磁性浮珠VMB@Fe3O4@CS 对鱼腥藻和微囊藻的去除

车文露,赵 岩,张高山,李彦鹏,2*(.长安大学水利与环境学院,陕西 西安 70054；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西 西安 70054)

鱼腥藻和微囊藻是有害蓝藻水华的代表性藻类,产生的藻毒素对水生态安全和人类健康造成了严重威胁[1].目前常见的蓝藻水华防控方法可以分为物理、化学和生物方法.曝气[2]、超声[3]、压力控藻等物理方法是有效的应急处置方案,但投资高且处理能力有限.微生物方法有控藻潜力但见效慢且缺少实际有效的应用案例[4].以杀灭或抑制藻类生长为主[5]的化学方法见效快、效果好,但易损伤其他水生生物,并可能产生有毒副产物.相比之下,利用低剂量的改性混凝剂或粘土,通过絮凝、沉淀过程,被证实可以缓解水华[6]减轻赤潮.

近年来,磁絮凝因能耗低、分离速度快而在微藻采收领域受到广泛关注.磁性粒子具有高比表面积、高表面能和独特的磁响应特性,可以作为絮凝剂吸附在微藻细胞表面,并受磁力作用迅速沉降至磁极周围.Fe3O4作为应用广泛的磁性粒子,化学性质不稳定,目前多使用聚合物[7-8]和表面活性剂对其表面进行涂覆改性,增强其稳定性并提高藻类去除效率.其中壳聚糖(CS)作为常用易得的表面改性剂,可以通过聚合物吸附桥接和电荷中和将带负电的微藻细胞收集到表面[9],从而提升分离效果,因而经壳聚糖修饰的磁性絮凝剂在治理水华和微藻采收[10-11]方面具有很好的应用前景.然而大多数磁性材料通常随重力作用沉入水体底部,大大增加了水华治理后水质再次恶化的风险[12],影响湖泊的后续修复策略.

为有效避免磁絮凝因沉降带来的二次污染风险,近来出现了一种能使微藻与絮凝剂结合体浮至水面的浮珠浮选法[13].其原理是用低密度的可浮微珠粘附微藻细胞,靠浮力作用使微藻浮珠结合体上浮到水面从而达到液固分离.玻化微珠(VMB)由于价格低廉、质轻且热工与力学性能稳定,非常适合作为浮珠的基底材料.然而天然的浮珠材料由于表面光滑吸附位点少难以形成有效粘附,造成微藻去除效率低.为此,有研究尝试通过PDDA 对硅硼酸钠表面改性来提高浮珠与微藻间的作用力[14],但其制备方法复杂繁琐,生物相容性低,且没有磁性不易与水体分离.此外,由于自然现象,湖泊的pH 值[15]、温度[16]、盐度[17]在季节性时间尺度上可以发生巨大变化,对除藻材料的去除性能产生一定影响,因此有必要确定磁浮珠在多样条件下的适用性.

本研究利用Fe3O4和壳聚糖对玻化微珠进行包覆制备得到新型磁浮珠VMB@Fe3O4@CS,在通过扫描电镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、振动样品磁强计(VSM)等手段确定磁浮珠性能的基础上,研究磁浮珠材料、磁浮珠投加量、pH 值、水温、离子强度等因素对磁性浮珠浮选法去2 种典型水华藻(水华鱼腥藻Anabaena flosaquae 和铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa)的影响,并分析探讨磁浮珠除藻的机理,旨在提供兼具絮凝和可浮性的除藻材料.

1 材料与方法

1.1 藻种培养

试验所用水华鱼腥藻FACHB-245(丝状形态)和铜绿微囊藻FACHB-90(球形细胞、块状集落)均来自中国科学研究院水生生物研究所淡水藻种库.使用BG-11 培养基在RGX-250 人工气候培养箱中对藻种进行混合式培养,控制温度(25±1) ℃,充气流量3.5L/min,光照度3500～4000Lux,光暗比为16h:8h.将水华鱼腥藻和铜绿微囊藻扩培至生物量约为0.2～0.25g/L 用于浮珠浮选实验.

1.2 磁浮珠的制备及表征

1.2.1 磁浮珠的制备 在去离子水中清洗筛选玻化微珠,收集上层玻化微珠于60℃下烘干.向其中加入一定量Fe3O4粉末和7% 稀盐酸溶液,混合均匀后,再次于60℃烘干.得到的颗粒进行多次去离子水清洗筛选至中性,以去除未包覆成功的Fe3O4,得到样品VMB@Fe3O4,以下简称为MFB.将0.3g 壳聚糖溶解于100mL 2%的醋酸溶液中,取一定体积的壳聚糖溶液加入上述颗粒,在烧杯中混合均匀后,于60℃下烘干 24h 得到最终的磁浮珠, 命名为VMB@Fe3O4@CS,以下简称为CS-MFB.经过测定得出其密度为0.8632g/cm3,小于水的密度(1g/cm³),具有天然可浮性.

1.2.2 磁浮珠的表征 CS-MFB 的形态特征采用扫描电子显微镜(S-4800,日立,日本)观察.X 射线衍射仪(D8Advance,Bruker,德国)用来测量玻化微珠和CS-MFB 的晶相结构.通过振动样品磁强计(PPMS-9,德国)对比分析了玻化微珠、Fe3O4和CS-MFB 的磁性能.傅里叶变换红外光谱仪(Tensor II, Bruker, Germany)用于描述玻化微珠、Fe3O4和CS-MFB 的表面官能团.

1.3 磁浮珠浮选实验

向装有100mL 藻液的烧杯中加入一定量的磁浮珠,放置于恒温磁力搅拌器上500r/min 搅拌5min,使用长方体永磁体从液体表层收获磁浮珠和微藻结合形成的絮状物,并于液面下2cm 处取样,用紫外可见分光光度计测量680nm 处的吸光度.去除率的计算公式如下:

式中:OD0代表未经磁浮珠去除的微藻悬浮液的吸光度值;OD1代表经过磁浮珠处理后的微藻悬浮液的吸光度值.

首先探究不同材料(CS-MFB、MFB、Fe3O4和玻化微珠)对两种水华藻的去除效果,其次研究不同投加量(水华鱼腥藻:0.015, 0.03, 0.04, 0.06, 0.075,0.09, 0.105, 0.12, 0.135g/L;铜绿微囊藻:0.035, 0.07,0.105, 0.14, 0.175, 0.21, 0.245g/L)、pH 值(4, 5, 6, 7, 8,9, 10)、水温(5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 ℃)、离子强度(0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.10,0.12mol/L NaCl、0.02,0.04, 0.06, 0.08, 0.10,0.12mol/L CaCl2)对CS-MFB除藻效果的影响.设置3 组平行实验,结果取平均值并计算误差.

1.4 形态学,表面疏水率和Zeta 电位分析

用奥林巴斯显微镜观察浮选实验结束后的磁浮珠-藻细胞聚集体,结合Zeta 电位和表面疏水性测试探究磁浮珠去除微藻的机理.藻细胞Zeta 电位使用Delsa 纳米Zeta 电位分析仪(Beckman Coulter,USA)测量.藻细胞的表面疏水率采用粘着碳氢化合物法(MATH)测量[18].

2 结果与讨论

2.1 磁浮珠的理化特性

由图1 可见,玻化微珠为不规则的球形,整体表面相对光滑,粒径大约为130µm.CS-MFB 的表面存在明显的颗粒聚集现象,粒径相较于玻化微珠增大了约10µm.CS-MFB 上凹凸不平的表面和沟壑可为捕获微藻提供更多的吸附平台,有利于微藻细胞的絮凝.

图1 VMB 和CS-MFB 的SEM 图Fig.1 SEM images(a) VMB;(b) CS-MFB

如图2 所示,玻化微珠的饱和磁感应强度为0.055emu/g,接近于0,说明玻化微珠不具有磁性.而包覆上 Fe3O4的 CS-MFB 的饱和磁化强度为2.108emu/g,且磁滞回线上没有明显的剩磁减少和矫顽力的出现,表明CS-MFB 具有超顺磁性.如图2所示,在浮选实验结束后,使用普通永磁体5s 内便可将CS-MFB 和微藻的结合体从液体表层分离,表明CS-MFB 可以方便快速地响应外加磁场.

图2 VMB、Fe3O4 和CS-MFB 的磁滞回线Fig.2 Hysteresis lines of VMB, Fe3O4 and CS-MFB

CS-MFB 和Fe3O4这两种磁性物质在2θ =30.27°、35.63°、43.31°、53.77°、57.23°和62.85°处的6 个特征峰(图3(a)),分别对应Fe3O4的标准衍射图的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440),表明Fe3O4成功包覆于玻化微珠表面.玻化微珠和CS-MFB 的XRD 谱图在20～28°的2θ 处出现的宽峰对应于非晶硅[19].可能由于玻化微珠的特征峰与壳聚糖的特征峰[20]相重叠,CS-MFB 谱图中未观察出在20.32°处的明显变化.

图3 VMB、Fe3O4 和CS-MFB 的X 射线衍射图和红外光谱图Fig.3 XRD Pattern and FTIR Spectrum of VMB, Fe3O4 and CS-MFB

玻化微珠的主要成分是二氧化硅,由于Si-O 的拉伸而产生的特征吸收带表现在玻化微珠和CSMFB1040cm−1附近的峰值(图 3(b)).玻化微珠在786cm−1处的特征峰和CS-MFB 在790cm−1处的特征峰来自于玻化微珠中的石英、长石、角闪石等矿物的振动.Fe3O4和CS-MFB 均在576cm−1处出现特征峰,这是由于Fe-O 的拉伸而产生的特征吸收带.CS-MFB 在1631cm−1处出现峰值是由于C=O 键的拉伸振动,同时在3450cm−1附近出现强的宽吸收峰对应于多糖-OH和-NH 的伸缩振动,这两处的峰值均与壳聚糖对玻化微珠的包覆有关[21-22].图3(b)红外光谱图展示了壳聚糖和Fe3O4成功对玻化微珠进行了修饰,且CS-MFB 表面存在的官能团可以为微藻细胞的捕获提供更多的吸附位点,是CS-MFB 具备优异去除性能的原因之一.

2.2 材料对除藻效果的影响

由图4 可见,使用CS-MFB、MFB、Fe3O4和玻化微珠在pH=7,25℃无外加电解质的条件下,4 种材料的去除效率:CS-MFB>MFB>Fe3O4>玻化微珠.由于沉降、惯性、拦截和扩散的作用,藻细胞黏附于低密度的玻化微珠上形成藻珠聚集体,使去除率维持在3.33%～7.03%之间.由于Fe3O4与磷脂之间的黏附相互作用和范德华力[23],单独投加Fe3O4对微藻的去除率达到60%左右.而壳聚糖的质子化氨基可以通过静电相互作用捕获带负电荷的微藻.可以看出,使用Fe3O4和壳聚糖对玻化微珠的修饰很大程度上提高了其对微藻的去除效果.随着投加量的增加,CS-MFB 对水华鱼腥藻、铜绿微囊藻的最佳去除效率分别达到了99.01%、98.6%.

图4 不同材料对水华鱼腥藻和铜绿微囊藻的去除率Fig.4 Removal efficiencies of A. flos-aquae(a) and M.aeruginosa(b) by different materials

2.3 投加量对除藻效果的影响

0.21g/L 的CS-MFB 使铜绿微囊藻的去除率达到98.6%,而水华鱼腥藻仅需使用0.12g/L 的CSMFB 就能够达到99.01%的去除率(图5(a)).这是由于两种藻类的形态差异.处于指数时期的水华鱼腥藻为细长的藻丝状,粒径较大,而铜绿微囊藻呈球状,粒径较小,比表面积大,使得相同生物量的铜绿微囊藻细胞数量更多,需要更多的CS-MFB 结合其活性结合位点.此外,随CS-MFB 浓度增加,两种微藻的去除效率达到最高后有回落现象.其原因是过量的阳离子电荷使微藻细胞重新稳定,干扰了絮体形成[24],从而降低去除效率.

图5 CS-MFB 用量、pH 值、水温、离子强度对除藻效果的影响Fig.5 The effects of CS-MFB dosage(a) pH(b) water temperature(c) and ionic strength(d) on algae removal

2.4 pH 值对除藻效果的影响

在浮选实验前调整藻液pH 值至4～10 发现藻细胞产生了不同程度的自我凝聚(图5(b)空白组).加入CS-MFB后,在H+浓度高的条件下,容易产生−NH3+、−COOH 和−POH,CS-MFB 表面正电荷增多,促进了CS-MFB对藻细胞的吸附.随着pH值从4增大至10,CS-MFB 对水华鱼腥藻和铜绿微囊藻的去除效率呈现缓慢下降趋势,分别从97.77%、97.85%下降到79.38%、81.65%.在pH>7 的条件下,由于CS-MFB表面的−NH2发生去质子化引起CS-MFB 表面负电荷量增加[25],CS-MFB 和藻细胞之间的静电引力减小导致去除率的下降.与其他研究中制备的絮凝剂[26-27]仅在较小区间内(7～9.5)、(4～6)有高于80%的去除效果相比,CS-MFB 在4～10 的pH 值下,均显现出较好的去除效果,表明本研究制备的CS-MFB 的去除性能受酸碱影响较小,对水体环境pH 值的适用范围更广泛,在有害藻华去除方面表现出极大潜力.

2.5 水温对除藻效果的影响

图5(c)显示,在浮选实验进行之前调整藻液温度对藻液产生了一定影响,5～15℃表现尤为明显,去除率最高达到20%.这是由于低温下藻细胞密度增大,浮力减小容易下沉[28].加入CS-MFB 后,水华鱼腥藻的去除率在63.35%～70.16%之间,铜绿微囊藻的去除率在64.02%～80.57%之间.CS-MFB 在本文设置的不同温度背景下对藻的去除率差异不大,表明CS-MFB 可以良好地适应不同温度的水体环境并发挥去除性能.

2.6 离子强度对除藻效果的影响

图5(d)表明,溶液中的NaCl 和CaCl2一定程度上影响了CS-MFB 与微藻间的粘附,当NaCl 从0 增加到0.12mol/L,CS-MFB 对水华鱼腥藻、铜绿微囊藻的去除率分别减少了20.05%、16.20%;CaCl2从0 增加到0.12mol/L,CS-MFB 对水华鱼腥藻、铜绿微囊藻的去除率减少17.60%、11.28%.赵晓红等[26]在壳聚糖改性铝污泥对铜绿微囊藻的絮凝去除中采用NaCl 和CaCl2来探究离子强度对絮凝效果的影响,发现相同离子强度下,水合度越小,对于壳聚糖阳离子排斥及分子链伸展的抑制作用就越大.由于CaCl2在溶液中的水合度较大[29],因此对除藻的抑制作用比NaCl 弱.这与本实验中NaCl 对磁浮珠去除效率影响大于CaCl2的结果一致.离子强度增加会降低藻细胞与浮珠之间的路易斯酸碱作用力[30],由于盐析效应以及表面聚电解质层构象变化之间的复杂相互作用的影响[31],阻碍了藻细胞与磁浮珠之间的粘附,降低了去除效率.另外,较高的离子强度压缩了细胞周围的双电层,降低了藻类的Zeta 电位绝对值[32-33],与磁浮珠的静电吸引作用减小,导致去除率下降.实验结果说明离子强度的增加对微藻的去除起负面影响.

2.7 磁浮珠去除微藻机理分析

微藻Zeta 电位和表面疏水率是影响絮凝过程的重要参数.因2 种藻的Zeta 电位、表面疏水率差异主要由于自身结构形态不同,故选取水华鱼腥藻展示其在不同CS-MFB 投加量、pH 值、水温、离子强度下的去除率、Zeta 电位以及表面疏水率变化(图6)来探讨CS-MFB 去除微藻的机理.

图6 CS-MFB 用量、pH 值、水温、离子强度对水华鱼腥藻的去除率、Zeta 电位、表面疏水率的影响Fig.6 The effects of CS-MFB dosage(a),pH(b),water temperature(c) and ionic strength(d) on the removal efficiency, Zeta potential,and surface hydrophobicity of A. flos-aquae

从图6(a)、(b)可以观察到,藻细胞呈电负性,而加入CS-MFB 后,藻细胞的Zeta 电位增大,在最接近零点电位时,去除效果达到最优.原因是微藻细胞表面Zeta 电位达到零电位时,微藻细胞之间斥力作用减弱,微藻悬浮体系失稳形成致密絮体,使藻细胞易从溶液中分离.这表明静电吸引是CS-MFB 絮凝微藻的主要机理.

由图7 可见,CS-MFB 的架桥作用使得未与其黏附的藻细胞也出现成片聚集的现象,能够为絮体的形成提供桥梁和纽带作用.有研究表明,在高离子强度的情况下,大量离子聚集在带正电的-NH3+周围,使壳聚糖分子链正电荷的相互排斥作用减弱,限制了壳聚糖分子链的空间延伸,吸附架桥功能丧失[34],导致其不能很好的絮凝除藻,去除率下降.图6(d)中离子强度增加,藻细胞表面电位上升到-3.06mV,去除率却从91.58%下降至80.3%的结果验证了这一点,说明吸附架桥是CS-MFB 絮凝微藻的机理.此外,分子热运动、藻细胞外聚合物[35]以及CS-MFB 表面分子链断裂的复杂作用导致不同温度下水华鱼腥藻的去除率相近.

图7 浮选实验前后水华鱼腥藻和铜绿微囊的显微镜图像Fig.7 Microscope images of A. flos-aquae(a,c) and M.aeruginosa(b,d) before and after flotation experiments

表面疏水率是一种较早用来表征细胞和颗粒黏附的参数.由图6 可以看出,水华鱼腥藻天然状态下具有较低的表面疏水率,合适剂量的CS-MFB、较酸的环境、适宜的温度和较低的离子强度可以提高藻细胞的表面疏水率.壳聚糖虽然具有高含量的疏水基团,但分子在壳聚糖中的随机分布导致亲水性占优势[36],CS-MFB 表面的极性基团深入藻细胞中发生缔合,露出非极性疏水尾定向朝外排列[37],提高了藻细胞的疏水性,使其更容易脱离原有的悬浮液环境,达到去除微藻的目的.总之,CS-MFB 能提高藻细胞的Zeta 电位或增加藻细胞的疏水性,从而通过静电吸引和疏水相互作用促进藻细胞的附着.

综上,可以得到静电吸引、吸附架桥是本研究中CS-MFB 对藻细胞主要的絮凝机理,图8 显示,藻细胞和CS-MFB 在静电吸引的作用下相互靠近,通过疏水相互作用导致CS-MFB 表面亲水性头部嵌入藻细胞中,附着在CS-MFB 表面,后经过吸附架桥,形成较大致密的絮凝体.

图8 VMB@Fe3O4@CS 与微藻的机理作用示意Fig.8 Schematic diagram of the mechanism interaction between VMB@Fe3O4@CS(CS-MFB) and microalgae

尽管目前研究仅在实验室尺度进行了去除实验,但磁浮珠VMB@Fe3O4@CS 的制备及去除性能证明目前方法简单有效,可以为开发更加高效绿色的除藻材料和实际水华治理提供新的思路和方法,下一步需要优化磁浮珠的稳定性和可重复使用性,并扩展到实际藻华处理的应用.

3 结论

3.1 以玻化微珠为基底材料,采用Fe3O4、壳聚糖对其进行包覆,通过SEM、XRD、FT-IR、VSM 等方法对材料进行表征,确定了VMB@Fe3O4@CS 的成功制备.

3.2 浮选实验结果得出VMB@Fe3O4@CS 对水华鱼腥藻、铜绿微囊藻的最佳去除效率分别达到99.01%(0.12g/L)、98.6%(0.21g/L).VMB@Fe3O4@CS对水体pH值(4～10)和温度(5～35 ℃)的适用范围较广,离子强度的增加对微藻的去除起负面影响.

3.3 VMB@Fe3O4@CS 能提高藻细胞的Zeta 电位或增加藻细胞的疏水性,从而通过静电吸引和疏水相互作用促进藻细胞的附着.并得出静电吸引、吸附架桥是VMB@Fe3O4@CS 去除水华藻的主要机理.