天然黄铁矿/过硫酸盐去除铜绿微囊藻及除藻机理研究

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蓝藻暴发会造成水体透明度和溶解氧含量下降,导致水生生物大量死亡,严重破坏生态系统。铜绿微囊藻作为我国蓝藻暴发中最常见的优势藻种,因其细胞密度小且具有表面静电斥力而无法被常规饮用水处理工艺有效去除,会对人类健康构成潜在的威胁。因此研究经济实用且操作简便可量产的新型高效除藻技术势在必行。本论文以铜绿微囊藻为研究对象,考察了天然黄铁矿/过硫酸盐(PS)非均相高级氧化技术对铜绿微囊藻的去除效果,进一步分析了相关机理及对藻类的破坏途径;并在黄铁矿/过硫酸盐体系的基础上降低催化剂投加量且引入了环境友好型还原剂抗坏血酸作为原体系的改进方案,同时研究了黄铁矿/PS/抗坏血酸体系增强的除藻效能及相应的促进机理。主要结论如下:(1)黄铁矿/过硫酸盐体系能够高效降解叶绿素a,降解率在6 h内达到90%以上。研究发现该体系的除藻效能受黄铁矿投加量、PS浓度、初始p H和共存阴离子等因素的影响:实验条件下最佳催化剂投加量和PS浓度分别为1 g/L和1.2 m M;在碱性环境及磷酸盐存在的条件下,黄铁矿/PS体系的除藻效能明显受到抑制。此外,研究证实了黄铁矿中的铁物种在该体系高效除藻过程中发挥了PS活化剂和混凝剂的双重作用:一方面,黄铁矿作为催化剂活化PS过程中产生的大量活性氧物种(·SO4-,·OH,·O2-和~1O2)在促进藻细胞失稳进而灭活藻细胞中发挥了重要作用;而另一方面,反应过程中黄铁矿表面由FeOOH和Fe2O3组成的氧化层和溶解态Fe(Ⅲ)的不断形成有利于提升藻细胞及藻类有机质的混凝效果。最后,还通过采用SEM、TEM、FCM、3D-EEM等手段研究黄铁矿/PS对藻类的破坏机理,观察发现体系中生成的强氧化性活性氧物种能够破坏藻细胞表面形态,并进一步攻击细胞内部组织结构,导致细胞完整性受损且细胞活性降低,而由于细胞裂解释放出的藻类有机物也可以迅速被降解。(2)在黄铁矿/PS体系中引入绿色还原剂抗坏血酸,可以进一步降低催化剂的投加剂量并缩短反应时间,同时还保证了非均相体系的高效除藻性能,使体系更加经济高效。当黄铁矿剂量降低40%至0.6 g/L而还原剂浓度为30μM时,该体系具有高效除藻性能,可以在5 h内去除近84%的叶绿素a,且非均相催化剂在反应过程中保持稳定,体现了非均相体系的优势。通过实验还发现Cl-和NO3-的存在对黄铁矿/PS/抗坏血酸体系的除藻效果不会产生不利影响,但H2PO4-的存在会显著抑制该体系的除藻效能。黄铁矿/PS/抗坏血酸技术除藻效能的增强得益于抗坏血酸会通过促进体系中均相和非均相的Fe(III)/Fe(II)循环从而增加PS的催化分解产生更多的活性氧物种:一方面抗坏血酸可以增加溶液中具有高效催化活性的亚铁离子浓度;另一方面,抗坏血酸可以诱导黄铁矿表面在反应过程生成的羟基氧化铁等多种Fe(III)产物进行还原,增加用于非均相活化分解PS的表面活性中心≡Fe(II)的比例。最后,实验结果证实在非均相催化剂剂量减少的条件下,黄铁矿/PS/抗坏血酸体系仍然可以通过氧化和混凝双重途径进行除藻;且该体系不仅能够破坏细胞形态结构,降低藻类活性,还能有效控制藻类有机物。以上结果证明了非均相天然黄铁矿/过硫酸盐系统是一种高效、操作简便且有前景的除藻技术。在其基础上引入绿色还原剂抗坏血酸可以在减少催化剂投加剂量下,同时保证原非均相体系的高效除藻性能,是一种环境友好且经济高效的改进方案。
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