微波-超声协同强化NaCl改性沸石对罗氏沼虾模拟保活中水质氨氮去除的研究

杨 丰，李 念，陈露珠，安 鑫，施文正,2，汪之和,2,3

(1 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2 国家淡水水产品加工技术研发分中心，上海 201306；3 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306)

在相关研究基础上，将单一盐溶液浸渍法与超声波、微波等技术联用，尤其对于各改性方法联用的参数条件进行具体优化，应用至水产品模拟保活的水质净化中，并对复合改性后的沸石进行表征分析和机理探索，以期为水产品保活流通及养殖领域的水质改善，乃至滤料领域提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

罗氏沼虾，购于上海市浦东新区新芦苑集贸市场，充氧水运至实验室后，于暂养池以(25±1)℃条件下饥饿暂养24 h，体质量每尾20～30 g，体长10～15 cm，试验均设3个平行，每一平行用虾的数量为25尾，其中暂养及保活用水均为充分曝气后的自来水。

沸石滤料，规格有4种，分别为1～2、3～6、6～10和10～20 mm，购于河南省巩义市豫嵩给排水器材厂，其主要化学成分：SiO2为68.60%，Al2O3为12.43%。

1.2 仪器

JPB-607型便携式溶氧测定仪(上海精密科学仪器有限公司)；FE28型pH计(梅特勒-托利多仪器上海有限公司)；5B-3N型便携式氨氮测定仪(上海连华实业有限公司)；扫描电子显微镜(日本日立)；全自动间断化学分析仪(德国DeChem-Tech公司)；AVANCE NEO 600兆宽腔固体核磁共振波谱仪(德国Bruker公司)；Autosorb-IQ3 比表面积与孔隙度分析仪(德国Bruker公司)；D8 ADVANCE Da Vinci 多功能X射线衍射仪(德国Bruker公司)

1.3 方法

1.3.1 不同沸石粒径和改性方法对氨氮去除率的影响

设置4种沸石粒径，在NaCl溶液对沸石吸附能力影响相关研究的基础上，用摩尔浓度为0.8 mol/L的NaCl改性天然沸石30 min后，进行先微波再超声(微波功率385 W，时间6 min；超声功率560 W，频率40 kHz，时间20 min)、先超声再微波、超声、微波4种方法进行强化改性，沸石改性后用去离子水反复清洗至水质澄清，105℃烘干，同时准备仅NaCl改性和未改性处理的沸石备用，各取不同粒径的沸石2 g，放入20 mg/L质量浓度的100 mL氨氮标准溶液中，以150 r/min振荡，20 ℃吸附60 min，计算氨氮去除率。

1.3.2 不同超声功率、频率和处理时间改性沸石对氨氮去除率的影响

设置超声功率为240、400、560、720 W，对粒径1～2 mm的沸石强化改性，以40 kHz频率处理20 min后得到不同超声功率改性沸石，并设置投放量为20 g/L进行吸附试验。目前国内外对超声频率的研究鲜有报道，本研究探索性选择25、28、40和59 kHz 4种不同频率，以560 W功率处理20 min后得到不同超声频率改性沸石，并各取制备后的改性沸石进行试验；以功率为560 W、频率为28 kHz，分别强化处理5、20、40和60 min，得到不同超声时间改性沸石，并各取制备后的改性沸石进行试验。

1.3.3 不同微波功率和处理时间改性沸石对氨氮去除率的影响

设置火力5档：低火(120 W)、中低火(230 W)、中火(385 W)、中高火(540 W)、高火(700 W)，处理6 min，取制备后的改性沸石进行试验；设置微波功率为中低火，分别处理3、6、9、12、15 min，各取制备后的改性沸石进行试验。

1.3.4 正交试验

根据单因素试验，设置超声频率为28 kHz，微波功率为中低火，分别以超声功率、超声时间、微波时间设置三因素三水平的正交试验，以氨氮去除率为考察指标，进行微波-超声法协同强化NaCl改性沸石的工艺优化并验证。

1.3.5 改性沸石投放量、吸附时间和氨氮溶液的pH、质量浓度对氨氮去除率的影响

分别设置投放量为5、10、20、30、40和60 g/L，吸附时间为10、20、40、60、90和120 min，氨氮溶液pH为7.0、7.5、8.0、8.5，氨氮质量浓度为10、20、30、40 mg/L，以150 r/min振荡，20 ℃吸附30 min，计算氨氮去除率。

1.3.6 改性沸石对罗氏沼虾实际模拟保活过程中水质的影响

设置投放量为30 g/L，分别在0、12、24、36和48 h测定水质细菌总数、pH、溶氧、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和磷酸盐，从而研究改性沸石的水质处理实际效果，以不加沸石为空白组、加未改性沸石为对照组并记录虾的存活率。

氨氮采用5B-3N便携式氨氮测定仪测定；pH采用pH计测定；溶氧采用溶氧测定仪测定；细菌总数根据标准GB4789.2—2016《食品卫生微生物检验：菌落总数测定》[13]测定；硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、磷酸盐均采用全自动间断化学分析仪测定。

1.3.7 改性沸石的表征及其机理探究

扫描电子显微镜(SEM)分析沸石形貌特征；比表面积仪测试沸石比表面积；固体核磁共振分析沸石硅、铝配位结构；X射线衍射仪分析沸石晶体结构变化。

1.3.8 数据处理

使用SPSS24.0软件对试验结果进行分析，在单因素方差分析(ANOVA)的基础上采用Duncan多重比较，取P<0.05为差异显著，利用Origin9.1软件作图。

2 结果

2.1 不同沸石粒径和改性方法对氨氮去除率的影响

如图1所示，不同沸石粒径对水质氨氮去除率均有明显的影响，沸石粒径越小，其氨氮吸附能力越强，粒径1～2 mm的未改性沸石吸附60 min，氨氮去除率可达78.22%，比3～6 mm粒径的吸附能力提高1.91%，比10～20 mm粒径提高了9.76%。通过微波、超声强化NaCl改性后的沸石，其氨氮吸附能力比仅进行NaCl改性有了明显提高，其中利用先微波后超声法强化NaCl改性法的效果最好，氨氮去除率比未改性沸石提高了19.68%。

图1 不同沸石粒径和改性方法对氨氮去除率的影响

2.2 超声波与微波强化制备改性沸石的单因素参数优化

图2显示了微波与超声的功率、频率、处理时间等参数变化对沸石氨氮去除率的影响，结果表明，较好的参数条件为：微波功率为低火(230 W)、微波时间12 min、超声功率560 W、超声频率28 kHz、超声时间40 min。各参数均对氨氮去除率有显著影响(P<0.05)。

图2 微波功率、时间与超声功率、频率、时间对氨氮去除率的影响

2.3 正交试验

根据超声功率、超声时间、微波时间进行三因素三水平正交试验，结果见表1。

表1 微波-超声波协同强化NaCl改性沸石的正交试验结果

通过正交试验以氨氮去除率为参考指标作方差分析见表2。由表2可知，超声功率、超声时间和微波时间均对氨氮去除率具有显著影响(P<0.05)，主次关系为A(超声功率)>C(微波时间)>B(超声时间)，最佳水平为A2B3C1，即超声功率560 W、超声时间50 min、微波时间10 min。

表2 方差分析表

对正交试验结果进行验证，在超声功率560 W、超声频率28 kHz、超声时间50 min、微波功率230 W、微波时间10 min时所改性得到的沸石，在20 mg/L的氨氮标准溶液中投放20 g/L、吸附60 min达到平衡，其氨氮去除率为98.86%，相比未改性沸石的吸附能力提高了20.88%，平衡吸附量增加了20.94%。

2.4 改性沸石吸附试验条件的影响

图3显示了改性沸石在不同水质氨氮质量浓度、pH、吸附时间和沸石投放量等条件下对氨氮去除率的影响。本研究改性沸石主要应用于罗氏沼虾实际模拟保活中的水质处理，故根据实际情况，设置水质氨氮质量浓度为10～40 mg/L，pH为7.0～8.5。随着氨氮质量浓度的增加，一定时间内氨氮去除量逐渐上升，即改性沸石吸附氨氮的量越多。pH=7.0时，吸附效果最佳，随着水质碱性增强，氨氮去除率也随着下降。而且，微波-超声改性沸石对氨氮去除效果最好。

图3 氨氮质量浓度、水质pH、沸石投放量和吸附时间对氨氮去除率的影响

随着沸石投放量的增加和吸附时间的延长，不同改性沸石的氨氮去除率均逐渐上升，当投放量从5 g/L提高到30 g/L时，微波-超声强化改性沸石组的氨氮去除率最高，从51.35%快速上升至95.08%，而后缓慢上升，变化不显著(P>0.05)；此外，改性沸石在处理20 min内，氨氮去除率显著上升(P<0.05)，在吸附60 min后逐渐趋于平衡，其中，微波-超声强化改性沸石对氨氮去除率效果最好。

由此可知，在pH为中性和弱碱性、沸石投放量为30 g/L、振荡吸附60 min的条件下，随着沸石投放量的增加，对水体中氨氮的去除率也增加。

2.5 改性沸石对罗氏沼虾模拟保活过程中存活率和水质指标的影响

表3显示了罗氏沼虾的存活率及保活水质的变化。通过微波-超声强化改性沸石对氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和磷酸盐均有吸附作用，可明显提高罗氏沼虾在保活过程中的存活率在保活48 h后，改性组水质氨氮比未改性组和空白组分别降低了51.0%和55.5%。而改性沸石对细菌总数、溶氧量和pH的影响不大，这些指标均在罗氏沼虾适宜水质范围内。

表3 罗氏沼虾的存活率及保活水质的变化

2.6 改性沸石表征及其吸附机理探讨

2.6.1 扫描电子显微镜分析及比表面积测定

图4(a、b、c、d、e和f)分别显示了微波-超声协同强化改性沸石与未改性天然沸石的表面形貌图片，所显示的放大倍数分别为1 000倍、2 000倍和4 000倍。

图4 改性沸石组与天然沸石对照组的扫描电子显微镜图

图片显示，天然沸石表面形貌较为平整，且杂质较多、较大，孔道少；经微波-超声协同改性后，沸石颗粒表面较为疏散，更加粗糙，且杂质减少、减小，出现更多孔道。这说明在微波和超声双重作用下，拓宽了沸石孔道，去除了沸石原颗粒内一些水分和其他无机杂质，使得沸石的孔径增大，脉络可见，比表面积由原来的36.760 m2/g增加到40.386m2/g，从而吸附氨氮能力得到明显提高。

2.6.2X射线衍射图谱变化

由改性前后的X射线衍射图谱(XRD图谱)(图5)可知，对比天然沸石的XRD谱图，微波-超声协同改性后的晶体结构变化很小，衍射峰的位置未发现明显的变化，而主衍射峰强度出现大幅降低，但其特征峰保留完整，说明微波与超声处理未对其晶格造成破坏。另外，改性沸石在扫描角度26°～28°之间出现2个衍射峰，可能是沸石经NaCl浸渍改性后产生，也说明微波-超声波对NaCl溶液强化改性效果较好，Na+交换率极高，形成了Na型沸石(该型沸石吸附容量已被证实比合成的5A分子筛的吸附量还大)，其他原有结构均保持完整，保证了改性沸石良好的孔隙吸附能力。

图5 改性沸石组与天然沸石对照组的X射线衍射图谱

2.6.3 沸石Si、Al配位结构变化

图6(a、b)为天然沸石对照组与微波-超声改性沸石组的29Si NMR图谱，图6(a)在-200～0 mg/L之间分别出现4个信号峰，其化学位移如图中所示，分别代表Si(3AL)、Si(2AL)、Si(1AL)、Si(0AL)。与改性沸石组对比可知，在微波、超声波的协同作用以及NaCl溶液的浸渍，Si(2AL)的信号逐渐减弱消失，Si(1AL)信号逐渐增强，说明骨架四配位铝的减少，硅铝比升高。

图6(c、d)为沸石改性前后的27Al谱，可以区分沸石上骨架的铝和非骨架的铝。可以发现，总体上特征峰并未发生改变，说明改性前后结构的完整性，化学位移在40～65 mg/L之间明显可见特征峰，这恰好是骨架铝的化学位移处，代表着骨架四配位铝的存在。通过对比，改性后的骨架四配位铝信号明显减弱，说明铝氧四面体结构数量减少。由于铝氧四面体带负电荷，为保持电中性，其附近往往需要阳离子(通常是碱金属和碱土金属)来抵消，而微波与超声波技术在一定程度上清理了沸石里附着的碱土，因此改性后的沸石依然能较好维持电荷平衡。

图6 改性沸石组与天然沸石对照组的核磁共振图谱

3 讨论

3.1 不同沸石粒径和改性方法、超声波与微波工作参数对改性沸石氨氮去除效果的影响

小粒径沸石的比表面积更大，增强了沸石的氨氮吸附能力，更有利于沸石表面吸附的氨氮沿沸石微孔向沸石内部迁移[11]。在改性方法中，NaCl溶液作为沸石改性的基质液体，随着接触时间的延长，对沸石中半径较大的Ca2+、Mg2+等会逐渐被Na+所替代，起到扩大沸石孔道的作用，在一定程度上减小了氨氮吸附过程中的空间位阻[14]，从而提高了沸石的阳离子交换性能。随着微波与超声技术的强化辅助，由于微波独特的热效应，其电磁能可直接作用于介质分子并转换为热能，其透射性使沸石内外同时受热，加速了Na+与Ca2+、Mg2+的置换率[15]；此外，超声波的振动作用使本来就与沸石骨架结合不牢的杂质和碱土金属等脱落，使得沸石的比表面积进一步增大，沸石的吸附能力得到进一步提升。从“活性点位”理论出发，NaCl溶液、微波和超声使沸石孔道中某些点位被活化，因此可吸附更大容量的氨氮[8]。

微波功率越大，反而使沸石氨氮去除率总体呈下降趋势，可能是过高的微波功率反而破坏了沸石晶格孔穴中分布的阳离子和负电荷，打破了沸石内部静电力的分布。而随着微波工作时间的延长，沸石氨氮去除率总体呈上升趋势，说明微波在工作时需要一定时间充分产热，以达到提高沸石吸附能力的效果；微波工作12 min后沸石氨氮去除率出现下降，可能是微波长时间的工作导致NaCl溶液减少，破坏了水热反应条件，从而打破沸石内部的离子交换化学平衡，降低其吸附效果[16]。超声波虽也有产热过程，但短时间超声温度并未对沸石起到主要效果，因此，超声波主要是通过空化作用和弥散作用实现其效果。NaCl溶液中压强的降低使其中气体过饱和，产生很多小气泡，甚至将液体分子包括沸石孔道均会拉裂成空洞，形成近似真空的环境，随着作用时间的延长，功率增大，超声波反向压强最大化使液体分子破裂而产生剧烈冲击，对沸石起到清理污垢、去除杂质的作用，而超声频率对沸石氨氮去除率的变化是波动的，可能是不同频率配合不同功率会一定程度上造成沸石内部晶格孔径的破坏，在超声功率560 W、超声频率28 kHz时，对沸石氨氮去除效果最好。

3.2 氨氮溶液质量浓度和pH、沸石处理时间和投放量对改性沸石氨氮去除效果的影响

3.3 改性沸石对罗氏沼虾模拟保活的存活率和水质指标的影响

微波-超声协同强化NaCl溶液改性沸石对于罗氏沼虾模拟保活过程中水质控制具有一定的改善和应用价值。保活水质中主要危害成分即氨氮，改性沸石在保活前期的低氨氮质量浓度阶段，不断吸附水中氨氮，有效控制其质量浓度的升高，保活后期随着虾体排泄的逐渐减少及其生理状态的稳定，氨氮质量浓度增长缓慢，而此时改性沸石吸附尚未饱和，快速吸附水中氨氮质量浓度，因此保活48 h后的氨氮质量浓度反而更低。此外，改性沸石除了吸附氨氮而提高存活率，还可能在其发生离子交换过程中释放有利于虾体正常生存的矿物元素[20]。虽然亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和磷酸盐在罗氏沼虾保活过程中并未对虾体造成威胁，但改性沸石可通过将NO2转化为N2而逸出，也可以通过增加水中溶氧以促进有毒的亚硝酸盐向低毒硝酸盐的转化，以降低亚硝酸盐氮。因此硝酸盐氮并未有明显的降低。磷酸盐的减少主要是保活中后期，氨氮质量浓度的升高使得与改性沸石交换出更多的Ca2+与磷酸盐发生沉淀反应[21]。本试验保活中途未更换沸石包，如需进一步提高水质净化效果，可在保活12～24 h左右更换沸石包，此时氨氮质量浓度以及水质其他指标均处于蓄积增长的快速期。

4 结论

在粒径为1～2 mm，以先微波再超声法强化NaCl改性，在设置微波功率为低火(230 W)、微波时间10 min、超声功率560 W、超声频率28 kHz、超声时间50 min的条件下所制得的改性沸石在中性或弱碱性的氨氮溶液中吸附60 min，水体氨氮去除率随着沸石投放量的增加而显著提高。将其应用于罗氏沼虾实际模拟保活过程中，对水质氨氮具有明显吸附能力，并使亚硝酸盐、硝酸盐和磷酸盐含量均有所降低，细菌总数、溶氧量和pH均在罗氏沼虾适宜水质范围内变化，从而提高了保活过程中的存活率。因此，改性沸石对于罗氏沼虾保活过程中的水质控制具有一定的价值和实际意义。

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