河沙表面改性絮凝去除水华铜绿微囊藻的研究

王晓雪　钟成华　熊万明

摘要 [目的]研究十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、双烷基聚氧乙烯基三季铵盐（DPQAC）和聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）3种季铵盐阳离子表面活性剂改性河沙对去除铜绿微囊藻的影响。[方法]通过系统研究S-CTAB样品的粒径、制备温度、老化时间、pH、投加量对除藻率的影响，并且通过对S-CTAB样品絮凝沉降速率的研究，探讨了河沙表面改性的除藻机理。[结果]相同条件制备的S-CTAB对铜绿微囊藻的去除效果高于S-DPQAC和S-PDMDAAC。CTAB与河沙的质量比为0.04 g/g、河沙粒径为200目、投加量为5 g/L、水浴温度为40 ℃制备的S-CTAB样品表现出对铜绿微囊藻最佳的去除效果。S-CTAB样品对铜绿微囊藻的去除机理可能原因是通过改性河沙对藻类的架桥网捕作用及河沙表面季铵盐离子对藻细胞的灭杀作用。[结论]该研究提出的河沙表面改性除藻技术具有良好的效果，为河沙表面改性去除水华藻提供了一定的理论基础。

关键词 水华；河沙；絮凝；铜绿微囊藻

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）19-201-04

近年来，随着经济和社会的快速发展，我国许多湖泊、水库和河流等出现了严重的富营养化污染现象。水华的频繁暴发，给淡水生态系统和生态环境造成了严重的破坏，危及人体健康和生命安全，造成了巨大的经济损失和环境污染，引起了人们的高度关注[1-3]。因此，研究和开发高效可靠的水华控制技术具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

目前，已有报道对粘土改性除藻的研究，这些改性剂主要有单链结构的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、双链结构的双烷基聚氧乙烯基三季铵盐（DPQAC）、环状结构的聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）、对羟基苯甲酸、聚丙烯酰胺、壳聚糖、亚油酸、蒽醌、邻苯二酚和没食子酸等[4-6]。然而，鲜有报道对河沙直接改性用于除藻的技术研究。

笔者选取十六烷基三甲基溴化铵、双烷基聚氧乙烯基三季铵盐和聚二甲基二烯丙基氯化铵3种季铵盐阳离子表面活性剂对河沙进行直接改性，并用于对水华暴发的常见藻类铜绿微囊藻进行去除。研究表明，3种不同结构的季铵盐阳离子表面活性剂制得的改性泥沙对铜绿微囊藻都有一定的去除作用，去除效率与改性剂的分子结构有关。笔者系统研究了改性河沙的粒径、制备温度、老化时间、pH等对除藻率的影响，以测定透光率的方法考察了CTAB改性河沙的投加量对藻类絮凝沉降速率的影响，并探讨了改性河沙的除藻机理，为有机改性河沙去除水华藻的后续研究提供理论依据。因此，表面有机改性河沙作为一种新型的除藻技术，对水华藻具有良好的去除效果，具有较广阔的开发及应用前景。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试剂。季铵盐阳离子表面活性剂：十六烷基三甲基溴化铵（Cetrimonium Bromide）、双烷基聚氧乙烯基三季铵盐（Cationic Surfactant）、聚二甲基二烯丙基氯化铵（Poly dimethyl diallyl ammonium chloride）。

1.1.2 藻种。铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）购自中国科学院武汉水生生物研究所国家淡水藻种库（FACHB），编号为FACHB-942。其培养条件：温度为（25±1）℃，光照强度为2 000 lx，光暗比L∶D=14∶10，BG-11培养基，每天摇动3～5次降低光照不均匀的影响。铜绿微囊藻的生长曲线如图1所示。

1.1.3 河沙。试验中所用河沙均采自长江重庆段，且经过强双氧水预处理和去离子水对样品进行多次清洗，再60 ℃真空烘干备用。

1.1.4 分析仪器。BX3-RFAS OLYMPUS显微镜，721分光光度计。

1.2 试验方法

1.2.1 河沙改性。配制100 ml一定浓度的改性剂溶液，加入10 g预处理后的河沙并混合均匀。将河沙-改性剂混合溶液置于恒温振荡器中振荡一定时间，将改性后的河沙样品通过抽滤分离，所得产物在60 ℃真空干燥24 h，过200目筛，即得表面改性河沙。笔者分别采用十六烷基三甲基溴化铵、双烷基聚氧乙烯基三季铵盐和聚二甲基二烯丙基氯化铵改性河沙，样品分别标记为S-CTAB、S-DPQAC 和S-PDMDAAC。

1.2.2 絮凝试验。当铜绿微囊藻达到指数生长期时，取50 ml均匀藻液于50 ml的洁净比色管中。向藻液中投加一定量的改性河沙，迅速摇匀，设空白样纯藻液为对照组，且每组设3组平行试验。按照“1.1.2”中培养藻的相同条件继续培养，在一定时间内于显微镜下观察藻细胞的生长情况并计数，计算除藻率。

1.2.3 藻密度的测定[7]。取1 ml藻液用Lugol 碘液固定，在Olympus显微镜下用血球计数板计数并计算细胞密度。生物量用藻液中的藻个数（N）表示，计算公式：N=A×B×5/10-4m3。其中，N为每毫升藻液中的藻细胞数，A为每格中的细胞数，B为藻液的稀释倍数。每个样品计数3次，取平均值（每次计数值和平均值之间的差应<±15%）。

1.2.4 沉降率的测定。移取一定量处于指数生长期的铜绿微囊藻藻液于50 ml比色管中，加入一定量的改性河沙样品，同时设空白对照样品（纯藻液）。迅速摇匀后，在 20 ℃和420 nm 波长条件下测定其透光率，并取中间液层溶液测定藻细胞密度，依此判断沉降速率。

1.2.5 藻去除率的表示方法[8]。所用藻细胞均经过接种富集培养后转移到一系列的50 ml洁净的比色管中用于除藻试验。避免因藻细胞生长条件变化而导致藻数量的自然减少，笔者以相同时间空白样中的存活藻数作为底数，并且与加入改性河沙样品一起在相同条件下培养，将改性河沙的除藻结果同藻细胞的自然增长比较，全面评价该改性河沙的除藻性能。该研究中，除藻效果用除藻率（RE）来表示，每组设3个平行试验，取平均值。RE=（对照样的藻细胞密度-试验藻的藻细胞密度）/对照样的藻细胞密度×100%。

2 结果与分析

2.1 不同改性样品对铜绿微囊藻的去除效果 分别用纯河沙、S-CTAB、S-DPQAC和S-PDMDAAC样品对铜绿微囊藻开展絮凝去除试验，其中改性剂与河沙的质量比均为0.04 g/g，24 h后的絮凝去除效果如图2所示。图2表明，纯河沙样品（即S）没有显示出降藻效果。S-CTAB、S-DPQAC和S-PDMDAAC样品均表现出了对铜绿微囊藻不同的去除效果，随着样品浓度的增加，铜绿微囊藻的去除率也会相应地提高，最后趋于平缓，而且S-CTAB的去除效果明显高于S-DPQAC和S-PDMDAAC。分析其原因是，CTAB属于单链状的长链分子结构，其中的季铵基团与河沙表面可以有效地接触，从而提高其碰撞机率，导致河沙表面的改性效果会更好。DPQAC和PDMDAAC分别为双链和环状结构，其特殊的分子结构导致与河沙表面接触的概率较小，表面包覆改性不完全，从而导致除藻率相对较低；并且双长链和环状结构的季铵盐中有机基团的比例增加，使其憎水性加大而使分子卷曲成团，封闭了氮正离子，造成整个分子的极性减弱，从而削弱了与水华生物体碰撞和吸引的能力，导致除藻效果不理想[9-10]。因此，CTAB改性河沙的除藻效果相对更好，适合作为表面包覆改性泥沙的试剂。

2.2 CTAB与河沙质量比对除藻效果的影响 如图3所示，随着CTAB与河沙质量比增大，S-CTAB样品对铜绿微囊藻的去除率也不断提高。分析其原因是随着CTAB质量的增加，可以促进S-CTAB样品对铜绿微囊藻架桥网捕作用及灭杀作用，导致除藻效果增强。图3同时给出了改性反应时间（分别为24和48 h）与除藻率之间的关系，随着改性时间的延长，当CTAB与河沙质量比低于0.04 g/g时，改性48 h的除藻率却低于改性24 h的除藻率。当CTAB与河沙质量比超过0.04 g/g时，除藻率随质量比的增加而增大。研究表明，改性河沙样品的除藻能力表现出了明显的剂量-效应和时间的关系。

2.3 S-CTAB样品粒径对除藻效果的影响 图4给出了分别过100、140和200目筛的S-CTAB样品对铜绿微囊藻的去除率。结果表明，S-CTAB样品的除藻率随其粒径的减小而增大。分析其原因是，藻细胞与颗粒的碰撞几率ωab与藻细胞及矿物颗粒的粒子半径有关，可表示为：

ωab=KT3η·（1+γbγa）2γbγa （1）

其中，γa、γb分别是藻细胞半径和S-CTAB半径，在藻细胞大小一定时，S-CTAB的粒径γb愈小，ωab愈大，即S-CTAB与藻细胞碰撞的几率愈大，絮凝效率愈高，除藻效果表现得更好[11]。因此，可以通过减小改性样品粒径的方法来提高其对藻细胞的去除率。

2.4 改性温度和老化时间对去除率的影响 图5a给出了S-CTAB样品改性温度对铜绿微囊去除效果的影响关系，通过水浴加热调整河沙与CTAB反应体系的改性温度，分别设置为20、30、40、50、60 ℃。其中S-CTAB投加量为5 g/L，CTAB与河沙的质量比0.04 g/g。当反应体系的温度为20 ℃，S-CTAB样品的降藻率约为58%，随着改性温度的升高，S-CTAB样品的除藻能力增强，当改性温度为40 ℃时降藻率可以达到75%，随着改性温度进一步增加，S-CTAB样品的降藻率逐渐降低。因此，在40 ℃时制备的S-CTAB样品降藻率最好。分析其原因，可能是随着温度的升高，有利于CTAB与河沙表面的充分改性，CTAB可以更好地包覆河沙表面；但随着温度的继续升高，烷基链的运动速度加剧，不利于CATB包覆河沙表面，导致部分改性剂脱落，减少了CTAB在河沙表面的含量，减弱了S-CTAB样品的吸附、架桥和网捕作用[12-13]。因此，40 ℃可以作为CTAB改性河沙的制备温度。图5b给出了S-CTAB样品老化时间对去除铜绿微囊藻的效果影响，分别采用S-CTAB老化24、48、72、96和120 h的样品用于上述相同条件下的降藻。研究表明，S-CTAB样品老化时间对铜绿微囊藻的去除影响很小。因此，在实际应用中可以提前制备好样品。

2.5 pH对铜绿微囊藻的去除率影响 笔者通过滴加0.01 mol/L 的HCl或NaOH溶液，调整CTAB溶液的pH分别为5、6、7、8、9，制备S-CTAB样品，不同pH条件下制备的S-CTAB样品显示出的降藻率如图 6 所示。研究表明，pH的改变对S-CTAB样品的除藻效果影响很小。

2.6 S-CTAB对铜绿微囊藻的沉降速率的影响

由碰撞理论可知，改性泥沙对铜绿微囊藻的絮凝沉淀是靠颗粒间的碰撞产生的，因此，泥沙颗粒与铜绿微囊藻的絮凝过程可以用双分子反应来表示[14]，其反应速率表示如下：

dNabdt=kαNαNb （2）

其中，Nab、Na、Nb分别是单位体积中河沙颗粒-细胞絮凝产物、细胞、河沙的颗粒数目，k为速率常数，a为生成絮凝物的有效碰撞数在总碰撞次数中的比例（0

-dNtdt=ktNt2 （3）

Nt∝1-T% （4）

Nt为t时刻的总粒子数目。因此，采用分光光度计法通过测定体系的T%来表示总颗粒物数目的变化，从而反映其絮凝速率的大小。

为了研究S-CTAB样品对铜绿微囊藻沉降速率的影响，选取CTAB与河沙的质量比为0.04 g/g，S-CTAB样品的投加量为6 g/L，在 20 ℃和420 nm 波长条件下测定体系的透光率，结果如图7所示。在1 h以内，絮凝除藻速率随着时间的延长而增加，表明S-CTAB样品与藻细胞之间的碰撞几率也相应地增大，絮凝除藻效果增强。但随着絮凝沉降时间的延长，体系透光率逐渐下降，并最终稳定下来。分析原因可能是在絮凝初期，胶体颗粒脱稳发生凝聚作用，絮凝速率逐渐增大，改性泥沙与藻细胞形成稳定的絮凝物沉淀下来，此时的透光率达到最大；随着反应时间的延长，由于细小的泥沙颗粒及附着在改性泥沙表面的季铵盐造成铜绿微囊藻的藻细胞的破裂释放出叶绿素悬浮于藻液中，所以导致藻液体系的透光率下降。研究表明，反应体系最终的透光率约48%，但此时的除藻率已达到了约80%。因此，改性河沙对藻类的去除作用可以初步判定为是通过改性河沙对藻类的架桥网捕作用及河沙表面季铵盐离子对藻细胞的灭杀作用来实现的。

3 结论

（1）笔者通过十六烷基三甲基溴化铵、双烷基聚氧乙烯基三季铵盐和聚二甲基二烯丙基氯化铵3种季铵盐阳离子表面活性剂对河沙的直接改性，研究其对铜绿微囊藻的去除

效果。研究表明，相同条件制备的S-CTAB样品对铜绿微

囊藻的去除效果明显高于S-DPQAC 和S-PDMDAAC，其除藻性能的差异可能是由季铵盐阳离子表面活性剂分子结构及物理化学性质决定的，即单链状的分子的去除率大于双链结构和团状结构。

（2）CTAB与河沙的质量比为 0.04 g/g、河沙粒径为200目、投加量为5 g/L、水浴温度为40 ℃制备的S-CTAB样品表现出对铜绿微囊藻最佳的去除效果。

（3）S-CTAB样品对铜绿微囊藻的去除机理可能原因是通过改性河沙对藻类的架桥网捕作用及河沙表面季铵盐离子对藻细胞的灭杀作用。

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