氧納米氣泡促進有機污染物光降解的研究

(北京市第十五中學,北京 100000)

0 引言

理論上講，地球上的含水量大約有14億立方千米，然而可用水量其實不足4.5萬立方千米（約為總量的0.003%），而且其中只有9000到1.4萬立方千米適合人類使用（約為總量的0.001%）。而我國水利部門也曾經對全國700余條河流，約10萬公里河長的水資源質量進行了評價，結果是46.5%的河長受到污染，水質只達到四、五類；10.6%的河長嚴重污染，水質為超五類，水體已喪失使用價值；90%以上的城市水域污染嚴重。水污染正從東部向西部發展，從支流向干流延伸，從城市向農村蔓延，從地表向地下滲透，從區域向流域擴散。原國家環保局曾經發布新聞，我國每年廢水排放量為365億噸左右，而每噸污水能夠污染大于它40倍的自然水。全中國七大流域的主要河流有機污染普遍，主要湖泊富營養化嚴重[1，6]。然而我國很多地區受限于資金、技術等多方面原因，水污染治理還顯得力不從心。

納米氣泡物理學界也稱為微納氣泡，是氣體和液體的分界面上存在的一種特殊狀態的氣泡，其直徑在50um以下[2，3]。它在發生之后，會收縮自己，在這個過程因氣泡變小而上升，速度變緩，融化效率變高。由于納米氣泡具有表面積大、表面能大、氣泡內能大、氣泡能夠穩定存在、無二次污染、使用安全等諸多優良特點[4，5]，所以將其引入污水處理的領域，具有非常廣闊的應用前景。本文將如何高效利用氧納米氣泡進行有機污染廢水處理作為研究的目的。

1 實驗過程

1.1 準備工作

1.1.1 配置儲備液

配置抗生素濃度為1000mg/l的儲備液500ml作為模擬廢水，后續實驗稀釋使用。

1.1.2 繪制模擬廢水標準曲線

配置濃度（C）分別為50mg/l、200mg/l、400mg/l、600mg/l，以及原儲備液1000mg/l的作為模擬廢水。用分光光度儀掃描溶液，確定吸收峰位置，測定在這一波長下，不同濃度（C）抗生素溶液的吸光度值（A），繪制濃度吸光度標準曲線圖，即A—C工作曲線圖（見圖1）。

圖1 A—C工作曲線圖

1.1.3 制作光催化系統

首先，用鐵架臺固定好金屬鹵化物燈。選擇了較為接近自然光源的寬波長金屬鹵化物燈作為模擬光源（工作波長為400-700nm）。

第二，設計、制作冷卻裝置。為確保金屬鹵化物燈長時間穩定工作，在外面制作冷卻裝置，與燈共同組成光催化系統，并用玻璃罩作為實驗液體的盛器。

第三，設計、制作防護裝置。金屬鹵化物燈長時間直射會對人體造成影響，為保護實驗者，用不透明硬紙箱罩住光催化系統，上開口，覆以錫箔紙遮光。

1.2 分組實驗

經過研究分析，篩選出五個常見、且易于推廣的影響因素，進行分組實驗。

1.2.1 第一組實驗

使用氧納米氣泡對有機污染物光降解的影響：對比在使用氧納米氣泡和不使用的情況下模擬廢水的降解率，探究納米氣泡對有機污染物光降解效果的影響。

第一步，用兩份40ml的儲備液制作溶液，作為模擬廢水。其中一份用氣泡發生裝置制作的納米氣泡水稀釋至100mg/l，另一份用超純水稀釋至100mg/l。

第二步，分別置入光催化系統，于0分鐘、30分鐘、60分鐘、90分鐘、120分鐘、150分鐘，分別取樣，用移液槍移入石英比色皿，放入紫外—可見光光分度儀進行掃描測量，得到不同時間點的吸光度值A，記錄、保存并導出圖表。

1.2.2 第二組實驗

氧氣氛、氮氣氛對納米氣泡光降解的影響：對比氧氣氛納米氣泡和氮氣氛納米氣泡下模擬廢水的降解率，探究不同氣氛的納米氣泡對有機污染物光降解效果的影響。

第一步，用兩份40ml的儲備液制作溶液：一份用氣泡發生裝置制作的納米氣泡水稀釋至100mg/l，完成氧氣氛納米氣泡的制作；一份用超純水稀釋至100mg/l，并用氮氣瓶曝氣，完成氮氣氛納米氣泡的制作。

第二步，按照第一組實驗第二步所列步驟完成不同模擬廢水光降解數據測定（由于氮氣氛的實驗原液超出光度計量程，所以對所取樣品進行5倍稀釋進行研究，同等倍數稀釋不影響最終結果），得到吸光度圖。

1.2.3 第三組實驗

不同濃度的抗生素溶液對納米氣泡光降解的影響：對比不同濃度的模擬廢水，在氧納米氣泡作用下的降解率，探究模擬廢水濃度對氧納米氣泡光降解效果的影響。

第一步，用氣泡發生裝置制作納米氣泡水，分別稀釋儲備液至 100mg/l、200mg/l、300mg/l。

第二步，按照第一組實驗第二步所列步驟完成實驗數據測定，得到不同濃度的有機污染物的吸光度圖。

1.2.4 第四組實驗

不同酸堿度抗生素溶液的光降解效率：對比不同酸堿度的模擬廢水，在氧納米氣泡作用下的降解率，探究酸堿度對氧納米氣泡光降解效果的影響。

第一步，用氣泡發生裝置制作的納米氣泡水，稀釋出4份儲備液至100mg/l。

第二步，用pH計測量一份原液的pH值，為7.14；用NaOH，H2SO4調試出pH值分別為3.43、7.14、9.00、11.01的模擬廢水。

第三步，按照第一組實驗第二步所列步驟完成不同pH值的抗生素溶液光降解數據測定，得到吸光度圖。

1.2.5 第五組實驗

光照波長對有機污染物的納米氣泡光降解效率的影響：對比寬波光照和定波光照，模擬廢水在氧納米氣泡作用下的降解率，探究光照波長對光降解效果的影響。

第一步，用氣泡發生裝置制作的納米氣泡水，稀釋2份儲備液至100mg/l。

第二步，用寬波長金屬鹵化物燈（400-700nm）和單波長燈（380nm），分別照射實驗溶液，按照第一組實驗第二步所列步驟完成數據測定，得到不同濃度的模擬廢水的吸光度圖。

《隋志》又依據了《隋大業正御書目》等前代公藏書目。大業即隋煬帝605—616年之間。如果拋開其他因素，假設《隋志》所著錄的《嵇康集》就是從《隋大業正御書目》而出，那么可以肯定，《隋志》所錄十三卷本《嵇康集》在隋煬帝大業年間絕對存在，這是它的存在的時間上限，因而它的通行年代至少是隋煬帝大業(隋煬帝605—616)年間及梁之后。

2 結果與討論

通過測定不同組別模擬廢水的吸光度值，參照抗生素溶液的標準曲線，得到反應前后抗生素溶液的降解率R，R=[(C0-Ct)/C0)]×100%。其中C0是光照前抗生素溶液的濃度，Ct是光照后抗生素溶液的濃度（Ct取實驗時間最大值150分鐘時的測量數值）。由圖1的A—C工作曲線圖我們可以看出，A、C為正比例函數關系，它們之間的關系為：C=kA(k≠0)。

所以，R=[(C0-Ct)/C0)]×100%，可以表達為R=[(kA0-kAt)/A0]×100%=[(A0-At)/A0]×100%。因此，我們只要利用測量出吸光度值A按照公式進行計算，就可以得出降解率R。

將各組實驗數據按照公式計算后，得到以下結果（需要注意的是，在實驗中，發現90-150分鐘的部分圖形基線有所上移，因此后期進行降解率的計算時，要考慮基線上移影響因素）。

2.1 第一組實驗結果

在第150分鐘時，計算出氧氣氛納米氣泡對模擬廢水的光降解率為40.50%，無納米氣泡的情況下光降解率為6.00%。由此可知，加入納米氣泡的有機廢水降解率高于不加入的。圖2為根據實驗數據繪制出吸收峰隨時間變化比對圖。

圖2 模擬廢水吸收峰比對圖

圖3 模擬廢水吸收峰比對圖

分析推測這是因為與不含納米氣泡的體系相比，氧納米氣泡能夠為反應體系提供氧，即活性氧自由基，促進了污染物的降解。

2.2 第二組實驗結果

在150分鐘時，計算出氧氣氛納米氣泡對模擬廢水的光降解率為53.67%，氮氣氛納米氣泡的光降解率為-1.65%?？梢娧鯕夥盏募{米氣泡對模擬廢水的光降解率高于氮氣氛的納米氣泡。圖3為根據實驗數據繪制出吸收峰隨時間變化比對圖。

2.3 第三組實驗結果

在150分鐘時，計算100mg/l濃度的模擬廢水的光降解率為34.13%，200mg/l濃度的模擬廢水的光降解率為53.67%，300mg/l濃度的模擬廢水的光降解率為29.23%。可見氧納米氣泡光降解率隨有機廢水的初始濃度升高，呈n型變化。圖4為根據實驗數據繪制出吸收峰隨時間變化比對圖。

圖4 模擬廢水吸收峰比對圖

圖5 模擬廢水吸收峰比對圖

分析推測這是因為污染物的降解率受到體系中納米氣泡濃度的影響，因此在一定濃度的納米氣泡體系內，污染物在一定濃度范圍內能夠有效降解，濃度過高，無法提供足夠的活性氧促進降解，反而會降低降解率。

2.4 第四組實驗結果

在150分鐘時，計算pH值為3.43的模擬廢水降解率為4.61%，pH值為7.14的降解率為34.13%，pH值為9.00的降解率為41.58%，pH值為11.01的降解率為59.13%。可見，pH值越高的有機廢水的降解率越高。圖5為根據實驗數據繪制出吸收峰隨時間變化比對圖。

分析推測這是因為高pH值條件下抗生素的吸光度有紅移現象，能夠吸收更多的可見光，促進其降解；pH值對納米氣泡的穩定性也有影響， 高pH值條件下納米氣泡的尺寸更小，活性更高。

2.5 第五組實驗結果

在150分鐘時，寬波長的光照射模擬廢水降解率為53.67%，定波長的光照射模擬廢水降解率為-110.43%。圖6為根據實驗數據繪制出吸收峰隨時間變化比對圖。

圖6 模擬廢水吸收峰比對圖

寬波長燈比定波長燈的降解率高，分析推測這是因為主要是因為寬波長吸收范圍與抗生素的波長掃描范圍重合較多，因此光的吸收利用效率高，從而光降解率高。且380nm單波長照射下，水中產生了其他吸光雜質。

3 結論

實驗說明，氧納米氣泡有助于促進有機污染廢水的光降解；氧氣氛中的降解效率高于氮氣氛；氧納米氣泡光降解率隨有機廢水的初始濃度升高，呈n型變化；pH值越高的有機廢水的光降解率越高；寬波長金屬鹵化物燈的催化作用優于單波長燈（380nm）。

因此，可以得到以下結論：有機污染廢水可利用氧納米氣泡輔以寬波長金屬鹵化物燈照射進行有效降解，并考慮采取適當方法調高有機廢水pH值和初始濃度到適當范圍，以進一步提高降解率。