壳聚糖改性黏土絮凝去除水中铜绿微囊藻

蒋茜茜 张小凤 陈文清

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

化工与环保

壳聚糖改性黏土絮凝去除水中铜绿微囊藻

蒋茜茜 张小凤 陈文清

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

为探究壳聚糖改性黏土絮凝去除水中铜绿微囊藻的最佳反应条件及机理，通过Lg(33)正交絮凝实验研究各因素对实验结果的影响顺序，确定最佳絮凝条件，并从Zeta电位、架桥网捕作用、红外光谱三方面分析改性黏土絮凝去除水中铜绿微囊藻的机理。结果表明：各因素对絮凝结果的影响大小顺序为：壳聚糖粘土配比 > pH值> 改性粘土投加量，且最佳絮凝条件为：壳聚糖：粘土=1 : 5，投加量为20 mg/L，pH值为6；壳聚糖改性黏土絮凝去除水中铜绿微囊藻的机理包括改变黏土Zeta电位，增强架桥网捕作用及增加黏土亲水性基团等。

壳聚糖 改性 黏土 絮凝 铜绿微囊藻

富营养化会引起水华或赤潮，严重影响水体的正常功能，不但水生动植物造成不利影响，影响正常水处理工艺的结果，还可产生藻毒素，威胁水生动植物及人类健康[1-3]。针对水中藻类的去除方法主要分为物理法、化学法和生物法。物理法包括过滤、机械打捞、活性炭吸附、气浮、超声波控藻等，其直接作用于藻体，处理效果好，但操作成本高[4-6]。化学法包括氧化法、非氧化法、混凝沉淀法，主要缺点为容易造成二次污染，成本高，且远期效益无法准确评估[7]。生物法效果好且作用持久，但其见效慢，且容易引起原生态系统的变化[8]。目前，黏土及改性黏土絮凝法由于其见效快、效果好、环境影响小、价格低等优点，已成为当前水华藻类去除研究的热点[9,10]。

本文基于前期成都平原9种黏土对铜绿微囊藻去除作用研究结果，进一步使用壳聚糖对黏土进行改性并通过正交实验确定其最佳絮凝条件，并从Zeta电位、架桥网捕作用、红外光谱三方面分析改性黏土絮凝去除水中铜绿微囊藻的机理。

1 实验部分

1.1 实验材料

本研究选用的藻种是铜绿微囊藻，购自中国科学院武汉水生生物研究所国家淡水藻种库，编号为FACHB - 905，并采用BG-11培养基扩大培养。本研究选取的黏土为成都平原地区采集的烂黄泥土。本研究所使用AR级壳聚糖购自成都市科龙化工试剂厂。

1.2 分析指标及方法

浊度使用浊度仪(日本HITACHI公司)测定；叶绿素a采用分光光度法中的Lorenzen单色法中的丙酮法[17]测定；Zeta电位采用Zetasizer Nano(马尔文仪器公司)测定；粘土、改性粘土、粘土絮凝铜绿微囊藻的藻絮体和改性粘土絮凝铜绿微囊藻的藻絮体的表观采用扫描电子显微镜JSM-7500F(日本电子)；粘土、壳聚糖和改性粘土的红外光谱分析使用傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津公司)。

1.3 改性方法[11]

称取100 mg壳聚糖，添加10 mL 1 % 的HCl溶液连续搅拌使之溶解，再加去离子水至100 mL，成为1 mg/mL的壳聚糖盐酸溶液，将50 mg筛分干燥后的粘土(本实验黏土选取成都平原地区的烂黄泥土)加到10 mL的壳聚糖溶液中，使之充分浸润。将淤浆在烘箱中干燥后，研成粉末，这就是壳聚糖改性粘土，该改性粘土中的壳聚糖壳聚糖：粘土=1∶5。

1.4 正交絮凝实验[12]

当铜绿微囊藻处于对数生长期时，将其在10000 r/min下离心10 min，倒掉上清液。并用0.5 % 的NaCl溶液配成一定浓度的藻液(4.78 × 106cell·mL-1，该浓度接近发生富营养化时水体中的藻细胞浓度，在波长680 nm处的光密度值为：OD 680 nm = 0.100)。称取一定量的絮凝剂于250 mL烧杯中，加入200 mL藻液，调节pH值，同时设置空白对照样(原藻液)，立即开始搅拌。搅拌参数为：600 r/min下搅拌4 min，然后50 r/min下搅拌2 min，静置并开始计时。于液面下3 cm处取样，检测浊度和叶绿素a。

壳聚糖改性粘土正交絮凝实验选取壳聚糖粘土配比、改性粘土投加量和pH等三因素进行试验，每因素选取三个具有代表性的水平，采用Lg(33)正交表，一共9组实验。具体因素水平设置见表1。

表1 正交实验因素水平表

按照表1，确定了正交实验方案进行了9组实验，均静置6 h，于液面下3 cm处取样，测定叶绿素a和浊度含量。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

按照表1，确定了正交实验方案共9组，实验结果见表2。

艾振强说，没有关于公摊系数上下限的明确规定，开发商可将公摊面积“任性”做大，导致实际案例中出现的一些公摊系数“丧心病狂”。部分开发商甚至将独立使用的地下室、车棚、车库，为多幢楼服务的警卫室、管理用房，作为人防工程的地下室都计入公摊面积。

表2 正交实验表

由表1可对叶绿素a去除率及浊度去除率正交试验结果进行分析，分析结果见表3、表4。

由表3及表4可以看出，影响铜绿微囊藻叶绿素a去除率及浊度去除率的大小顺序均为：壳聚糖粘土配比 > PH 值> 改性粘土投加量。可以看出，壳聚糖粘土配比的极差比其它两个因素要高，是影响叶绿素a去除率的主要因素，从极差分析结果获知叶绿素a去除效果及浊度去除效果最好时的絮凝条件为：壳聚糖跟粘土配比为1 : 5，投加量为20 mg/L，pH值为6。在最佳条件下，改性黏土对叶绿素a和浊度的去除率分别达到了99.68 % 和98.82 %。

表3 叶绿素a去除效果因素结果表

表4 浊度去除效果因素结果表

2.2 机理分析

2.2.1 Zeta电位分析

图1为pH值对藻细胞Zeta电位的影响结果，可以看出pH值变化对铜绿微囊藻的Zeta电位影响较大，在pH值为3 ～ 10范围内藻细胞的Zeta电位均为负值，且藻液Zeta电位的电负性随着pH值的增加而变大。

藻细胞表面带负电荷可能与藻细胞表面的水合作用和电离作用有关，藻细胞表面是由碳水化合物组成的，而藻细胞自身分泌的一些物质吸附在细胞表面，在细胞的表面形成一层具有粘性的胶粘体，它们含有羟基，梭基，氨基等官能团，这些基团可能会发生水合或电离作用而使藻细胞的表面带上电荷。

图1 不同pH值对藻细胞Zeta电位的影响

图2为pH值对黏土(烂黄泥土)Zeta电位的影响，粘土在pH值为3 ～ 10范围内Zeta电位都显负电性，而且随着pH值增加，粘土Zeta电位的负电性增加。而藻细胞在pH值为3 ～ 10范围内Zeta电位同样为负值，根据絮凝机理，粘土与铜绿微囊藻之间难以絮凝沉降，不容易与铜绿微囊藻产生电中和作用。

图2 不同pH值对粘土的Zeta电位的影响

图3 改性粘土不同配比对Zeta电位的影响

壳聚糖改性粘土呈正电荷，是由于壳聚糖分子链上的众多游离NH2的N原子上，具有一对未共用的电子，能使NH2呈现弱碱性，将壳聚糖溶解在稀酸溶液中，这样壳聚糖便能从溶液中结合一个H+(NH2质子化)，使壳聚糖变成带正电荷的聚电解质(高分子盐)，表现出阳离子型絮凝剂的特性[13]。粘土矿物经壳聚糖酸溶液改性后，壳聚糖包覆在粘土表面，使改性粘土的Zeta电位由负电荷变为正电荷，增强了藻细胞的电中和作用，能够使藻细胞脱稳、凝聚。

图4、图5为黏土及改性粘土投加量对藻絮体Zeta电位的影响，图4可以看出投加黏土后的藻絮体Zeta电位始终为负，而图5在10 mg/L ～ 30 mg/L投加量区间时藻絮体的Zeta电位由-3.24 mv～3.47 mv，在投加量为20 mg/L时，藻絮体的Zeta电位接近于0，极易脱稳。

图4 粘土投加量对藻絮体Zeta电位的影响

图5 改性粘土投加量对藻絮体Zeta电位的影响

但其实在投加量为10 mg/L ～ 30 mg/L范围内时，改性粘土对藻细胞的絮凝效果相差不大，这说明絮凝过程并不仅仅是电中和在起作用。另外，当改性粘土投加量过大时，藻絮体Zeta电位变为正电荷，开会与带正电荷的改性粘土水解产物产生排斥现象，影响絮凝效果，所以改性粘土的投加量有一个适合的范围。

2.2.2 架桥网捕作用分析

粘土(本实验使用烂黄泥土)、改性粘土、粘土絮凝铜绿微囊藻的藻絮体和改性粘土絮凝铜绿微囊藻的藻絮体等的表面结构见图6，通过表面结构的致密性来分析壳聚糖对粘土架桥网捕作用的影响。

a.黏土 b.改性黏土

c.黏土絮凝藻絮体 d.改性黏土絮凝藻絮体图6 扫描电镜图

对比图6中a与b可以看出，经壳聚糖改性后的粘土比改性前的粘土密度和体积更大，这就使改性粘土比粘土更易沉降。由图6中c可以看出改性前的粘土处理后的藻絮体结构松散，不均匀，对藻细胞的架桥网捕作用并不强，对比图6中d可知，改性粘土处理后的藻絮体呈纤维状结构，这种结构有利于增强网捕作用和藻絮体的重力，进而提高絮凝效率，同时改性粘土处理后的藻絮体中铜绿微囊藻清晰可见，依然呈球形结构，这说明壳聚糖并没有破坏藻细胞的结构，只是将藻细胞给牢牢地包覆起来，这样就可以减缓藻毒素释放到水体中的时间。而且形成的藻絮体结构致密，很好的将铜绿微囊藻网捕住，使藻细胞很难从中挣脱出来，这样就避免了藻细胞重新污染水体的可能。

2.2.3 红外光谱分析

图7为黏土、壳聚糖及壳聚糖改性黏土(壳聚糖：烂黄泥土=1∶ 10)的红外光谱图，粘土(a)的红外光谱图中，出现的特征吸收峰有：3697 cm-1、3615 cm-1的粘土层间-OH伸缩振动峰、1625 cm-1为的H-O-H伸缩振动峰。壳聚糖(b)的红外光谱图中，出现的特征吸收峰有：2932 cm-1的 -CH2OH伸缩振动峰；2886 cm-1的-CH伸缩振动峰；1656 cm-1、1600 cm-1的-C=O伸缩振动峰；1420 cm-1、1377 cm-1的 -NH2伸缩振动峰；1323 cm-1～ 898 cm-1的-C-O伸缩振动峰。壳聚糖改性粘土(c)的红外光谱图中，除了有粘土的特征吸收峰外，还有壳聚糖的特征峰：1521 cm-1的-C=O伸缩振动峰；1421 cm-1的 -NH2伸缩振动峰；1123 cm-1～ 898 cm-1的-C-O伸缩振动峰。

(a)粘土；(b)壳聚糖；(c)壳聚糖改性粘土图7 红外图谱

比较粘土和改性粘土两条谱线，推断粘土经壳聚糖改性后，改性粘土层间-OH和H-O-H的振动明显比粘土原土增强，表明粘土经改性后亲水性有较大幅度的增强。对比壳聚糖和改性粘土两条谱线，推断-C=O伸缩振动、-NH2伸缩振动、-C-O伸缩振动为壳聚糖对改性粘土的主要贡献，这说明壳聚糖中的-NH2、-C=O、-C-O等基团与改性粘土结合。

3 结论

(1)改性粘土絮凝去除水中铜绿微囊藻最佳条件：壳聚糖跟粘土配比为1∶5，投加量20 mg/L，pH值为6。在最佳条件下，叶绿素a和浊度的去除率分别达到了99.68%和98.82%。

(2)通过对藻细胞、粘土、壳聚糖改性粘土Zeta电位分析可知，壳聚糖可使粘土表面电荷翻转，能与带负电荷的藻细胞产生电中和作用，更有利于藻细胞的絮凝、脱稳。

(3)对粘土改性前后结构和所形成的藻絮体的扫描电镜观察，表明粘土经壳聚糖改性后显著提高了架桥网捕作用，生成的絮体结构致密，难以再悬浮。

(4)红外光谱分析显示，粘土经壳聚糖改性后亲水性增强，并且出现了壳聚糖的C=O、-NH2和-C-O的特征吸收峰，这说明壳聚糖中的-NH2、-C=O、-C-O等基团与改性粘土结合。

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Flocculation and Removal of Microcystis Aeruginosa from the Water by Modified Chitosan Clay

JiangQianqian，ZhangXiaofeng，ChenWenqing

(Collegeofarchitectureandenvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China)

To explore optimum reaction conditions and mechanism of Microcystis aeruginosa flocculation and removal by modified chitosan clay, through Lg (33) orthogonal experiment, we research the effect of different factors on the experimental results, and determine optimum flocculation conditions,we analyse the mechanism from Zeta potential, bridging and capture, and infra-red spectrum. The results show that the effects of various factors on the flocculation results order: chitosan and clay ratio > pH > modified clay dosage, and the optimum flocculation conditions: chitosan: clay = 1: 5, dosage 20 mg/L, pH 6; mechanism of chitosan modified clay flocculation removal of Microcystis aeruginosa including changing clay Zeta potential, enhance the bridging and capture and increase clay hydrophilic groups etc.

chitosan; modified; clay; flocculation; microcystis aeruginosa