域的水体的各浮游植物含量进行检测，选取其中19个区域的物化指标及各浮游植物含量相近的区域(将该19个区域的物化指标及各浮游植物的含量的平均值如表2和表3所示)，并将此19个区域分隔开。
表2
表3
按照每1L益生藻生长促进剂可作用于约5000m3水体进行试验，具体使用方法如下：
(1)硅藻培养：取上述池塘的水体(围隔外部)的水边石头或水泥上的水(因为硅藻种通常位于水边石头或水泥上的水处，以便取到硅藻种)，将取得的水体分成19份，按照益生藻生长促进剂与水体的质量体积比为1g:5L，在每份水体内分别加入实施例1～17及对比例1、对比例2的益生藻生长促进剂，然后均放置在户外阳光下5天～7天，得到19份培藻水。
(2)按照培藻水与水体的体积比为1mL:5L，将19份培藻水分别泼洒到上述19个区域中，28天后采用上述相同的方法对19个区域的物化指标和各浮游植物的含量，即分别添加有实施例1～17及对比例1～2的益生藻生长促进剂的区域的物化指标和各浮游植物的含量分别如表4和表5所示。
表4
表5(单位：103ind./L)
通过表2～5对比可知，相对于对比例1和对比例2而言，实施例1～17的益生藻生长促进剂不仅能够快速持续地促进硅藻的生长，改变了水体中浮游植物的群落结构，而且还能够有效降低水体中NH3-N、TP等物化指标，维护水体中的生态平衡。且实施例1～7的益生藻生长促进剂对于硅藻的生长和水体中NH3-N、TP等物化指标的降低有更好的效果。
上述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (15)
1.一种益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂通过溶胶凝胶法制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉；及
将所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应，得到益生藻生长促进剂。
2.根据权利要求1所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉与所述水溶性有机铁中的铁元素的质量比为1:1～1:10。
3.根据权利要求1所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述水溶性有机铁选自柠檬酸铁、柠檬酸铁铵及酒石酸铁中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述将所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应的步骤中还加入了添加剂，所述添加剂选自微量元素及维生素中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述微量元素选自锰、锌、钴、铜、钼、镍、钒、硼、硒、铬、碘、氟及镉中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述添加剂与所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比为0.01:100～50:100。
7.根据权利要求1～6任一项所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述将所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉、水溶性有机铁与第二溶剂混合反应的步骤中还加入了络合剂，所述络合剂选自乙二胺四乙酸、亚硝基红盐、三价氮基三醋酸及羟基乙基乙烯二胺三醋酸中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述络合剂与所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的质量比为0.1:100～10:100。
9.根据权利要求1～6任一项所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述使用三氧化二铝、硅源、催化剂和第一溶剂通过溶胶凝胶法制备得到三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉的步骤包括：
将所述三氧化二铝、所述硅源、所述催化剂和所述第一溶剂混合反应形成凝胶；
将所述凝胶干燥得到前驱体；
将所述前驱体煅烧，得到所述三氧化二铝改性的纳米二氧化硅粉。
10.根据权利要求9所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述将所述三氧化二铝、所述硅源、所述催化剂和所述第一溶剂混合反应形成凝胶的步骤包括：
将所述三氧化二铝分散在所述第一溶剂中，得到分散液；
在持续搅拌的条件下，将所述硅源加入到所述分散液中，得到预配液；
在持续搅拌的条件下在所述预配液中加入所述催化剂，在pH为6～8的条件下搅拌反应1小时～3小时，然后在30℃～60℃下静置2小时～6小时，形成凝胶。
11.根据权利要求9所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述将所述凝胶干燥得到前驱体的步骤包括：将所述凝胶在室温下静置4天～15天，然后在60℃～80℃下干燥至恒重，得到所述前驱体。
12.根据权利要求9所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述将所述前驱体煅烧的步骤包括：将所述前驱体在300℃～500℃下煅烧20分钟～60分钟。
13.根据权利要求1～12任一项所述的益生藻生长促进剂的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为水和醇的混合液，所述第二溶剂为水，所述催化剂为醋酸-醋酸铵缓冲溶液、醋酸-醋酸钠缓冲溶液及醋酸-醋酸钾缓冲溶液中的一种，所述硅源为钠水玻璃或钾水玻璃。
14.权利要求1～13任一项所述的益生藻生长促进剂的制备方法制备得到的益生藻生长促进剂。
15.权利要求14所述的益生藻生长促进剂在养殖硅藻中的应用。
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