【摘要】：微囊藻毒素-LR(Microcystins-LR,MC-LR)是自然環(huán)境中存在范圍最廣、毒性最強(qiáng)的一種藻毒素,理化性質(zhì)十分穩(wěn)定。目前用于降解MC-LR的方法有物理法、化學(xué)氧化法及生物降解法,而傳統(tǒng)的水處理技術(shù)不僅難以完全去除水中的MC-LR,還存在著二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。電化學(xué)(electrochemistry,EC)降解技術(shù)是利用外加電場的作用,通過一系列的化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)或物理過程,把廢水中的有機(jī)污染物去除。摻硼金剛石(boron-doped diamond,BDD)電極作為一種新型的電極材料,具有電化學(xué)勢窗口寬、背景電流低、物理化學(xué)穩(wěn)定性好及低吸附特性等優(yōu)異的電化學(xué)特性,然而其依然會因物質(zhì)傳遞能力的不足而使電極出現(xiàn)極化和鈍化的現(xiàn)象。超聲(ultrasound,US)是指頻率在20KHz以上,人耳聽不到的聲波,目前在水中有機(jī)污染物的治理方面,已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。但超聲單獨(dú)用于污染物的降解時(shí)效率較低、能耗較高。超聲-電化學(xué)(Ultrasonic sonoelectrochemistry,US-EC)聯(lián)合使用,可以利用超聲的物理效應(yīng),改善電極的極化和鈍化現(xiàn)象,還能通過其空化效應(yīng)加快電化學(xué)的氧化反應(yīng)速率,使一些難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)。本課題選用BDD電極作為電化學(xué)反應(yīng)的陽極,并將電化學(xué)與低頻功率超聲聯(lián)合使用,在實(shí)驗(yàn)條件下降解MC-LR模擬廢水,優(yōu)化US-EC處理工藝;對US-EC處理前后的MC-LR水樣進(jìn)行生物毒性實(shí)驗(yàn),探討US-EC能否減少或消除MC-LR的生物毒性;并在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,用US-EC處理太湖楊灣藻水分離站現(xiàn)場污水,分析處理前后現(xiàn)場水樣中的MC-LR去除效果及水質(zhì)改善情況。一、超聲-電化學(xué)降解水中MC-LR的實(shí)驗(yàn)研究自主構(gòu)建了超聲-電化學(xué)水處理實(shí)驗(yàn)裝置,在實(shí)驗(yàn)室條件下,探討電流密度(1、2、3、4、5mA/cm~2)、超聲功率(15、20、25、30W)、作用時(shí)間(1、5、10、20、40min)、初始濃度(10、50、100μg/L)下MC-LR的去除率,比較US、EC及US-EC的降解效果,優(yōu)化US-EC處理工藝。研究結(jié)果表明:初始濃度為10μg/L的MC-LR模擬廢水經(jīng)US-EC處理20min,樣品中未檢出MC-LR;而US和EC組處理20min后,反應(yīng)進(jìn)入平臺期,各參數(shù)設(shè)置組處理時(shí)間延長至40min,樣品中依然殘留一定量的MC-LR(其中US組的MC-LR終濃度為3.0-5.4μg/L,而EC組的MC-LR終濃度為0.54-1.1μg/L)。表明US-EC的MC-LR降解效果明顯強(qiáng)于單獨(dú)US和單獨(dú)EC。在US-EC降解MC-LR的過程中,各參數(shù)對降解效果均具有影響:在一定范圍內(nèi),電流密度與MC-LR去除率為正相關(guān),但當(dāng)其達(dá)到一定水平后,再增加電流密度,MC-LR去除率增加不明顯;在處理時(shí)間較短時(shí),MC-LR去除率隨著超聲增加而增加,但當(dāng)處理時(shí)間延長至20min,各超聲功率設(shè)置下MC-LR去除率無差異;當(dāng)初始濃度為10μg/L時(shí),處理20min樣品中未檢出MC-LR,初始濃度為50μg/L時(shí),處理40min樣品中未檢出MC-LR,而當(dāng)初始濃度為100μg/L時(shí),處理40min樣品中依然殘余一定量的MC-LR(7.1μg/L)。綜合考慮各項(xiàng)參數(shù),認(rèn)為電流密度為3mA/cm~2,超聲功率為15W為US-EC降解MC-LR的最佳參數(shù),處理時(shí)間則要根據(jù)濃度不同而進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。二、超聲-電化學(xué)處理MC-LR水樣的生物毒性實(shí)驗(yàn)配制一定濃度的MC-LR水溶液,用秀麗線蟲作為模式動(dòng)物,研究環(huán)境濃度下(1、10、50、100μg/L)的MC-LR能否導(dǎo)致秀麗線蟲細(xì)胞凋亡及蛋白磷酸酶2A(Protein phosphatase2A,PP2A)活性抑制,選取合適的指標(biāo)構(gòu)建環(huán)境濃度MC-LR的生物毒性評價(jià)方法;并對US-EC處理后的水樣進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn),評價(jià)US-EC能否破壞MC-LR的毒性基團(tuán),降低或消除MC-LR的毒性風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果顯示,1μg/L劑量組MC-LR即可引起秀麗線蟲細(xì)胞凋亡,細(xì)胞凋亡為一個(gè)敏感指標(biāo),可以檢測環(huán)境濃度下MC-LR的生物毒性;而PP2A活性敏感性較差,與對照組相比,差異僅在100μg/L劑量組具有顯著性。用US-EC處理前后的水樣對秀麗線蟲進(jìn)行染毒,用細(xì)胞凋亡作為指標(biāo)評價(jià)處理前后水樣的生物毒性,結(jié)果顯示經(jīng)US-EC處理后MC-LR水溶液的生物毒性明顯下降,說明US-EC在降解水中MC-LR的同時(shí),也能消除其生物毒性。三、超聲-電化學(xué)處理太湖楊灣藻水分離站污水的效果分析取太湖楊灣藻水分離站待排放的污水,用US-EC對水樣進(jìn)行處理,探討US-EC對現(xiàn)場水樣中MC-LR的去除效果,并于處理不同時(shí)間后對水樣水質(zhì)指標(biāo)(包括總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD))的變化進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明:US-EC處理20min,水樣中即未檢出MC-LR;污水中TN濃度從2 mg/L下降至0.74mg/L;TP從0.14mg/L降至0.02mg/L;COD從8.17 mg/L降為7.07mg/L;處理40min:TN濃度最終為0.68mg/L;TP為0.01mg/L;COD為6.97mg/L。結(jié)合TN、TP、COD的降解情況,認(rèn)為US-EC可以改善水質(zhì)。綜上,本研究初步得出以下結(jié)論:(1)US-EC能有效降解水中MC-LR,其降解效果明顯優(yōu)于單獨(dú)US和單獨(dú)EC。(2)US-EC能夠降低甚至消除MC-LR的毒性作用,是一項(xiàng)安全可行的水處理技術(shù)。(3)US-EC能有效降解現(xiàn)場水樣中MC-LR,同時(shí)能夠降低水中TN、TP、COD水平,達(dá)到改善水質(zhì)的目的。
【圖文】：

第一章 超聲-電化學(xué)降解水中 MC-LR 的實(shí)驗(yàn)研究3 實(shí)驗(yàn)裝置超聲-電化學(xué)水處理實(shí)驗(yàn)裝置為自行加工設(shè)計(jì)，主要包括直流電源、電解槽、電極、超聲發(fā)生器。陽極為 4.8 cm×6 cm×0.5cm 的 BDD 電極，陰極為 4.8 cm×6 cm×0.5cm 的不銹鋼電極，有效面積約為 28.8cm2，陽極與陰極分別與直流電源的正極和負(fù)極相連，板間距為 3.5cm。反應(yīng)體積為 100ml。為了避免溫度的影響，用流動(dòng)的自來水進(jìn)行水浴，，且用溫度計(jì)對溫度進(jìn)行監(jiān)測。超聲探頭的驅(qū)動(dòng)頻率為 20kHz，功率根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

c d圖 1-2 不同溶劑對 MC-LR 峰形的影響a：純水；b：53%甲醇；c：80%甲醇；d：100%甲醇從圖譜可以看出用純甲醇當(dāng)溶劑時(shí)，由于其極性太強(qiáng)，MC-LR 信號峰出現(xiàn)前沿峰，而純水及以甲醇與水以一定比例混合后作為 MC-LR 的溶劑得到的結(jié)果顯示 MC-LR 獨(dú)立成峰，考慮到甲醇對 MC-LR 的溶解性較水強(qiáng)，所以在本研究的后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選擇 80%甲醇水溶液作為溶劑，對濃縮蒸發(fā)后附著在玻璃離心管內(nèi)的 MC-LR 進(jìn)行復(fù)溶后進(jìn)行含量測定。3.2 方法的檢測限處理水樣的原體積為 100 ml，將水分蒸發(fā)干后，用 100μl 的 80%甲醇作為復(fù)溶溶劑，前處理過程樣品中的 MC-LR 被濃縮了 1000 倍，而儀器本身的檢測限為 0.1μg/mL。因此，對于本研究的樣品而言，其檢出限為 0.1μg/L。3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X703

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本文編號：2687625