磁性浮珠VMB@Fe3O4@CS 對魚腥藻和微囊藻的去除

車文露,趙 巖,張高山,李彥鵬,2*(.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 70054；2.長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室,陜西 西安 70054)

魚腥藻和微囊藻是有害藍藻水華的代表性藻類,產(chǎn)生的藻毒素對水生態(tài)安全和人類健康造成了嚴重威脅[1].目前常見的藍藻水華防控方法可以分為物理、化學(xué)和生物方法.曝氣[2]、超聲[3]、壓力控藻等物理方法是有效的應(yīng)急處置方案,但投資高且處理能力有限.微生物方法有控藻潛力但見效慢且缺少實際有效的應(yīng)用案例[4].以殺滅或抑制藻類生長為主[5]的化學(xué)方法見效快、效果好,但易損傷其他水生生物,并可能產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物.相比之下,利用低劑量的改性混凝劑或粘土,通過絮凝、沉淀過程,被證實可以緩解水華[6]減輕赤潮.

近年來,磁絮凝因能耗低、分離速度快而在微藻采收領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注.磁性粒子具有高比表面積、高表面能和獨特的磁響應(yīng)特性,可以作為絮凝劑吸附在微藻細胞表面,并受磁力作用迅速沉降至磁極周圍.Fe3O4作為應(yīng)用廣泛的磁性粒子,化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,目前多使用聚合物[7-8]和表面活性劑對其表面進行涂覆改性,增強其穩(wěn)定性并提高藻類去除效率.其中殼聚糖(CS)作為常用易得的表面改性劑,可以通過聚合物吸附橋接和電荷中和將帶負電的微藻細胞收集到表面[9],從而提升分離效果,因而經(jīng)殼聚糖修飾的磁性絮凝劑在治理水華和微藻采收[10-11]方面具有很好的應(yīng)用前景.然而大多數(shù)磁性材料通常隨重力作用沉入水體底部,大大增加了水華治理后水質(zhì)再次惡化的風(fēng)險[12],影響湖泊的后續(xù)修復(fù)策略.

為有效避免磁絮凝因沉降帶來的二次污染風(fēng)險,近來出現(xiàn)了一種能使微藻與絮凝劑結(jié)合體浮至水面的浮珠浮選法[13].其原理是用低密度的可浮微珠粘附微藻細胞,靠浮力作用使微藻浮珠結(jié)合體上浮到水面從而達到液固分離.?；⒅?VMB)由于價格低廉、質(zhì)輕且熱工與力學(xué)性能穩(wěn)定,非常適合作為浮珠的基底材料.然而天然的浮珠材料由于表面光滑吸附位點少難以形成有效粘附,造成微藻去除效率低.為此,有研究嘗試通過PDDA 對硅硼酸鈉表面改性來提高浮珠與微藻間的作用力[14],但其制備方法復(fù)雜繁瑣,生物相容性低,且沒有磁性不易與水體分離.此外,由于自然現(xiàn)象,湖泊的pH 值[15]、溫度[16]、鹽度[17]在季節(jié)性時間尺度上可以發(fā)生巨大變化,對除藻材料的去除性能產(chǎn)生一定影響,因此有必要確定磁浮珠在多樣條件下的適用性.

本研究利用Fe3O4和殼聚糖對?；⒅檫M行包覆制備得到新型磁浮珠VMB@Fe3O4@CS,在通過掃描電鏡(SEM)、X 射線衍射(XRD)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、振動樣品磁強計(VSM)等手段確定磁浮珠性能的基礎(chǔ)上,研究磁浮珠材料、磁浮珠投加量、pH 值、水溫、離子強度等因素對磁性浮珠浮選法去2 種典型水華藻(水華魚腥藻Anabaena flosaquae 和銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa)的影響,并分析探討磁浮珠除藻的機理,旨在提供兼具絮凝和可浮性的除藻材料.

1 材料與方法

1.1 藻種培養(yǎng)

試驗所用水華魚腥藻FACHB-245(絲狀形態(tài))和銅綠微囊藻FACHB-90(球形細胞、塊狀集落)均來自中國科學(xué)研究院水生生物研究所淡水藻種庫.使用BG-11 培養(yǎng)基在RGX-250 人工氣候培養(yǎng)箱中對藻種進行混合式培養(yǎng),控制溫度(25±1) ℃,充氣流量3.5L/min,光照度3500～4000Lux,光暗比為16h:8h.將水華魚腥藻和銅綠微囊藻擴培至生物量約為0.2～0.25g/L 用于浮珠浮選實驗.

1.2 磁浮珠的制備及表征

1.2.1 磁浮珠的制備 在去離子水中清洗篩選玻化微珠,收集上層?；⒅橛?0℃下烘干.向其中加入一定量Fe3O4粉末和7% 稀鹽酸溶液,混合均勻后,再次于60℃烘干.得到的顆粒進行多次去離子水清洗篩選至中性,以去除未包覆成功的Fe3O4,得到樣品VMB@Fe3O4,以下簡稱為MFB.將0.3g 殼聚糖溶解于100mL 2%的醋酸溶液中,取一定體積的殼聚糖溶液加入上述顆粒,在燒杯中混合均勻后,于60℃下烘干 24h 得到最終的磁浮珠, 命名為VMB@Fe3O4@CS,以下簡稱為CS-MFB.經(jīng)過測定得出其密度為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 的形態(tài)特征采用掃描電子顯微鏡(S-4800,日立,日本)觀察.X 射線衍射儀(D8Advance,Bruker,德國)用來測量玻化微珠和CS-MFB 的晶相結(jié)構(gòu).通過振動樣品磁強計(PPMS-9,德國)對比分析了?；⒅?、Fe3O4和CS-MFB 的磁性能.傅里葉變換紅外光譜儀(Tensor II, Bruker, Germany)用于描述?；⒅?、Fe3O4和CS-MFB 的表面官能團.

1.3 磁浮珠浮選實驗

向裝有100mL 藻液的燒杯中加入一定量的磁浮珠,放置于恒溫磁力攪拌器上500r/min 攪拌5min,使用長方體永磁體從液體表層收獲磁浮珠和微藻結(jié)合形成的絮狀物,并于液面下2cm 處取樣,用紫外可見分光光度計測量680nm 處的吸光度.去除率的計算公式如下:

式中:OD0代表未經(jīng)磁浮珠去除的微藻懸浮液的吸光度值;OD1代表經(jīng)過磁浮珠處理后的微藻懸浮液的吸光度值.

首先探究不同材料(CS-MFB、MFB、Fe3O4和?；⒅?對兩種水華藻的去除效果,其次研究不同投加量(水華魚腥藻:0.015, 0.03, 0.04, 0.06, 0.075,0.09, 0.105, 0.12, 0.135g/L;銅綠微囊藻:0.035, 0.07,0.105, 0.14, 0.175, 0.21, 0.245g/L)、pH 值(4, 5, 6, 7, 8,9, 10)、水溫(5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 ℃)、離子強度(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)對CS-MFB除藻效果的影響.設(shè)置3 組平行實驗,結(jié)果取平均值并計算誤差.

1.4 形態(tài)學(xué),表面疏水率和Zeta 電位分析

用奧林巴斯顯微鏡觀察浮選實驗結(jié)束后的磁浮珠-藻細胞聚集體,結(jié)合Zeta 電位和表面疏水性測試探究磁浮珠去除微藻的機理.藻細胞Zeta 電位使用Delsa 納米Zeta 電位分析儀(Beckman Coulter,USA)測量.藻細胞的表面疏水率采用粘著碳氫化合物法(MATH)測量[18].

2 結(jié)果與討論

2.1 磁浮珠的理化特性

由圖1 可見,?；⒅闉椴灰?guī)則的球形,整體表面相對光滑,粒徑大約為130μm.CS-MFB 的表面存在明顯的顆粒聚集現(xiàn)象,粒徑相較于玻化微珠增大了約10μm.CS-MFB 上凹凸不平的表面和溝壑可為捕獲微藻提供更多的吸附平臺,有利于微藻細胞的絮凝.

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

如圖2 所示,?；⒅榈娘柡痛鸥袘?yīng)強度為0.055emu/g,接近于0,說明?；⒅椴痪哂写判?而包覆上 Fe3O4的 CS-MFB 的飽和磁化強度為2.108emu/g,且磁滯回線上沒有明顯的剩磁減少和矯頑力的出現(xiàn),表明CS-MFB 具有超順磁性.如圖2所示,在浮選實驗結(jié)束后,使用普通永磁體5s 內(nèi)便可將CS-MFB 和微藻的結(jié)合體從液體表層分離,表明CS-MFB 可以方便快速地響應(yīng)外加磁場.

圖2 VMB、Fe3O4 和CS-MFB 的磁滯回線Fig.2 Hysteresis lines of VMB, Fe3O4 and CS-MFB

CS-MFB 和Fe3O4這兩種磁性物質(zhì)在2θ =30.27°、35.63°、43.31°、53.77°、57.23°和62.85°處的6 個特征峰(圖3(a)),分別對應(yīng)Fe3O4的標準衍射圖的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440),表明Fe3O4成功包覆于?；⒅楸砻??；⒅楹虲S-MFB 的XRD 譜圖在20～28°的2θ 處出現(xiàn)的寬峰對應(yīng)于非晶硅[19].可能由于玻化微珠的特征峰與殼聚糖的特征峰[20]相重疊,CS-MFB 譜圖中未觀察出在20.32°處的明顯變化.

圖3 VMB、Fe3O4 和CS-MFB 的X 射線衍射圖和紅外光譜圖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 的拉伸而產(chǎn)生的特征吸收帶表現(xiàn)在?；⒅楹虲SMFB1040cm?1附近的峰值(圖 3(b)).?；⒅樵?86cm?1處的特征峰和CS-MFB 在790cm?1處的特征峰來自于玻化微珠中的石英、長石、角閃石等礦物的振動.Fe3O4和CS-MFB 均在576cm?1處出現(xiàn)特征峰,這是由于Fe-O 的拉伸而產(chǎn)生的特征吸收帶.CS-MFB 在1631cm?1處出現(xiàn)峰值是由于C=O 鍵的拉伸振動,同時在3450cm?1附近出現(xiàn)強的寬吸收峰對應(yīng)于多糖-OH和-NH 的伸縮振動,這兩處的峰值均與殼聚糖對?；⒅榈陌灿嘘P(guān)[21-22].圖3(b)紅外光譜圖展示了殼聚糖和Fe3O4成功對玻化微珠進行了修飾,且CS-MFB 表面存在的官能團可以為微藻細胞的捕獲提供更多的吸附位點,是CS-MFB 具備優(yōu)異去除性能的原因之一.

2.2 材料對除藻效果的影響

由圖4 可見,使用CS-MFB、MFB、Fe3O4和玻化微珠在pH=7,25℃無外加電解質(zhì)的條件下,4 種材料的去除效率:CS-MFB>MFB>Fe3O4>?；⒅?由于沉降、慣性、攔截和擴散的作用,藻細胞黏附于低密度的?；⒅樯闲纬稍逯榫奂w,使去除率維持在3.33%～7.03%之間.由于Fe3O4與磷脂之間的黏附相互作用和范德華力[23],單獨投加Fe3O4對微藻的去除率達到60%左右.而殼聚糖的質(zhì)子化氨基可以通過靜電相互作用捕獲帶負電荷的微藻.可以看出,使用Fe3O4和殼聚糖對玻化微珠的修飾很大程度上提高了其對微藻的去除效果.隨著投加量的增加,CS-MFB 對水華魚腥藻、銅綠微囊藻的最佳去除效率分別達到了99.01%、98.6%.

圖4 不同材料對水華魚腥藻和銅綠微囊藻的去除率Fig.4 Removal efficiencies of A. flos-aquae(a) and M.aeruginosa(b) by different materials

2.3 投加量對除藻效果的影響

0.21g/L 的CS-MFB 使銅綠微囊藻的去除率達到98.6%,而水華魚腥藻僅需使用0.12g/L 的CSMFB 就能夠達到99.01%的去除率(圖5(a)).這是由于兩種藻類的形態(tài)差異.處于指數(shù)時期的水華魚腥藻為細長的藻絲狀,粒徑較大,而銅綠微囊藻呈球狀,粒徑較小,比表面積大,使得相同生物量的銅綠微囊藻細胞數(shù)量更多,需要更多的CS-MFB 結(jié)合其活性結(jié)合位點.此外,隨CS-MFB 濃度增加,兩種微藻的去除效率達到最高后有回落現(xiàn)象.其原因是過量的陽離子電荷使微藻細胞重新穩(wěn)定,干擾了絮體形成[24],從而降低去除效率.

圖5 CS-MFB 用量、pH 值、水溫、離子強度對除藻效果的影響Fig.5 The effects of CS-MFB dosage(a) pH(b) water temperature(c) and ionic strength(d) on algae removal

2.4 pH 值對除藻效果的影響

在浮選實驗前調(diào)整藻液pH 值至4～10 發(fā)現(xiàn)藻細胞產(chǎn)生了不同程度的自我凝聚(圖5(b)空白組).加入CS-MFB后,在H+濃度高的條件下,容易產(chǎn)生?NH3+、?COOH 和?POH,CS-MFB 表面正電荷增多,促進了CS-MFB對藻細胞的吸附.隨著pH值從4增大至10,CS-MFB 對水華魚腥藻和銅綠微囊藻的去除效率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢,分別從97.77%、97.85%下降到79.38%、81.65%.在pH>7 的條件下,由于CS-MFB表面的?NH2發(fā)生去質(zhì)子化引起CS-MFB 表面負電荷量增加[25],CS-MFB 和藻細胞之間的靜電引力減小導(dǎo)致去除率的下降.與其他研究中制備的絮凝劑[26-27]僅在較小區(qū)間內(nèi)(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,均顯現(xiàn)出較好的去除效果,表明本研究制備的CS-MFB 的去除性能受酸堿影響較小,對水體環(huán)境pH 值的適用范圍更廣泛,在有害藻華去除方面表現(xiàn)出極大潛力.

2.5 水溫對除藻效果的影響

圖5(c)顯示,在浮選實驗進行之前調(diào)整藻液溫度對藻液產(chǎn)生了一定影響,5～15℃表現(xiàn)尤為明顯,去除率最高達到20%.這是由于低溫下藻細胞密度增大,浮力減小容易下沉[28].加入CS-MFB 后,水華魚腥藻的去除率在63.35%～70.16%之間,銅綠微囊藻的去除率在64.02%～80.57%之間.CS-MFB 在本文設(shè)置的不同溫度背景下對藻的去除率差異不大,表明CS-MFB 可以良好地適應(yīng)不同溫度的水體環(huán)境并發(fā)揮去除性能.

2.6 離子強度對除藻效果的影響

圖5(d)表明,溶液中的NaCl 和CaCl2一定程度上影響了CS-MFB 與微藻間的粘附,當NaCl 從0 增加到0.12mol/L,CS-MFB 對水華魚腥藻、銅綠微囊藻的去除率分別減少了20.05%、16.20%;CaCl2從0 增加到0.12mol/L,CS-MFB 對水華魚腥藻、銅綠微囊藻的去除率減少17.60%、11.28%.趙曉紅等[26]在殼聚糖改性鋁污泥對銅綠微囊藻的絮凝去除中采用NaCl 和CaCl2來探究離子強度對絮凝效果的影響,發(fā)現(xiàn)相同離子強度下,水合度越小,對于殼聚糖陽離子排斥及分子鏈伸展的抑制作用就越大.由于CaCl2在溶液中的水合度較大[29],因此對除藻的抑制作用比NaCl 弱.這與本實驗中NaCl 對磁浮珠去除效率影響大于CaCl2的結(jié)果一致.離子強度增加會降低藻細胞與浮珠之間的路易斯酸堿作用力[30],由于鹽析效應(yīng)以及表面聚電解質(zhì)層構(gòu)象變化之間的復(fù)雜相互作用的影響[31],阻礙了藻細胞與磁浮珠之間的粘附,降低了去除效率.另外,較高的離子強度壓縮了細胞周圍的雙電層,降低了藻類的Zeta 電位絕對值[32-33],與磁浮珠的靜電吸引作用減小,導(dǎo)致去除率下降.實驗結(jié)果說明離子強度的增加對微藻的去除起負面影響.

2.7 磁浮珠去除微藻機理分析

微藻Zeta 電位和表面疏水率是影響絮凝過程的重要參數(shù).因2 種藻的Zeta 電位、表面疏水率差異主要由于自身結(jié)構(gòu)形態(tài)不同,故選取水華魚腥藻展示其在不同CS-MFB 投加量、pH 值、水溫、離子強度下的去除率、Zeta 電位以及表面疏水率變化(圖6)來探討CS-MFB 去除微藻的機理.

圖6 CS-MFB 用量、pH 值、水溫、離子強度對水華魚腥藻的去除率、Zeta 電位、表面疏水率的影響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

從圖6(a)、(b)可以觀察到,藻細胞呈電負性,而加入CS-MFB 后,藻細胞的Zeta 電位增大,在最接近零點電位時,去除效果達到最優(yōu).原因是微藻細胞表面Zeta 電位達到零電位時,微藻細胞之間斥力作用減弱,微藻懸浮體系失穩(wěn)形成致密絮體,使藻細胞易從溶液中分離.這表明靜電吸引是CS-MFB 絮凝微藻的主要機理.

由圖7 可見,CS-MFB 的架橋作用使得未與其黏附的藻細胞也出現(xiàn)成片聚集的現(xiàn)象,能夠為絮體的形成提供橋梁和紐帶作用.有研究表明,在高離子強度的情況下,大量離子聚集在帶正電的-NH3+周圍,使殼聚糖分子鏈正電荷的相互排斥作用減弱,限制了殼聚糖分子鏈的空間延伸,吸附架橋功能喪失[34],導(dǎo)致其不能很好的絮凝除藻,去除率下降.圖6(d)中離子強度增加,藻細胞表面電位上升到-3.06mV,去除率卻從91.58%下降至80.3%的結(jié)果驗證了這一點,說明吸附架橋是CS-MFB 絮凝微藻的機理.此外,分子熱運動、藻細胞外聚合物[35]以及CS-MFB 表面分子鏈斷裂的復(fù)雜作用導(dǎo)致不同溫度下水華魚腥藻的去除率相近.

圖7 浮選實驗前后水華魚腥藻和銅綠微囊的顯微鏡圖像Fig.7 Microscope images of A. flos-aquae(a,c) and M.aeruginosa(b,d) before and after flotation experiments

表面疏水率是一種較早用來表征細胞和顆粒黏附的參數(shù).由圖6 可以看出,水華魚腥藻天然狀態(tài)下具有較低的表面疏水率,合適劑量的CS-MFB、較酸的環(huán)境、適宜的溫度和較低的離子強度可以提高藻細胞的表面疏水率.殼聚糖雖然具有高含量的疏水基團,但分子在殼聚糖中的隨機分布導(dǎo)致親水性占優(yōu)勢[36],CS-MFB 表面的極性基團深入藻細胞中發(fā)生締合,露出非極性疏水尾定向朝外排列[37],提高了藻細胞的疏水性,使其更容易脫離原有的懸浮液環(huán)境,達到去除微藻的目的.總之,CS-MFB 能提高藻細胞的Zeta 電位或增加藻細胞的疏水性,從而通過靜電吸引和疏水相互作用促進藻細胞的附著.

綜上,可以得到靜電吸引、吸附架橋是本研究中CS-MFB 對藻細胞主要的絮凝機理,圖8 顯示,藻細胞和CS-MFB 在靜電吸引的作用下相互靠近,通過疏水相互作用導(dǎo)致CS-MFB 表面親水性頭部嵌入藻細胞中,附著在CS-MFB 表面,后經(jīng)過吸附架橋,形成較大致密的絮凝體.

圖8 VMB@Fe3O4@CS 與微藻的機理作用示意Fig.8 Schematic diagram of the mechanism interaction between VMB@Fe3O4@CS(CS-MFB) and microalgae

盡管目前研究僅在實驗室尺度進行了去除實驗,但磁浮珠VMB@Fe3O4@CS 的制備及去除性能證明目前方法簡單有效,可以為開發(fā)更加高效綠色的除藻材料和實際水華治理提供新的思路和方法,下一步需要優(yōu)化磁浮珠的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性,并擴展到實際藻華處理的應(yīng)用.

3 結(jié)論

3.1 以?；⒅闉榛撞牧?采用Fe3O4、殼聚糖對其進行包覆,通過SEM、XRD、FT-IR、VSM 等方法對材料進行表征,確定了VMB@Fe3O4@CS 的成功制備.

3.2 浮選實驗結(jié)果得出VMB@Fe3O4@CS 對水華魚腥藻、銅綠微囊藻的最佳去除效率分別達到99.01%(0.12g/L)、98.6%(0.21g/L).VMB@Fe3O4@CS對水體pH值(4～10)和溫度(5～35 ℃)的適用范圍較廣,離子強度的增加對微藻的去除起負面影響.

3.3 VMB@Fe3O4@CS 能提高藻細胞的Zeta 電位或增加藻細胞的疏水性,從而通過靜電吸引和疏水相互作用促進藻細胞的附著.并得出靜電吸引、吸附架橋是VMB@Fe3O4@CS 去除水華藻的主要機理.