超声—电化学技术降解水中MC-LR的效果研究

发布时间：2020-05-29 22:46

【摘要】：微囊藻毒素-LR(Microcystins-LR,MC-LR)是自然环境中存在范围最广、毒性最强的一种藻毒素,理化性质十分稳定。目前用于降解MC-LR的方法有物理法、化学氧化法及生物降解法,而传统的水处理技术不仅难以完全去除水中的MC-LR,还存在着二次污染的风险。电化学(electrochemistry,EC)降解技术是利用外加电场的作用,通过一系列的化学反应、电化学或物理过程,把废水中的有机污染物去除。掺硼金刚石(boron-doped diamond,BDD)电极作为一种新型的电极材料,具有电化学势窗口宽、背景电流低、物理化学稳定性好及低吸附特性等优异的电化学特性,然而其依然会因物质传递能力的不足而使电极出现极化和钝化的现象。超声(ultrasound,US)是指频率在20KHz以上,人耳听不到的声波,目前在水中有机污染物的治理方面,已经取得了一定的进展。但超声单独用于污染物的降解时效率较低、能耗较高。超声-电化学(Ultrasonic sonoelectrochemistry,US-EC)联合使用,可以利用超声的物理效应,改善电极的极化和钝化现象,还能通过其空化效应加快电化学的氧化反应速率,使一些难以进行的化学反应得以实现。本课题选用BDD电极作为电化学反应的阳极,并将电化学与低频功率超声联合使用,在实验条件下降解MC-LR模拟废水,优化US-EC处理工艺;对US-EC处理前后的MC-LR水样进行生物毒性实验,探讨US-EC能否减少或消除MC-LR的生物毒性;并在实验室研究的基础上,用US-EC处理太湖杨湾藻水分离站现场污水,分析处理前后现场水样中的MC-LR去除效果及水质改善情况。一、超声-电化学降解水中MC-LR的实验研究自主构建了超声-电化学水处理实验装置,在实验室条件下,探讨电流密度(1、2、3、4、5mA/cm~2)、超声功率(15、20、25、30W)、作用时间(1、5、10、20、40min)、初始浓度(10、50、100μg/L)下MC-LR的去除率,比较US、EC及US-EC的降解效果,优化US-EC处理工艺。研究结果表明:初始浓度为10μg/L的MC-LR模拟废水经US-EC处理20min,样品中未检出MC-LR;而US和EC组处理20min后,反应进入平台期,各参数设置组处理时间延长至40min,样品中依然残留一定量的MC-LR(其中US组的MC-LR终浓度为3.0-5.4μg/L,而EC组的MC-LR终浓度为0.54-1.1μg/L)。表明US-EC的MC-LR降解效果明显强于单独US和单独EC。在US-EC降解MC-LR的过程中,各参数对降解效果均具有影响:在一定范围内,电流密度与MC-LR去除率为正相关,但当其达到一定水平后,再增加电流密度,MC-LR去除率增加不明显;在处理时间较短时,MC-LR去除率随着超声增加而增加,但当处理时间延长至20min,各超声功率设置下MC-LR去除率无差异;当初始浓度为10μg/L时,处理20min样品中未检出MC-LR,初始浓度为50μg/L时,处理40min样品中未检出MC-LR,而当初始浓度为100μg/L时,处理40min样品中依然残余一定量的MC-LR(7.1μg/L)。综合考虑各项参数,认为电流密度为3mA/cm~2,超声功率为15W为US-EC降解MC-LR的最佳参数,处理时间则要根据浓度不同而进行相应地调整。二、超声-电化学处理MC-LR水样的生物毒性实验配制一定浓度的MC-LR水溶液,用秀丽线虫作为模式动物,研究环境浓度下(1、10、50、100μg/L)的MC-LR能否导致秀丽线虫细胞凋亡及蛋白磷酸酶2A(Protein phosphatase2A,PP2A)活性抑制,选取合适的指标构建环境浓度MC-LR的生物毒性评价方法;并对US-EC处理后的水样进行毒性实验,评价US-EC能否破坏MC-LR的毒性基团,降低或消除MC-LR的毒性风险。结果显示,1μg/L剂量组MC-LR即可引起秀丽线虫细胞凋亡,细胞凋亡为一个敏感指标,可以检测环境浓度下MC-LR的生物毒性;而PP2A活性敏感性较差,与对照组相比,差异仅在100μg/L剂量组具有显著性。用US-EC处理前后的水样对秀丽线虫进行染毒,用细胞凋亡作为指标评价处理前后水样的生物毒性,结果显示经US-EC处理后MC-LR水溶液的生物毒性明显下降,说明US-EC在降解水中MC-LR的同时,也能消除其生物毒性。三、超声-电化学处理太湖杨湾藻水分离站污水的效果分析取太湖杨湾藻水分离站待排放的污水,用US-EC对水样进行处理,探讨US-EC对现场水样中MC-LR的去除效果,并于处理不同时间后对水样水质指标(包括总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD))的变化进行分析。研究结果表明:US-EC处理20min,水样中即未检出MC-LR;污水中TN浓度从2 mg/L下降至0.74mg/L;TP从0.14mg/L降至0.02mg/L;COD从8.17 mg/L降为7.07mg/L;处理40min:TN浓度最终为0.68mg/L;TP为0.01mg/L;COD为6.97mg/L。结合TN、TP、COD的降解情况,认为US-EC可以改善水质。综上,本研究初步得出以下结论:(1)US-EC能有效降解水中MC-LR,其降解效果明显优于单独US和单独EC。(2)US-EC能够降低甚至消除MC-LR的毒性作用,是一项安全可行的水处理技术。(3)US-EC能有效降解现场水样中MC-LR,同时能够降低水中TN、TP、COD水平,达到改善水质的目的。
【图文】：

第一章 超声-电化学降解水中 MC-LR 的实验研究3 实验装置超声-电化学水处理实验装置为自行加工设计，主要包括直流电源、电解槽、电极、超声发生器。阳极为 4.8 cm×6 cm×0.5cm 的 BDD 电极，阴极为 4.8 cm×6 cm×0.5cm 的不锈钢电极，有效面积约为 28.8cm2，阳极与阴极分别与直流电源的正极和负极相连，板间距为 3.5cm。反应体积为 100ml。为了避免温度的影响，用流动的自来水进行水浴，，且用温度计对温度进行监测。超声探头的驱动频率为 20kHz，功率根据实验要求进行调节。

c d图 1-2 不同溶剂对 MC-LR 峰形的影响a：纯水；b：53%甲醇；c：80%甲醇；d：100%甲醇从图谱可以看出用纯甲醇当溶剂时，由于其极性太强，MC-LR 信号峰出现前沿峰，而纯水及以甲醇与水以一定比例混合后作为 MC-LR 的溶剂得到的结果显示 MC-LR 独立成峰，考虑到甲醇对 MC-LR 的溶解性较水强，所以在本研究的后续实验中选择 80%甲醇水溶液作为溶剂，对浓缩蒸发后附着在玻璃离心管内的 MC-LR 进行复溶后进行含量测定。3.2 方法的检测限处理水样的原体积为 100 ml，将水分蒸发干后，用 100μl 的 80%甲醇作为复溶溶剂，前处理过程样品中的 MC-LR 被浓缩了 1000 倍，而仪器本身的检测限为 0.1μg/mL。因此，对于本研究的样品而言，其检出限为 0.1μg/L。3.2 标准曲线
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

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本文编号：2687625