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水体富营养化与蓝藻爆发治理研究
2017-05-25  |          【 】【打印】【关闭

  在人类活动的影响下,生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河湖、海湾等缓流水体,导致水体富营养化。在外界温度条件合适的情况下,富营养化水体会引起蓝藻迅速繁殖。密集爆发的蓝藻会导致水中溶解氧迅速下降、水质恶化,从而引起水生动物的大面积死亡,破坏生态平衡。此外,蓝藻死亡时或者其细胞破裂时还会释放出多种藻毒素,也会伤害水生动物以及饮用受其污染水体的牲畜,导致人体出现多种疾病。水体富营养化在我国正呈现蔓延趋势,是一种非常严重且难以处理的水污染问题。通过适当的废水处理来阻止氮、磷等营养元素过量排入自然水体,从而防止水体富营养化是解决蓝藻爆发的根本方法;同时,对受蓝藻污染水体也必须进行适当处理以保障用水安全。

  为了解决水体富营养化以及其带来的蓝藻污染问题,沈阳材料科学国家(联合)实验室环境功能材料研究部李琦研究员及其团队近期针对水中氮、磷元素去除、蓝藻杀灭以及藻毒素降解进行了研究,取得了系列新进展。他们发展出一种简单、低成本的溶剂热方法制备出系列成分比的Ce/Zr双金属氧化物纳米颗粒,研究发现通过改变Ce/Zr的成分比可以调控其结构、晶粒尺寸、表面性质,从而影响其磷酸根吸附性能。吸附动力学研究表明,Ce0.8Zr0.2O2 纳米颗粒在此系列样品中具有最佳的磷酸根吸附性能,其饱和吸附量达到112 mg/g,在目前文献所报道的磷酸根吸附材料中性能最为优异。磷酸根在Ce0.8Zr0.2O2 纳米颗粒上的吸附遵循内球吸附模型,表面羟基发挥主要作用。利用太阳光能进行光催化净水处理是解决水体污染的一种很有前景的方法。他们发展出一种氧化钯修饰氮掺杂二氧化钛(TiO2-xNx/PdO)光催化材料,在可见光下具有良好的光催化氧化性能。应用于水中氨氮(NH4+-NH3)去除,其在可见光照射下去除率就超过90%,且产生的副产物NO3-和NO2- 低于5%。他们在研究中还首次发现,TiO2-xNx/PdO在弱碱环境下(pH~8)即能有效去除水中氨氮,大大拓展了光催化氧化去除水中氨氮的应用范围。在可见光照射下,TiO2-xNx/PdO还展示出对于蓝藻优异的光催化杀灭性能。通过光催化氧化破坏蓝藻细胞壁,蓝藻细胞内多种生物活性物质发生泄漏与被分解,从而造成对于蓝藻细胞不可修复的破坏,使此杀灭过程不可逆转。同时,TiO2-xNx/PdO能够在可见光照射下有效分解蓝藻细胞释放出的藻毒素,从而解决了蓝藻处理过程中常见的藻毒素污染的问题。相关系列研究结果发表在Chemical Engineering Journal, 264 (2015) 437(封面文章)、Chemical Engineering Journal, 264 (2015) 728以及Chemical Engineering Journal, 268 (2015) 270。

  上述研究工作得到了国家自然科学基金、金属所知识创新工程项目、沈阳材料科学国家(联合)实验室基础前沿创新项目、中科院青年创新促进会项目和教育部留学回国人员科研启动基金的支持。

图1 Ce0.8Zr0.2O2 纳米颗粒的磷酸根等温吸附曲线。

图2 可见光下TiO2-xNx/PdO纳米颗粒光催化去除水中氨氮机理示意图。

图3 可见光照射不同时间后(a/b: 0小时、c/d: 3小时、e/f: 6小时)蓝藻细胞链被TiO2-xNx/PdO薄膜光催化氧化破坏情况,a、c、e与b、d、f分别为对应的原位实时相差与荧光显微照片。

环境功能材料研究部

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