近年来, 有害藻华频繁发生, 威胁多国近海海域的生态安全。近海的养殖业、旅游业、渔业等行业均受到有害藻华的影响(Anderson et al, 2012), 有害藻华已经成为世界性海洋灾害(McGillicuddy et al, 2011)。改性粘土法(俞志明等, 1994)作为一种高效、安全的藻华应急处置方法受到了广泛的关注, 被认为是有害藻华应急防治最有前景的方法之一(Anderson, 1997, 2009)。目前, 对新型改性方法的研究是改性粘土法的研究重点, 如有机改性粘土(曹西华等, 2003; 吴萍等, 2006; 樊平等, 2011)、无机改性粘土(Liu et al, 2016)等。目前对改性方法的研究大多集中于通过改性材料对粘土表面进行改性, 对物理改性手段关注较少, 本研究将采用超声改性的方法对粘土进行改性。

超声改性的主要作用机理是超声空化效应, 超声空化是液体中的微小泡核在超声波的作用下快速生长、压缩、再生长直至崩溃的过程(Brujan et al, 2008)。气泡崩溃时泡核内温度高达5000K以上, 压力高达50MPa(应崇福等, 2002), 并伴有强烈的冲击波和100m/s的微射流。超声空化产生热效应、机械效应、光效应、活化效应等伴随效应, 对材料具有强烈改性作用(秦炜等, 1995)。超声改性已在较多方面应用, 如超声改性芳纶纤维(Liu et al, 2001)、超声改性半导体(Vlasov et al, 2009)、超声改性沸石(王群等, 2014)、超声改性催化剂(陈艳容等, 2015)等, 均取得了较好的效果。研究表明, 超声改性可以改变材料表面结构(Liu et al, 2001)、增强材料的吸附能力(王群等, 2014)、增大材料比表面积(陈艳容等, 2015)。超声改性引起的这些材料性质变化, 很可能增强粘土对藻细胞的絮凝能力。因此, 本文在前人研究的基础上, 将超声改性技术应用于改性粘土治理有害藻华, 旨在提高粘土絮凝藻细胞的效率, 减少粘土用量, 并初步探究超声改性的作用机制。

1 材料与方法 1.1 实验材料

实验粘土材料分别为高岭土(广西兖矿北海高岭土有限公司)、蒙脱土(上海晶纯有限公司)、膨润土(山东潍坊膨润土矿)。高岭土性能较稳定, 晶层间阳离子较少, 表面电位较高, 中值粒径为(5.22±0.10)μm; 蒙脱土和膨润土层间结合力较弱, 易发生晶格取代, 层间阳离子较多, 表面电位较低, 中值粒径分别为(24.3±0.35)和(15.30±0.28)μm。

改性粘土制备方法参照文献(俞志明等, 1994; Liu et al, 2016), 分别使用聚合氯化铝(PAC)和氯化铝(AC)对高岭土进行表面改性, 获得两种改性粘土, 分别标示为PAC-MC和AC-MC, 中值粒径分别为(6.03±0.13)和(6.15±0.17)μm。

在指定的超声时间与功率条件下, 使用超声波细胞破碎仪(JY92-11DN, 新芝, 中国)对五种粘土进行超声改性。将高岭土、蒙脱土、膨润土超声改性后得到原土改性超声粘土, 将PAC-MC和AC-MC超声改性后得到改性粘土改性超声粘土。

本研究所用藻种为东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)、球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)、抑食金球藻(Aureococcus anophagefferens)、海洋卡盾藻(Chattonella marina)、塔玛亚历山大藻(Alexandrium tamarense)和米氏凯伦藻(Karenia mikimotoi), 由中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点实验室提供。东海原甲藻为原甲藻, 具有鞭毛和细胞壁(陆斗定等, 2003); 球形棕囊藻为定鞭藻, 具有鞭毛和细胞壁(沈萍萍等, 2000); 抑食金球藻为海金藻, 不具有鞭毛和细胞壁(Deyoe et al, 1997); 海洋卡盾藻为针胞藻, 具有鞭毛不具有细胞壁(安鑫龙等, 2010); 塔玛亚历山大藻为膝沟藻, 具有鞭毛和细胞壁(Hallegraeff et al, 2003); 米氏凯伦藻为裸甲藻, 具有鞭毛不具有细胞壁(郭皓, 2004)。六种藻均使用L1培养基(Guillard et al, 1993), 培养温度(20±1)℃, 培养光照强度为65μmol photons/(m²·s), 光暗比为12h:12h。使用处于指数生长中后期的藻类进行实验, 此阶段的藻细胞密度较大同时活性也较好, 可更好地反映粘土对藻细胞的去除能力。其中, 东海原甲藻藻密度为4×10⁵cells/mL, 球形棕囊藻藻密度为2×10⁶cells/mL, 抑食金球藻藻密度为7×10⁶cells/mL, 海洋卡盾藻藻密度为6×10³cells/mL, 塔玛亚历山大藻藻密度为8×10³cells/mL, 米氏凯伦藻藻密度为8×10³cells/mL。

1.2 实验方法 1.2.1 超声改性粘土的制备

将粘土添加到海水中, 制备为25g/L的悬浮液, 对悬浮液进行超声处理, 调节超声时间和功率得到不同的超声改性粘土悬浮液, 超声时间梯度为0、0.5、1、2、5、10、15、20、30、45、60、120min, 超声功率梯度为0、90、180、270、360、450、540W。

1.2.2 赤潮生物去除实验

赤潮生物去除实验于50mL比色管中进行, 实验设置三个平行。取50mL处于指数生长中后期的藻液加入到比色管中, 向其中添加一定量的粘土悬浮液, 上下颠倒摇匀, 静置3h, 取5mL上层藻液使用活体荧光计(TD-700, Turner Designs, Sunnyvale, CA, USA)测量藻液荧光值, 使用荧光值计算去除效率。去除率计算公式为:

绘制粘土去除率动力学曲线需分别在1、2、3、4、5、9h取上层藻液测量其荧光值, 计算去除效率。

1.2.3 超声改性对粘土颗粒性质的影响

使用激光粒度仪(Mastersizer A3000, Malvern, UK)测量1.2.1中制备超声改性粘土的粒度分布。

使用扫描电镜(S-3400N, Hitachi, JP)观察未超声粘土与超声处理20min粘土的结构变化。

使用Zeta电位仪(Zetasizer nano ZS, Malvern, UK)分别测量超声处理0、0.5、1、2、5、10、15min粘土的表面电位。

2 结果与讨论 2.1 超声改性粘土去除率随时间的变化关系

本实验使用超声改性粘土进行实验, 绘制粘土去除率动力学曲线(图 1)。根据粘土去除率动力学曲线结果, 整理得出粘土的去除率稳定时间(表 1)。

去除时间达到5h各实验组的去除率均已达到稳定, PAC-MC和AC-MC实验组去除率稳定较为快速, 相比之下高岭土实验组去除率稳定则较慢(表 1)。高岭土组去除效率的增加趋势从1h保持到4h, 5h去除率达到稳定。未超声粘土和超声粘土的去除率增加趋势相近, 稳定时间也相同。实验初期, 部分超声粘土去除率低于未超声粘土, 除此之外超声粘土去除率均高于未超声粘土。

未经过超声的PAC-MC和AC-MC的去除率稳定时间为1h, 经过超声处理两种粘土的去除率稳定时间为3h, 超声处理后PAC-MC和AC-MC的去除速率降低, 但对于去除藻华生物来说, 3h的反应时间仍然满足应急处置藻华的要求, 所以去除率稳定时间的延长影响较小。

三个实验组中, 超声粘土的去除效率均高于未超声粘土, 但去除率的变化趋势基本相同, 这说明超声处理对粘土的絮凝沉降速率影响较小, 超声改性后的粘土仍具备快速絮凝沉降藻细胞的能力。

2.2 超声改性对粘土去除率的影响 2.2.1 超声改性时间变化对不同粘土去除率的影响

经过超声处理后, 五种粘土的去除效率均有所升高, 并且在实验梯度内, 超声时间越长, 粘土的去除效率升高越明显(图 2)。高岭土经过120min的超声处理, 去除率由59.35%提升到91.09%;蒙脱土经过15min的超声处理, 由基本没有去除能力提高到86.42%;膨润土去除率提高幅度同样显著, 15min超声处理后, 膨润土由基本没有去除能力提高到98.40%, 值得注意的是仅经过5min超声处理膨润土的去除率就达到98.27%; PAC-MC经过15min的超声处理, 去除率由76.57%提升到94.30%; AC-MC经过15min的超声处理, 去除率由74.48%提升到89.94%。以东海原甲藻为实验生物时, 四种粘土中, 膨润土的提升效果最为明显, AC-MC的提升幅度最小。

超声改性可以有效提高粘土去除率, 改性时间越长去除率提高越明显, 对不同粘土的提高效果存在明显差异。超声改性0—5min时, 粘土去除率提升较为迅速, 超声改性时间超过5min去除率增速减缓。实验中未观测到超声时间延长粘土去除率下降的情况, 即使经过120min的超声改性, 粘土的去除率仍保持上升趋势。超声改性主要通过超声空化作用, 超声处理时间越长, 空化作用时间越长, 改性效果越加明显。三种粘土原土去除率提升幅度均高于两种改性粘土, 这在一定程度上是由于改性粘土去除率已经较高引起的。

2.2.2 超声改性功率变化对不同粘土去除率的影响

超声处理后的粘土去除效率增加, 但并非超声功率越强粘土去除效率越高, 超声功率变化对去除效率影响较小, 影响幅度为5%—15%(图 3)。不同实验组的去除效率随着超声功率的增大, 大都呈现先升高后降低的趋势, 去除效率最大时的超声功率为270—450W。超声功率为360和450W时, AC-MC和PAC-MC对球形棕囊藻的去除率分别达到最大值, 而PAC-MC、粘土原土和AC-MC对东海原甲藻的去除率最大值分别出现在270、360、450W。

超声功率变化对粘土的去除效率影响较小, 去除效率达到最大值的超声功率受粘土种类变化和实验生物变化的影响。超声功率的增大即超声声强的加强, 可有效增大液体内的压力, 对空化泡的崩溃时间和崩溃时最高温度产生影响, 使超声空化泡的崩溃更加激烈, 空化效应加强, 但不能无限制地提高声强, 因为最大的空化泡半径受到声压幅值的影响, 声压幅值变高, 空化泡就可以在声波膨胀相内增长的更大, 当空化泡增长到一定程度后, 在声波压缩相内空化泡来不及崩溃, 空化效应减弱(王萍辉, 2003)。实验结果中, 超声功率增强初期, 粘土去除效率上升, 这是因为超声功率增强导致空化效应加强, 改性效果增加加强了粘土的去除效率; 超声功率增强中后期, 粘土去除率下降, 这可能是由于超声功率过强, 导致了空化效应减弱, 改性效果减弱降低了粘土的去除效率。

本实验通过对比超声改性粘土和未超声改性粘土的去除率, 观察目标生物更换对超声改性效果的影响。

实验生物为抑食金球藻时, PAC-MC可将46.00%的抑食金球藻去除, 而超声处理后PAC-MC对抑食金球藻的去除率提高到75.05%, 其他四种粘土去除率基本没有变化。实验生物为球形棕囊藻时, 蒙脱土、高岭土、PAC-MC和AC-MC的去除率提高, PAC-MC的提高最明显, 从30.67%提升到50.78%。实验生物为东海原甲藻时, 蒙脱土、高岭土、膨润土和PAC-MC的去除率提高, 膨润土的提高程度最大, 从去除率为0%提高到95.83%。实验生物为米氏凯伦藻时, 高岭土、膨润土和PAC-MC的去除率提高, 膨润土和高岭土的提升程度较高, 均为27%左右。实验生物为塔玛亚历山大藻时, 经过超声处理的五种粘土去除率均有所上升, 膨润土上升最为明显, 从31.76%提高到99.43%。实验生物为海洋卡盾藻时, 同样是五种粘土去除率均得到提升, 其中PAC-MC的去除率从54.76%提升到89.41%, 变化最为明显。

综上所述, 以抑食金球藻和球形棕囊藻为实验生物时, 超声改性的提升效果相对较差, 对另外四种藻, 超声改性后的粘土去除率提升较高, 这种情况很可能是由藻细胞大小不同导致的。当藻细胞大小与粘土颗粒大小相近时, 藻细胞与粘土颗粒的碰撞效率最高, 当粘土颗粒比藻细胞大很多时, 粘土与藻细胞的碰撞效率很低(Han et al, 2001)。抑食金球藻和球形棕囊藻的细胞大小均较小, 所以其去除率较低, 而经过超声的粘土颗粒虽然粒径减小但对碰撞效率的影响不足够明显。而其他四种藻细胞相对较大, 经过超声处理后的粘土与藻细胞有较好的碰撞效率, 粘土去除率得以提升。

2.3 超声改性对粘土颗粒性质的影响 2.3.1 超声改性对粘土粒度分布的影响

本实验通过测量粘土超声前后粒度分布的变化反映超声对粘土颗粒的影响, 分别探究了超声时间变化和功率变化对粘土颗粒的影响(图 4、图 5), 分析了粘土去除效率和粘土颗粒粒径的相关性(图 6), 并通过扫描电镜观测到粘土颗粒减小(图 7)。分别使用D₁₀、D₅₀、D₉₀表示样品的累计粒度分布数达到10%、50%、90%时所对应的粒径。

超声改性使粘土颗粒粒径减小, 并且超声时间越长, 粘土粒径减小越明显, 同时粘土的粒径分布曲线左移, 峰宽变窄, 峰值变大(图 4), 这表明粘土颗粒变小的同时也更加均匀。经15min超声处理, 高岭土D₉₀由49.6μm减小为9.9μm, 膨润土D₉₀由49.0μm减小为15.5μm, 蒙脱土D₉₀由106.0μm减小为36.6μm。相同的超声处理条件对不同粘土颗粒的破碎程度不同, 蒙脱土的颗粒较大破碎程度较为明显, 未超声膨润土和高岭土的D₉₀均为50μm左右, 破碎之后D₉₀却相差6μm, 这是由粘土材质不同导致的。

从图 7中的蒙脱土扫描电镜图像可以明显看到超声处理前后粘土颗粒大小的差别, 超声处理前粘土颗粒粒径为20—30μm, 并且粘土颗粒片层较厚, 小颗粒极少。经20min超声处理后粘土颗粒粒径为10μm左右, 颗粒片层厚度大大减小, 视野中存在较多粒径不大于5μm的小颗粒, 这一现象和粒度分布的测量结果相吻合。

超声时间改变引起的粘土颗粒大小变化明显, 超声功率改变对粘土颗粒大小的影响并不明显(图 5)。超声功率由0增大到180W时粘土的D₉₀由18.3μm减小到15.2μm; 而超声功率从180W变化到540W时, 粘土的D₉₀在15.2—15.6μm的范围内波动, 变化很小。由图 5的粒度分布局部放大图也可以看出, 不同超声功率的粒度分布十分接近。

通过SPSS分析发现, 超声改性粘土的去除率与D₉₀、D₅₀、D₁₀之间均存在明显相关性, P值分别为0.0027、0.0007、0.0007, 均小于0.05。由图 6可知, 超声改性粘土的去除率与粘土颗粒粒径显著负相关, 去除率与D₉₀、D₅₀、D₁₀的R²分别为0.875、0.98、0.978, 均大于0.8。

综上所述, 超声改性可有效降低粘土颗粒大小, 并且改性时间越长粘土颗粒粒径减小越明显, 而超声功率的改变对粘土颗粒粒径影响较小, 功率增大到一定程度后, 粘土颗粒粒径基本不变, 超声改性粘土的颗粒粒径与粘土去除率存在显著负相关。

2.3.2 超声改性对粘土表面电位的影响

粘土经超声改性后, 表面电位呈现上升趋势(图 8)。未超声的粘土表面电位为-23.14mV, 经过超声改性后表面电位逐渐上升, 15min超声处理后, 粘土表面电位上升为-17.68mV。经SPSS分析可知, 膨润土表面电位与去除率存在显著正相关(R²=0.852, P=0.0316)。超声改性通过超声空化作用实现, 超声空化不仅具有可以将颗粒破碎的机械效应, 还具有热效应和化学效应, 超声改性对粘土表面电位的提高便可能是通过这两种效应实现的。Yu等(1994, 1995)发现, 粘土表面正电性和其对藻细胞的去除效率之间具有较好的相关性(R²＞0.81), 其他研究也证明了这一点(邱丽霞等, 2017)。本研究中, 经过超声改性的粘土表面负电性降低, 虽仍为负电位, 但可以降低粘土颗粒与藻细胞间的静电斥力, 有利于提高粘土的去除效率, 实验结果与上述文献相一致。

3 结论

(1) 超声改性可以提高粘土去除藻华生物的效率, 但对不同粘土的提升效果存在差异;

(2) 超声改性效果受到超声时间与超声功率变化的影响, 超声改性时间越长, 改性效果越好, 超声功率增大仅在一定范围内增强改性效果, 功率提高到一定值后, 超声功率增大反而减弱改性效果;

(3) 超声改性会引起粘土粒度分布的变化, 粘土颗粒粒径减小, 粒度分布集中, 颗粒更加均匀, 并且粘土颗粒粒径与其去除率存在显著负相关关系;

(4) 超声改性可降低粘土负电性, 降低粘土颗粒与藻细胞之间的静电斥力, 有利于提高粘土对藻细胞的去除效率。