光催化作用下ZnO/SnO2/蒙脫石復合物去除顫藻的研究

呂　芳,郭立達,李文紅

(河北工業職業技術學院環境與化學工程系，石家莊　050091)

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光催化作用下ZnO/SnO2/蒙脫石復合物去除顫藻的研究

呂芳,郭立達,李文紅

(河北工業職業技術學院環境與化學工程系，石家莊050091)

本文采用水解法制備了一種ZnO/SnO2/蒙脫石復合物，并研究了其絮凝和抑制水華典型藻-顫藻的效果。XRD和TEM實驗表明在ZnO/SnO2/蒙脫石復合物中ZnO 和 SnO2納米顆粒分散表面。葉綠素a含量和總可溶性蛋白質含量表明，ZnO/SnO2/蒙脫石具有很強的吸附絮凝顫藻的作用，在紫外光的輔助作用下，ZnO/SnO2/蒙脫石可以通過光催化作用降解顫藻。紫外光下使用50 mg·L-1ZnO/SnO2/蒙脫石在1 h內，顫藻的葉綠素a去除率可以達到93.8%。ZnO/SnO2/蒙脫石可以通過吸附絮凝和光催化的協同作用去除顫藻。

ZnO; SnO2; 蒙脫石; 顫藻; 光催化

1　引　言

隨著人類生活水平的提高和工業的快速發展，大量含有氮磷營養元素的物質進入淡水池塘、河流、湖泊、水庫等水體，造成了水體富營養化，進而出現水華。一旦水華形成后，藻類物質會浮在水體表面，形成一層浮渣，使水的透明度明顯降低，陽光很難透射入湖水深層。這樣，深層的水體無法進行光合作用，而且藻類還會消耗溶解氧，從而使得水體溶解氧降低，影響水生生物生長[1]。同時一些藻類以及死亡的藻細胞散出發腥或異臭的氣味，不僅嚴重影響湖水的水質，而且氣味的擴散直接影響到了人類的生活和工作，使湖水的景觀價值大大降低[2]。目前，用于治理水華的方法主要有化學殺藻劑[3]、粘土絮凝[4-6]、磁性復合納米顆粒[7,8]、超聲波[9]、水生植物[10]、生物技術[11]和紫外輻射[12]等。

蒙脫石是一種天然層狀硅酸鹽礦物，層間具有離子交換性，且具有比表面積大，吸附性強的特點，是一種治理水華的理想天然凝聚劑，在國際上備受重視，使用表面活性劑改性的蒙脫石絮凝除藻，獲得了很好的效果[13]。粘土吸附絮凝除藻，可以快速絮凝沉降藻細胞，凈化水體，但粘土對藻細胞的破壞能力有限，當藻細胞和粘土絮體沉入水底一段時間后，藻細胞會重新懸浮。光催化半導體金屬氧化物是強氧化劑，可以分解水產生羥基自由基，氧化吸附在金屬氧化表面的有機物。有研究表明，羥基自由基可以氧化藍藻細胞內的蛋白質、脂類和核酸，破壞藻細胞的胞囊，引起藻細胞的解體[14]。金屬氧化物/蒙脫石復合物對藻細胞具有良好的吸附性能,可增加催化劑與藻細胞的接觸，實現利用吸附與光催化來協同降解藻細胞。

顫藻是生長在停滯和富含腐敗有機物水體中的一種絲狀藍線菌，可與藍藻門的小席藻、水華束絲藻和銅綠微囊藻等一起形成水華，污染水體[15]。本文利用蒙脫石層間域的特點，采用水解法制備了ZnO/SnO2/蒙脫石復合物，對其結構、成分、形貌特征進行分析,并研究ZnO/SnO2/蒙脫石復合物吸附與光催化協同作用去除顫藻的性能。

2　實　驗

2.1實驗材料

2.1.1儀器

人工氣候箱(MGC-300H，上海一恒科技有限公司)、紫外可見分光光度計(TU-1810PC，北京普析通用儀器有限公司)、低速臺式離心機(TDZ5-WS，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司)、超凈工作臺(SW-CJ，蘇州安泰空氣技術有限公司)、高壓滅菌鍋(YX-280A，合肥華泰醫療設備有限公司)、光化學反應儀(365 nm，500 W，西安波意爾精密儀器有限公司)、超聲波細胞粉碎機(Scientz-Ⅱ,寧波新芝生物科技股份有限公司)、生物顯微鏡(DMS600，深圳市博宇儀器有限公司)、透射電子顯微鏡(JEM-2100，日本JEOL)、X射線衍射儀(Axios，荷蘭PANalytical)。

2.1.2材料

顫藻，購自中科院水生生物研究所，編號為FACHB-1166；蒙脫石(浙江豐虹新材料股份有限公司)、氯化鋅(天津市大茂化學試劑廠)、四氯化錫(上海豪申化學試劑有限公司)、考馬斯亮藍(天津博迪化工股份有限公司)、牛血清蛋白BSA(Sigma)、三氯乙酸TCA(天津市凱信化學工業有限公司)、硫代巴比妥酸TBA(國藥集團化學試劑有限公司)、抗壞血酸(上海宇通生物科技有限公司)。

2.2實驗方法

2.2.1ZnO/SnO2/蒙脫石復合物的制備

5 g未經處理的鈉基蒙脫石加入適量去離子水中得到1wt%的蒙脫石懸浮液，攪拌使蒙脫石充分溶脹，而后將摩爾比為3∶1的氯化鋅和氯化錫加入到1wt%的蒙脫石懸浮液中，金屬離子的總量為10 mmol/g樣品。在連續攪拌條件下，滴加氫氧化鈉溶液，直到反應體系的pH值為7。反應物在70℃攪拌反應10 h，而后在70℃水熱反應6 h。產品過濾分離，用去離子水洗滌至沒有Cl-。產品于80℃的烘箱中干燥若干小時，500℃下煅燒3 h即得ZnO/SnO2/蒙脫石復合物。

2.2.2顫藻培養

用BG-11培養基，溫度控制在(24±1)℃，光照強度為2000 lux，光暗比12 h∶12 h的人工氣候箱中進行培養。實驗所用儀器和配制的液體培養基均經過120℃的高溫高壓滅菌，在超凈工作臺中接種顫藻，然后置于人工氣候箱中培養。

2.2.3除藻試驗

當顫藻生長到對數期時，離心收取藻細胞。棄去上清液，再用去離子水配制成一定濃度的藻懸液(2.81×108個/L)，在50 mL藻懸浮液中加入不同量的ZnO/SnO2/蒙脫石復合物，在光化學反應儀中(紫外光用的是汞燈，350 W)進行除藻試驗(同時以未投加光催化劑的藻液為對照)。反應結束后，取樣進行藻生理指標的測定。可見光(可見光用的是氙燈，350 W)照射下的除藻實驗在同樣條件下進行。

2.2.4藻類的去除率

計算公式[16]

：η(%)=(1-C/C0)×100%

其中：η為葉綠素a的去除率；C0和C分別表示實驗前和實驗后水樣中葉綠素a濃度。

反應后藻液，靜置30 min，于液面下3 cm取樣，測定葉綠素a含量，葉綠素a含量測定按國家環保局《水和廢水檢測分析方法》(第四版)[17]中的方法測定。

2.2.5可溶性蛋白測定

蛋白質含量的測定參考Bradford[18]方法進行，以牛血清蛋白作標準曲線，計算可溶性蛋白含量。取藍藻試樣5.0 mL，在9000 r/min下離心15 min，棄掉上清液，沉淀中加入5 mL磷酸鹽緩沖溶液(pH=7.2)，將混合液放入冰浴中，在超聲波破碎儀上超聲120 s，粉碎后，4℃靜置24 h，再在8000 r/min離心10 min，上清液即為可溶性蛋白提取液。測量波長為595 nm處的吸光度值A595，計算可溶性蛋白含量。

3　結果與討論

3.1ZnO/SnO2/蒙脫石復合物的表征

圖1　鈉基蒙脫石與ZnO/SnO2/蒙脫石復合物的XRD圖Fig.1　XRD patterns of montmorillonite and ZnO/SnO2/montmorillonite

由圖1為X射線衍射(X-ray diffraction，簡稱 XRD)圖可以看出，蒙脫石001峰出現在7.2° (d001=1.23 nm)，在煅燒前的ZnO/SnO2/蒙脫石復合物中蒙脫石001峰出現在2.8°(d001=3.61 nm)，001衍射峰向低角度遷移說明金屬組分插入了蒙脫石層間。煅燒前ZnO/SnO2/蒙脫石復合物XRD圖中還出現了SnO2的(110)、(101)和(211)峰，但ZnO的衍射峰不明顯，說明氧化鋅以無定型形式存在。煅燒后的ZnO/SnO2/蒙脫石復合物的XRD圖中，出現了ZnO的(100)、(002)和(101) 特征峰。然而，煅燒后蒙脫石的001衍射峰消失，說明煅燒后蒙脫石的層狀結構受到破壞。

由圖2a蒙脫石的透射電鏡(transmission electron microscope，簡稱TEM)圖看出，鈉基蒙脫石呈現片層結構。依據晶體的晶面間距，從圖2b可以看到SnO2和ZnO晶體分布在蒙脫石表面，圖2c顯示納米SnO2和ZnO晶體的晶格條紋。

圖2　蒙脫石和ZnO/SnO2/蒙脫石復合物的TEM圖(a)10 nm,150k×;(b)20 nm,60k×;(b)5 nm,300k×Fig.2　TEM images of montmorillonite and ZnO/SnO2/montmorillonite

3.2ZnO/SnO2/蒙脫石復合物的除藻性能

3.2.1葉綠素去除率

葉綠素a的變化是表征除藻效果的重要參數。圖3a和b分別為及可見光作用下1 h及紫外光輔助作用下1 h后，未添加任何除藻材料的對照組、添加ZnO/SnO2/蒙脫石的葉綠素a去除率。由圖中的數據可以看出，短時間可見光照射對顫藻的影響較小，可見光照射下，藻去除率僅為7.1%。加入不同量的蒙脫石時，在可見光作用下，除藻率變化不大，僅為41.9%左右，這是因為可見光作用下主要依靠蒙脫石的吸附絮凝除藻，而未經改性的蒙脫石由于表面帶負電荷，對同樣帶負電荷的藻細胞的吸附絮凝能力較弱[20]，因此除藻率并不高。未添加任何除藻材料時，在紫外光照射下，藻去除率為53.2%，這是因為紫外光本身對藻有一定的破壞作用[19]；加入不同量的ZnO/SnO2/蒙脫石復合物時，紫外光照射，除藻率最高達到93.8%，說明在紫外光作用下，ZnO/SnO2/蒙脫石復合物產生光催化除藻的作用，吸附與光催化的發揮協同作用降解藻細胞。可見光作用下，加入不同量ZnO/SnO2/蒙脫石復合物，除藻率可以達到82.3%，除藻率高于未改性蒙脫石，這可能由于ZnO/SnO2/蒙脫石復合物吸附絮凝藻細胞的能力增強，也可能是由于ZnO/SnO2/蒙脫石復合物在可見光作用下也具有一定殺藻能力造成的。另外,由圖4b的數據還可以看出，隨ZnO/SnO2/蒙脫石復合物用量增加，除藻率增加，加入量為50 mg/L時，除藻率達到最大，再增加光催化劑用量，除藻率反而有所下降。隨著催化劑用量增加,參與光催化反應的有效催化劑濃度不斷增大,催化效率提高,但催化劑用量過大會影響光催化反應時催化劑吸收光的能力,進而影響光催化反應的效率。

圖3　顫藻的葉綠素a去除率Fig.3　Removal rate of chlorophyll a of oscillatoria

圖4　顫藻可溶性蛋白濃度變化Fig.4　TSP concentration variation of oscillatoria

3.2.2可溶性蛋白含量

圖4a和b分別為可見光作用下1 h后及紫外光輔助作用下1 h后，未添加任何除藻材料的對照組、添加蒙脫石和ZnO/SnO2/蒙脫石的可溶性蛋白含量。在可見光照射下，與初始藻液的可溶性蛋白含量(125.1 mg/L)相比，不添加蒙脫石、加入蒙脫石及ZnO/SnO2/蒙脫石，可溶性蛋白含量略有降低，整體變化不大，說明在可見光照射下主要依靠吸附絮凝除藻，而吸附絮凝作用對藻細胞的活性影響較小。同時也進一步證明了3.2.1節中可見光照射下，ZnO/SnO2/蒙脫石使葉綠素a含量的降低主要通過吸附絮凝藻細胞產生的。在紫外光照射下，與初始藻液的可溶性蛋白含量相比，不添加蒙脫石、加入蒙脫石及ZnO/SnO2/蒙脫石時，可溶性蛋白均出現了大幅度的降低。不添加任何除藻材料與添加蒙脫石相比，可溶性蛋白含量變化不大，這是因為蒙脫石本身沒有光催化作用，可溶性蛋白含量的減少主要是紫外對藻細胞器的損傷引起的；而加入ZnO/SnO2/蒙脫石的的顫藻試樣的可溶性蛋白含量要低于單獨紫外照射處理的含量，說明ZnO/SnO2/蒙脫石的光催化抑藻作用要強于單獨紫外的抑藻作用。可溶性蛋白含量的變化說明:單獨紫外照射和ZnO/SnO2/蒙脫石的光催化除藻作用，均可使藻細胞內的細胞器遭受到不可逆損傷，抑制藻細胞的正常生理代謝，加入ZnO/SnO2/蒙脫石的后抑藻作用增強。

3.2.3藻細胞形態

由圖5顫藻處理前后的形態對比圖可以看出單獨紫外照射后，藻體形態變化不大，經ZnO/SnO2/蒙脫石復合物紫外光催化處理后，顫藻發生斷裂，藻活性受到抑制。

圖5　藻細胞形態Fig.5　Morphology of oscillatoria

4　結　論

本研究采用水解法制備了ZnO/SnO2/蒙脫石復合物。納米ZnO和納米SnO2晶體分布在蒙脫石表面。在紫外光輔助下，ZnO/SnO2/蒙脫石復合物的用量為 50.0 mg/L,1 h后顫藻的除藻率可達93.8%，表現出了良好的除藻效果。在紫外光作用下，ZnO/SnO2/蒙脫石復合物可通過吸附絮凝和光催化協同作用去除顫藻，光催化作用可以改變藻細胞的形態，降解藻細胞內含物，從而阻止顫藻的生長。ZnO/SnO2/蒙脫石復合物對顫藻具有較好的吸附絮凝作用，在可見光下，吸附絮凝除藻率可以達到82.3%。

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Oscillatoria Removal Using ZnO/SnO2/Montmorillonite Composite under the Photocatalysis

LV fang,GUO Li-da,LI Wen-hong

(Department of Environment and Chemical Engineering,Hebei College of Industry and Technology,Shijiazhuang 050091,China)

ZnO/SnO2/montmorillonite composite by hydrolytic method was prepared and studied the capacities of the composite to flocculate and restrict the growth of oscillatoria a typical cyanobacterial causing water bloom were studied. XRD and TEM showed that ZnO and SnO2nanoparticles disperse on the surface of ZnO/SnO2/montmorillonite. The determinations of chlorophyll a levels and total soluble protein content demonstrated that ZnO/SnO2/montmorillonite has stronger absorption effect on Oscillatoria. And has a good photocatalytic degradation effect on Oscillatoria under UV irradiation. The chlorophyll a removal efficiency of oscillatoria was 93.8% in 1 h using 50 mg·L-1ZnO/SnO2/montmorillonite under the assist of UV. ZnO/SnO2/montmorillonite could promote the removal of oscillatoria by the synergy of absorption flocculation and photocatalysis.

ZnO；SnO2；montmorillonite;oscillatoria;photocatalysis

河北省高等學校科學技術研究指導項目(Z2012009)

呂芳(1979-)，女，碩士，講師.主要從事化學化工方面的研究.

TB33

A

1001-1625(2016)02-0611-06