CN111458272A - 荧光探针法测定混凝滤饼层孔隙率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了荧光探针法测定混凝滤饼层孔隙率的方法，步骤为：(1)将混凝滤饼层连同超滤膜依次浸入由低到高呈梯度分布的乙醇水溶液中及无水乙醇中进行脱水；(2)裁剪成小块，浸于槲皮素探针溶液或碳量子点探针溶液中进行染色，晾干，放置在共聚焦皿中待用；(3)在共聚焦显微镜两种波长的激光器共同开启的情况下观察；利用沿共聚焦显微镜Z轴自下至上逐层捕捉每层混凝滤饼层的荧光图像，通过电脑输出各个混凝滤饼层的荧光图像，利用图形处理软件对各个混凝滤饼层的荧光图像进行处理。本发明的方法能够弥补传统方法无法直接获得混凝超滤工艺中混凝滤饼层内孔隙率，本发明的方法测定结果准确，具有操作简单，成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术及混凝技术领域，具体是利用荧光监测技术测定混凝滤饼层孔隙率的方法。
背景技术
在膜过滤过程中，影响膜污染的最重要的因素是过滤过程中膜表面堆积的滤饼层，滤饼层是由沉积在膜表面上的颗粒所形成。形成的滤饼层增加了水力阻力，同时降低了渗透通量和过滤效率。膜表面上的颗粒影响滤饼层结构从而影响膜污染滤饼层特性。滤饼层的特性主要包括可压缩性、滤饼比阻和孔隙率，滤饼的孔隙率取决于絮体的当量直径和比表面积，可最直观的体现滤饼层结构的疏密程度，从而探究通量下降和膜污染情况。因而利用技术手段测量滤饼层孔隙率，可以更加深入的探究膜污染的控制方案。所以近年来对于滤饼层形态的研究得到了广泛的关注。
荧光监测技术因具有操作简便、成本低廉、高灵敏度及强选择性等优点，逐渐得到了应用。按照不同的反应原理，可以将荧光监测技术分为以下几类：(1)根据探针与待测物相互作用后荧光信号的变化特征进行分类，可分为强度变化型(猝灭型ON-OFF、增强型OFF-ON)和比率型荧光探针；(2)根据识别基团与待测物之间反应的形式不同，可分为配位型(螯合荧光增强Chelation-enhanced fluorescence,CHEF)和反应型荧光探针(chemodosimeter)；(3)根据与金属离子相互作用的角度分析，荧光监测技术可分为诱导作用型和络合型两大类，前者通过诱导分子的特异性反应产生荧光，后者则通过设计络合官能团来实现。荧光监测技术是在不侵入样品对其产生破坏的前提下，利用离子浓度与荧光强度的相关性实现元素的定量分析，同时还有部分离子不需要特殊的标记，在特定的光强条件下也可以产生自激发荧光，例如铁、铀离子等。
目前应用于测量滤饼层孔隙率的方法众多，包括理论计法以及通过各种显微镜直观成像法。理论计算方法是建立在理想的实验模型基础上，因而在实际应用方面就存在许多局限性，而直观呈像法则受到观测材质与操作方法而影响结果的准确性。因此传统方法有无法直接测量混凝超滤工艺中滤饼层内孔隙率的不足。目前运用荧光探针法测定混凝滤饼层孔隙率在实际运用中还存在一些不足。已公开的利用荧光探针法标记铝盐铁盐絮体，测定混凝滤饼层孔隙率的方法几乎没有。
发明内容
本发明的目的是提供一种测定结果准确，操作简单，成本低的荧光探针法测定混凝滤饼层孔隙率的方法。
本发明的技术方案概述如下：
荧光探针法测定混凝滤饼层孔隙率的方法，包括如下步骤：
(1)将过滤完成后得到的混凝滤饼层连同超滤膜依次浸入质量浓度由低到高呈梯度分布的乙醇水溶液中及无水乙醇中进行梯度脱水；
(2)将步骤(1)获得的产物，裁剪成小块，根据絮凝剂的不同，浸于槲皮素探针溶液或碳量子点探针溶液中进行3min染色，取出后晾干表面的液体，放置在共聚焦皿中待用；
(3)将步骤(2)获得产物在共聚焦显微镜405nm及488nm两种波长的激光器共同开启的情况下观察；利用沿共聚焦显微镜Z轴自下至上以每层为20μm的厚度逐层捕捉每层混凝滤饼层的荧光图像，通过连接共聚焦显微镜的电脑输出各个混凝滤饼层的荧光图像，利用图形处理软件对各个混凝滤饼层的荧光图像进行处理，得到混凝滤饼层孔隙率。
所述质量浓度由低到高呈梯度分布的乙醇水溶液为20％、40％、60％、80％和95％的乙醇水溶液。
所述槲皮素探针溶液用下述方法制成：按比例，将0.5g槲皮素粉末与10mL无水乙醇混合，搅拌溶解。
所述碳量子点探针溶液用下述方法制成：
(1)按比例将0.84g无水柠檬酸和1822μL二乙烯三胺置于20毫升去离子水并加热至200℃；
(2)取步骤(1)获得的溶液15毫升在聚四氟乙烯高压釜中放置5h，加入氢氧化钠，调节pH至14，旋转蒸发获得固体，溶解于无水乙醇中，离心除去不溶性沉淀后，旋转蒸发，用甲苯洗涤，得纯化碳量子点膏状物；
(3)称取1.5g碳量子点膏状物与10mL无水乙醇混合，搅拌溶解，得到碳量子点探针溶液。
本发明的优点：
本发明的方法能够弥补传统方法无法直接获得混凝超滤工艺中混凝滤饼层内孔隙率，本发明的方法测定结果准确，具有操作简单，成本低等特点。
具体实施方法
以下实施例仅是对本发明予以解释说明，并未对本发明的保护范围进行任何限制。对于本领域技术人员而言，凡未脱离本发明技术精神所作的同等实施方式或变更均在本发明的保护范围之内。
槲皮素探针溶液的制备：
将0.5g槲皮素粉末与10mL无水乙醇混合，搅拌溶解。
碳量子点探针溶液的制备：
(1)将0.84g无水柠檬酸和1822μL二乙烯三胺置于20毫升去离子水并加热至200℃；
(2)取步骤(1)获得的溶液15毫升在聚四氟乙烯高压釜中放置5h，加入氢氧化钠，调节pH至14，旋转蒸发获得固体，溶解于无水乙醇中，离心除去不溶性沉淀后，旋转蒸发，用甲苯洗涤，得纯化碳量子点膏状物；
(3)称取1.5g碳量子点膏状物与10mL无水乙醇混合，搅拌溶解，得到碳量子点探针溶液。
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
荧光探针法测定混凝滤饼层孔隙率方法，包括如下步骤：
(1)取2L天津工业大学校内泮湖湖水，向湖水中加入120mg(以Al计)絮凝剂AlCl3·6H2O，并搅拌形成絮体，用聚偏氟乙烯超滤膜过滤；
将过滤完成后得到的混凝滤饼层连同超滤膜依次浸入质量浓度由低到高呈梯度分布的20％、40％、60％、80％和95％乙醇水溶液中及无水乙醇中进行梯度脱水；
(2)将步骤(1)获得的产物，裁剪成1cm×1cm的小块，根据絮凝剂为AlCl3·6H2O，浸于槲皮素探针溶液中进行3min染色，取出后晾干表面的液体，放置在Φ20mm共聚焦皿中待用；
(3)将步骤(2)获得产物上层朝下置于激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)(FV1200，奥林巴斯，日本)，在激光扫描共聚焦显微镜405nm及488nm两种波长的激光器共同开启的情况下观察；利用沿激光扫描共聚焦显微镜Z轴自下至上以每层为20μm的厚度逐层捕捉每层混凝滤饼层的荧光图像，通过连接激光扫描共聚焦显微镜的电脑输出各个混凝滤饼层的荧光图像，利用图形处理软件(CLSM自带的软件FV10-ASW 4.2Viewer)对各个混凝滤饼层的荧光图像进行处理；
所有的单张图像利用MATLAB转化为灰度图像，使其背景强度范围在0～255之间，之后再用MATLAB将灰度图片转化为仅有黑白两色的二值化图片。分割方式采用Otsu阈值分割法。最后利用Image-Pro plus 6.0计算每张二值化图片的孔隙率，得到混凝滤饼层孔隙率0.363±0.024。
实施例2
(1)取2L天津工业大学校内泮湖湖水，向湖水中加入140mg(以Fe计)絮凝剂FeCl3·6H2O，并搅拌形成絮体，用聚偏氟乙烯超滤膜过滤；
将过滤完成后得到的混凝滤饼层连同超滤膜依次浸入质量浓度由低到高呈梯度分布的20％、40％、60％、80％和95％乙醇水溶液中及无水乙醇中进行梯度脱水；
(2)将步骤(1)获得的产物，裁剪成1cm×1cm的小块，根据絮凝剂为FeCl3·6H2O，浸于碳量子点探针溶液中进行3min染色，取出后晾干表面的液体，放置在Φ20mm共聚焦皿中待用；
(3)将步骤(2)获得产物上层朝下置于激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)(FV1200，奥林巴斯，日本)，在激光扫描共聚焦显微镜405nm及488nm两种波长的激光器共同开启的情况下观察；利用沿激光扫描共聚焦显微镜Z轴自下至上以每层为20μm的厚度逐层捕捉每层混凝滤饼层的荧光图像，通过连接所述激光扫描共聚焦显微镜的电脑输出各个混凝滤饼层的荧光图像，利用图形处理软件(CLSM自带的软件FV10-ASW 4.2Viewer)对各个混凝滤饼层的荧光图像进行处理，
所有的单张图像利用MATLAB转化为灰度图像，使其背景强度范围在0～255之间，之后再用MATLAB将灰度图片转化为仅有黑白两色的二值化图片。分割方式采用Otsu阈值分割法。最后利用Image-Pro plus 6.0计算每张二值化图片的孔隙率，得到混凝滤饼层孔隙率0.707±0.045。
Claims (4)
1.荧光探针法测定混凝滤饼层孔隙率的方法，其特征是包括如下步骤：
(1)将过滤完成后得到的混凝滤饼层连同超滤膜依次浸入质量浓度由低到高呈梯度分布的乙醇水溶液中及无水乙醇中进行梯度脱水；
(2)将步骤(1)获得的产物，裁剪成小块，根据絮凝剂的不同，浸于槲皮素探针溶液或碳量子点探针溶液中进行3min染色，取出后晾干表面的液体，放置在共聚焦皿中待用；
(3)将步骤(2)获得产物在共聚焦显微镜405nm及488nm两种波长的激光器共同开启的情况下观察；利用沿共聚焦显微镜Z轴自下至上以每层为20μm的厚度逐层捕捉每层混凝滤饼层的荧光图像，通过连接共聚焦显微镜的电脑输出各个混凝滤饼层的荧光图像，利用图形处理软件对各个混凝滤饼层的荧光图像进行处理，得到混凝滤饼层孔隙率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述质量浓度由低到高呈梯度分布的乙醇水溶液为20％、40％、60％、80％和95％的乙醇水溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述槲皮素探针溶液用下述方法制成：按比例，将0.5g槲皮素粉末与10mL无水乙醇混合，搅拌溶解。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述碳量子点探针溶液用下述方法制成：
(1)按比例将0.84g无水柠檬酸和1822μL二乙烯三胺置于20毫升去离子水并加热至200℃；
(2)取步骤(1)获得的溶液15毫升在聚四氟乙烯高压釜中放置5h，加入氢氧化钠，调节pH至14，旋转蒸发获得固体，溶解于无水乙醇中，离心除去不溶性沉淀后，旋转蒸发，用甲苯洗涤，得纯化碳量子点膏状物；
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