微波-超聲協同強化NaCl改性沸石對羅氏沼蝦模擬保活中水質氨氮去除的研究

楊 豐，李 念，陳露珠，安 鑫，施文正,2，汪之和,2,3

(1 上海海洋大學食品學院，上海 201306；2 國家淡水水產品加工技術研發分中心，上海 201306；3 上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306)

在相關研究基礎上，將單一鹽溶液浸漬法與超聲波、微波等技術聯用，尤其對于各改性方法聯用的參數條件進行具體優化，應用至水產品模擬保活的水質凈化中，并對復合改性后的沸石進行表征分析和機理探索，以期為水產品保活流通及養殖領域的水質改善，乃至濾料領域提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

羅氏沼蝦，購于上海市浦東新區新蘆苑集貿市場，充氧水運至實驗室后，于暫養池以(25±1)℃條件下饑餓暫養24 h，體質量每尾20～30 g，體長10～15 cm，試驗均設3個平行，每一平行用蝦的數量為25尾，其中暫養及保活用水均為充分曝氣后的自來水。

沸石濾料，規格有4種，分別為1～2、3～6、6～10和10～20 mm，購于河南省鞏義市豫嵩給排水器材廠，其主要化學成分：SiO2為68.60%，Al2O3為12.43%。

1.2 儀器

JPB-607型便攜式溶氧測定儀(上海精密科學儀器有限公司)；FE28型pH計(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；5B-3N型便攜式氨氮測定儀(上海連華實業有限公司)；掃描電子顯微鏡(日本日立)；全自動間斷化學分析儀(德國DeChem-Tech公司)；AVANCE NEO 600兆寬腔固體核磁共振波譜儀(德國Bruker公司)；Autosorb-IQ3 比表面積與孔隙度分析儀(德國Bruker公司)；D8 ADVANCE Da Vinci 多功能X射線衍射儀(德國Bruker公司)

1.3 方法

1.3.1 不同沸石粒徑和改性方法對氨氮去除率的影響

設置4種沸石粒徑，在NaCl溶液對沸石吸附能力影響相關研究的基礎上，用摩爾濃度為0.8 mol/L的NaCl改性天然沸石30 min后，進行先微波再超聲(微波功率385 W，時間6 min；超聲功率560 W，頻率40 kHz，時間20 min)、先超聲再微波、超聲、微波4種方法進行強化改性，沸石改性后用去離子水反復清洗至水質澄清，105℃烘干，同時準備僅NaCl改性和未改性處理的沸石備用，各取不同粒徑的沸石2 g，放入20 mg/L質量濃度的100 mL氨氮標準溶液中，以150 r/min振蕩，20 ℃吸附60 min，計算氨氮去除率。

1.3.2 不同超聲功率、頻率和處理時間改性沸石對氨氮去除率的影響

設置超聲功率為240、400、560、720 W，對粒徑1～2 mm的沸石強化改性，以40 kHz頻率處理20 min后得到不同超聲功率改性沸石，并設置投放量為20 g/L進行吸附試驗。目前國內外對超聲頻率的研究鮮有報道，本研究探索性選擇25、28、40和59 kHz 4種不同頻率，以560 W功率處理20 min后得到不同超聲頻率改性沸石，并各取制備后的改性沸石進行試驗；以功率為560 W、頻率為28 kHz，分別強化處理5、20、40和60 min，得到不同超聲時間改性沸石，并各取制備后的改性沸石進行試驗。

1.3.3 不同微波功率和處理時間改性沸石對氨氮去除率的影響

設置火力5檔：低火(120 W)、中低火(230 W)、中火(385 W)、中高火(540 W)、高火(700 W)，處理6 min，取制備后的改性沸石進行試驗；設置微波功率為中低火，分別處理3、6、9、12、15 min，各取制備后的改性沸石進行試驗。

1.3.4 正交試驗

根據單因素試驗，設置超聲頻率為28 kHz，微波功率為中低火，分別以超聲功率、超聲時間、微波時間設置三因素三水平的正交試驗，以氨氮去除率為考察指標，進行微波-超聲法協同強化NaCl改性沸石的工藝優化并驗證。

1.3.5 改性沸石投放量、吸附時間和氨氮溶液的pH、質量濃度對氨氮去除率的影響

分別設置投放量為5、10、20、30、40和60 g/L，吸附時間為10、20、40、60、90和120 min，氨氮溶液pH為7.0、7.5、8.0、8.5，氨氮質量濃度為10、20、30、40 mg/L，以150 r/min振蕩，20 ℃吸附30 min，計算氨氮去除率。

1.3.6 改性沸石對羅氏沼蝦實際模擬保活過程中水質的影響

設置投放量為30 g/L，分別在0、12、24、36和48 h測定水質細菌總數、pH、溶氧、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和磷酸鹽，從而研究改性沸石的水質處理實際效果，以不加沸石為空白組、加未改性沸石為對照組并記錄蝦的存活率。

氨氮采用5B-3N便攜式氨氮測定儀測定；pH采用pH計測定；溶氧采用溶氧測定儀測定；細菌總數根據標準GB4789.2—2016《食品衛生微生物檢驗：菌落總數測定》[13]測定；硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、磷酸鹽均采用全自動間斷化學分析儀測定。

1.3.7 改性沸石的表征及其機理探究

掃描電子顯微鏡(SEM)分析沸石形貌特征；比表面積儀測試沸石比表面積；固體核磁共振分析沸石硅、鋁配位結構；X射線衍射儀分析沸石晶體結構變化。

1.3.8 數據處理

使用SPSS24.0軟件對試驗結果進行分析，在單因素方差分析(ANOVA)的基礎上采用Duncan多重比較，取P<0.05為差異顯著，利用Origin9.1軟件作圖。

2 結果

2.1 不同沸石粒徑和改性方法對氨氮去除率的影響

如圖1所示，不同沸石粒徑對水質氨氮去除率均有明顯的影響，沸石粒徑越小，其氨氮吸附能力越強，粒徑1～2 mm的未改性沸石吸附60 min，氨氮去除率可達78.22%，比3～6 mm粒徑的吸附能力提高1.91%，比10～20 mm粒徑提高了9.76%。通過微波、超聲強化NaCl改性后的沸石，其氨氮吸附能力比僅進行NaCl改性有了明顯提高，其中利用先微波后超聲法強化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%。

圖1 不同沸石粒徑和改性方法對氨氮去除率的影響

2.2 超聲波與微波強化制備改性沸石的單因素參數優化

圖2顯示了微波與超聲的功率、頻率、處理時間等參數變化對沸石氨氮去除率的影響，結果表明，較好的參數條件為：微波功率為低火(230 W)、微波時間12 min、超聲功率560 W、超聲頻率28 kHz、超聲時間40 min。各參數均對氨氮去除率有顯著影響(P<0.05)。

圖2 微波功率、時間與超聲功率、頻率、時間對氨氮去除率的影響

2.3 正交試驗

根據超聲功率、超聲時間、微波時間進行三因素三水平正交試驗，結果見表1。

表1 微波-超聲波協同強化NaCl改性沸石的正交試驗結果

通過正交試驗以氨氮去除率為參考指標作方差分析見表2。由表2可知，超聲功率、超聲時間和微波時間均對氨氮去除率具有顯著影響(P<0.05)，主次關系為A(超聲功率)>C(微波時間)>B(超聲時間)，最佳水平為A2B3C1，即超聲功率560 W、超聲時間50 min、微波時間10 min。

表2 方差分析表

對正交試驗結果進行驗證，在超聲功率560 W、超聲頻率28 kHz、超聲時間50 min、微波功率230 W、微波時間10 min時所改性得到的沸石，在20 mg/L的氨氮標準溶液中投放20 g/L、吸附60 min達到平衡，其氨氮去除率為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 改性沸石吸附試驗條件的影響

圖3顯示了改性沸石在不同水質氨氮質量濃度、pH、吸附時間和沸石投放量等條件下對氨氮去除率的影響。本研究改性沸石主要應用于羅氏沼蝦實際模擬保活中的水質處理，故根據實際情況，設置水質氨氮質量濃度為10～40 mg/L，pH為7.0～8.5。隨著氨氮質量濃度的增加，一定時間內氨氮去除量逐漸上升，即改性沸石吸附氨氮的量越多。pH=7.0時，吸附效果最佳，隨著水質堿性增強，氨氮去除率也隨著下降。而且，微波-超聲改性沸石對氨氮去除效果最好。

圖3 氨氮質量濃度、水質pH、沸石投放量和吸附時間對氨氮去除率的影響

隨著沸石投放量的增加和吸附時間的延長，不同改性沸石的氨氮去除率均逐漸上升，當投放量從5 g/L提高到30 g/L時，微波-超聲強化改性沸石組的氨氮去除率最高，從51.35%快速上升至95.08%，而后緩慢上升，變化不顯著(P>0.05)；此外，改性沸石在處理20 min內，氨氮去除率顯著上升(P<0.05)，在吸附60 min后逐漸趨于平衡，其中，微波-超聲強化改性沸石對氨氮去除率效果最好。

由此可知，在pH為中性和弱堿性、沸石投放量為30 g/L、振蕩吸附60 min的條件下，隨著沸石投放量的增加，對水體中氨氮的去除率也增加。

2.5 改性沸石對羅氏沼蝦模擬保活過程中存活率和水質指標的影響

表3顯示了羅氏沼蝦的存活率及保活水質的變化。通過微波-超聲強化改性沸石對氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和磷酸鹽均有吸附作用，可明顯提高羅氏沼蝦在保活過程中的存活率在保活48 h后，改性組水質氨氮比未改性組和空白組分別降低了51.0%和55.5%。而改性沸石對細菌總數、溶氧量和pH的影響不大，這些指標均在羅氏沼蝦適宜水質范圍內。

表3 羅氏沼蝦的存活率及保活水質的變化

2.6 改性沸石表征及其吸附機理探討

2.6.1 掃描電子顯微鏡分析及比表面積測定

圖4(a、b、c、d、e和f)分別顯示了微波-超聲協同強化改性沸石與未改性天然沸石的表面形貌圖片，所顯示的放大倍數分別為1 000倍、2 000倍和4 000倍。

圖4 改性沸石組與天然沸石對照組的掃描電子顯微鏡圖

圖片顯示，天然沸石表面形貌較為平整，且雜質較多、較大，孔道少；經微波-超聲協同改性后，沸石顆粒表面較為疏散，更加粗糙，且雜質減少、減小，出現更多孔道。這說明在微波和超聲雙重作用下，拓寬了沸石孔道，去除了沸石原顆粒內一些水分和其他無機雜質，使得沸石的孔徑增大，脈絡可見，比表面積由原來的36.760 m2/g增加到40.386m2/g，從而吸附氨氮能力得到明顯提高。

2.6.2X射線衍射圖譜變化

由改性前后的X射線衍射圖譜(XRD圖譜)(圖5)可知，對比天然沸石的XRD譜圖，微波-超聲協同改性后的晶體結構變化很小，衍射峰的位置未發現明顯的變化，而主衍射峰強度出現大幅降低，但其特征峰保留完整，說明微波與超聲處理未對其晶格造成破壞。另外，改性沸石在掃描角度26°～28°之間出現2個衍射峰，可能是沸石經NaCl浸漬改性后產生，也說明微波-超聲波對NaCl溶液強化改性效果較好，Na+交換率極高，形成了Na型沸石(該型沸石吸附容量已被證實比合成的5A分子篩的吸附量還大)，其他原有結構均保持完整，保證了改性沸石良好的孔隙吸附能力。

圖5 改性沸石組與天然沸石對照組的X射線衍射圖譜

2.6.3 沸石Si、Al配位結構變化

圖6(a、b)為天然沸石對照組與微波-超聲改性沸石組的29Si NMR圖譜，圖6(a)在-200～0 mg/L之間分別出現4個信號峰，其化學位移如圖中所示，分別代表Si(3AL)、Si(2AL)、Si(1AL)、Si(0AL)。與改性沸石組對比可知，在微波、超聲波的協同作用以及NaCl溶液的浸漬，Si(2AL)的信號逐漸減弱消失，Si(1AL)信號逐漸增強，說明骨架四配位鋁的減少，硅鋁比升高。

圖6(c、d)為沸石改性前后的27Al譜，可以區分沸石上骨架的鋁和非骨架的鋁。可以發現，總體上特征峰并未發生改變，說明改性前后結構的完整性，化學位移在40～65 mg/L之間明顯可見特征峰，這恰好是骨架鋁的化學位移處，代表著骨架四配位鋁的存在。通過對比，改性后的骨架四配位鋁信號明顯減弱，說明鋁氧四面體結構數量減少。由于鋁氧四面體帶負電荷，為保持電中性，其附近往往需要陽離子(通常是堿金屬和堿土金屬)來抵消，而微波與超聲波技術在一定程度上清理了沸石里附著的堿土，因此改性后的沸石依然能較好維持電荷平衡。

圖6 改性沸石組與天然沸石對照組的核磁共振圖譜

3 討論

3.1 不同沸石粒徑和改性方法、超聲波與微波工作參數對改性沸石氨氮去除效果的影響

小粒徑沸石的比表面積更大，增強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內部遷移[11]。在改性方法中，NaCl溶液作為沸石改性的基質液體，隨著接觸時間的延長，對沸石中半徑較大的Ca2+、Mg2+等會逐漸被Na+所替代，起到擴大沸石孔道的作用，在一定程度上減小了氨氮吸附過程中的空間位阻[14]，從而提高了沸石的陽離子交換性能。隨著微波與超聲技術的強化輔助，由于微波獨特的熱效應，其電磁能可直接作用于介質分子并轉換為熱能，其透射性使沸石內外同時受熱，加速了Na+與Ca2+、Mg2+的置換率[15]；此外，超聲波的振動作用使本來就與沸石骨架結合不牢的雜質和堿土金屬等脫落，使得沸石的比表面積進一步增大，沸石的吸附能力得到進一步提升。從“活性點位”理論出發，NaCl溶液、微波和超聲使沸石孔道中某些點位被活化，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總體呈下降趨勢，可能是過高的微波功率反而破壞了沸石晶格孔穴中分布的陽離子和負電荷，打破了沸石內部靜電力的分布。而隨著微波工作時間的延長，沸石氨氮去除率總體呈上升趨勢，說明微波在工作時需要一定時間充分產熱，以達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現下降，可能是微波長時間的工作導致NaCl溶液減少，破壞了水熱反應條件，從而打破沸石內部的離子交換化學平衡，降低其吸附效果[16]。超聲波雖也有產熱過程，但短時間超聲溫度并未對沸石起到主要效果，因此，超聲波主要是通過空化作用和彌散作用實現其效果。NaCl溶液中壓強的降低使其中氣體過飽和，產生很多小氣泡，甚至將液體分子包括沸石孔道均會拉裂成空洞，形成近似真空的環境，隨著作用時間的延長，功率增大，超聲波反向壓強最大化使液體分子破裂而產生劇烈沖擊，對沸石起到清理污垢、去除雜質的作用，而超聲頻率對沸石氨氮去除率的變化是波動的，可能是不同頻率配合不同功率會一定程度上造成沸石內部晶格孔徑的破壞，在超聲功率560 W、超聲頻率28 kHz時，對沸石氨氮去除效果最好。

3.2 氨氮溶液質量濃度和pH、沸石處理時間和投放量對改性沸石氨氮去除效果的影響

3.3 改性沸石對羅氏沼蝦模擬保活的存活率和水質指標的影響

微波-超聲協同強化NaCl溶液改性沸石對于羅氏沼蝦模擬保活過程中水質控制具有一定的改善和應用價值。保活水質中主要危害成分即氨氮，改性沸石在保活前期的低氨氮質量濃度階段，不斷吸附水中氨氮，有效控制其質量濃度的升高，保活后期隨著蝦體排泄的逐漸減少及其生理狀態的穩定，氨氮質量濃度增長緩慢，而此時改性沸石吸附尚未飽和，快速吸附水中氨氮質量濃度，因此保活48 h后的氨氮質量濃度反而更低。此外，改性沸石除了吸附氨氮而提高存活率，還可能在其發生離子交換過程中釋放有利于蝦體正常生存的礦物元素[20]。雖然亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和磷酸鹽在羅氏沼蝦保活過程中并未對蝦體造成威脅，但改性沸石可通過將NO2轉化為N2而逸出，也可以通過增加水中溶氧以促進有毒的亞硝酸鹽向低毒硝酸鹽的轉化，以降低亞硝酸鹽氮。因此硝酸鹽氮并未有明顯的降低。磷酸鹽的減少主要是保活中后期，氨氮質量濃度的升高使得與改性沸石交換出更多的Ca2+與磷酸鹽發生沉淀反應[21]。本試驗保活中途未更換沸石包，如需進一步提高水質凈化效果，可在保活12～24 h左右更換沸石包，此時氨氮質量濃度以及水質其他指標均處于蓄積增長的快速期。

4 結論

在粒徑為1～2 mm，以先微波再超聲法強化NaCl改性，在設置微波功率為低火(230 W)、微波時間10 min、超聲功率560 W、超聲頻率28 kHz、超聲時間50 min的條件下所制得的改性沸石在中性或弱堿性的氨氮溶液中吸附60 min，水體氨氮去除率隨著沸石投放量的增加而顯著提高。將其應用于羅氏沼蝦實際模擬保活過程中，對水質氨氮具有明顯吸附能力，并使亞硝酸鹽、硝酸鹽和磷酸鹽含量均有所降低，細菌總數、溶氧量和pH均在羅氏沼蝦適宜水質范圍內變化，從而提高了保活過程中的存活率。因此，改性沸石對于羅氏沼蝦保活過程中的水質控制具有一定的價值和實際意義。

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