氧纳米气泡促进有机污染物光降解的研究

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　　摘 要：我国将纳米气泡引入污水处理领域的应用尚不普及，深入研究较为鲜见。如何高效利用纳米气泡进行污水处理？笔者针对是否使用氧纳米气泡、不同气体氛围的纳米气泡、不同污染物溶液浓度、不同酸碱度、不同光照条件等常见影响因素，进行五组比照实验，据此分析，得出结论：有机污染废水可利用氧纳米气泡辅以宽波长金属卤化物灯照射进行有效降解，并考虑采取适当方法调高有机废水pH值和初始浓度到适当范围，以进一步提高降解率。
　　关键词：纳米气泡;氧纳米气泡;光降解;有机污染物
　　0引言
　　理论上讲，地球上的含水量大约有14亿立方千米，然而可用水量其实不足4.5万立方千米（约为总量的0.003%），而且其中只有9000到1.4万立方千米适合人类使用（约为总量的0.001%）。而我国水利部门也曾经对全国700余条河流，约10万公里河长的水资源质量进行了评价，结果是46.5%的河长受到污染，水质只达到四、五类;10.6%的河长严重污染，水质为超五类，水体已丧失使用价值;90%以上的城市水域污染严重。水污染正从东部向西部发展，从支流向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下渗透，从区域向流域扩散。原国家环保局曾经发布新闻，我国每年废水排放量为365亿吨左右，而每吨污水能够污染大于它40倍的自然水。全中国七大流域的主要河流有机污染普遍，主要湖泊富营养化严重[1，6]。然而我国很多地区受限于资金、技术等多方面原因，水污染治理还显得力不从心。
　　纳米气泡物理学界也称为微纳气泡，是气体和液体的分界面上存在的一种特殊状态的气泡，其直径在50um以下[2，3]。它在发生之后，会收缩自己，在这个过程因气泡变小而上升，速度变缓，融化效率变高。由于纳米气泡具有表面积大、表面能大、气泡内能大、气泡能够稳定存在、无二次污染、使用安全等诸多优良特点[4，5]，所以将其引入污水处理的领域，具有非常广阔的应用前景。本文将如何高效利用氧纳米气泡进行有机污染废水处理作为研究的目的。
　　1实验过程
　　1.1准备工作
　　1.1.1配置储备液
　　配置抗生素浓度为1000mg/l的储备液500ml作为模拟废水，后续实验稀释使用。
　　1.1.2绘制模拟废水标准曲线
　　配置浓度（C）分别为50mg/l、200mg/l、400mg/l、600mg/l，以及原储备液1000mg/l的作为模拟废水。用分光光度仪扫描溶液，确定吸收峰位置，测定在这一波长下，不同浓度（C）抗生素溶液的吸光度值（A），绘制浓度吸光度标准曲线图，即A—C工作曲线图（见图1）。
　　1.1.3制作光催化系统
　　首先，用铁架台固定好金属卤化物灯。选择了较为接近自然光源的宽波长金属卤化物灯作为模拟光源（工作波长为400-700nm）。
　　第二，设计、制作冷却装置。为确保金属卤化物灯长时间稳定工作，在外面制作冷却装置，与灯共同组成光催化系统，并用玻璃罩作为实验液体的盛器。
　　第三，设计、制作防护装置。金属卤化物灯长时间直射会对人体造成影响，为保护实验者，用不透明硬纸箱罩住光催化系统，上开口，覆以锡箔纸遮光。
　　1.2分组实验
　　经过研究分析，筛选出五个常见、且易于推广的影响因素，进行分组实验。
　　1.2.1第一组实验
　　使用氧纳米气泡对有机污染物光降解的影響：对比在使用氧纳米气泡和不使用的情况下模拟废水的降解率，探究纳米气泡对有机污染物光降解效果的影响。
　　第一步，用两份40ml的储备液制作溶液，作为模拟废水。其中一份用气泡发生装置制作的纳米气泡水稀释至100mg/l，另一份用超纯水稀释至100mg/l。
　　第二步，分别置入光催化系统，于0分钟、30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟，分别取样，用移液枪移入石英比色皿，放入紫外—可见光光分度仪进行扫描测量，得到不同时间点的吸光度值A，记录、保存并导出图表。
　　1.2.2第二组实验
　　氧气氛、氮气氛对纳米气泡光降解的影响：对比氧气氛纳米气泡和氮气氛纳米气泡下模拟废水的降解率，探究不同气氛的纳米气泡对有机污染物光降解效果的影响。
　　第一步，用两份40ml的储备液制作溶液：一份用气泡发生装置制作的纳米气泡水稀释至100mg/l，完成氧气氛纳米气泡的制作;一份用超纯水稀释至100mg/l，并用氮气瓶曝气，完成氮气氛纳米气泡的制作。
　　第二步，按照第一组实验第二步所列步骤完成不同模拟废水光降解数据测定（由于氮气氛的实验原液超出光度计量程，所以对所取样品进行5倍稀释进行研究，同等倍数稀释不影响最终结果），得到吸光度图。
　　1.2.3第三组实验
　　不同浓度的抗生素溶液对纳米气泡光降解的影响：对比不同浓度的模拟废水，在氧纳米气泡作用下的降解率，探究模拟废水浓度对氧纳米气泡光降解效果的影响。
　　第一步，用气泡发生装置制作纳米气泡水，分别稀释储备液至100mg/l、200mg/l、300mg/l。
　　第二步，按照第一组实验第二步所列步骤完成实验数据测定，得到不同浓度的有机污染物的吸光度图。
　　1.2.4第四组实验
　　不同酸碱度抗生素溶液的光降解效率：对比不同酸碱度的模拟废水，在氧纳米气泡作用下的降解率，探究酸碱度对氧纳米气泡光降解效果的影响。
　　第一步，用气泡发生装置制作的纳米气泡水，稀释出4份储备液至100mg/l。
　　第二步，用pH计测量一份原液的pH值，为7.14;用NaOH，H2SO4调试出pH值分别为3.43、7.14、9.00、11.01的模拟废水。
　　第三步，按照第一组实验第二步所列步骤完成不同pH值的抗生素溶液光降解数据测定，得到吸光度图。 　　1.2.5第五组实验
　　光照波长对有机污染物的纳米气泡光降解效率的影响：对比宽波光照和定波光照，模拟废水在氧纳米气泡作用下的降解率，探究光照波长对光降解效果的影响。
　　第一步，用气泡发生装置制作的纳米气泡水，稀释2份储备液至100mg/l。
　　第二步，用宽波长金属卤化物灯（400-700nm）和单波长灯（380nm），分别照射实验溶液，按照第一组实验第二步所列步骤完成数据测定，得到不同浓度的模拟废水的吸光度图。
　　2结果与讨论
　　通过测定不同组别模拟废水的吸光度值，参照抗生素溶液的标准曲线，得到反应前后抗生素溶液的降解率R， R=[（C0-Ct）/C0）]×100%。其中C0是光照前抗生素溶液的浓度，Ct是光照后抗生素溶液的浓度（Ct取实验时间最大值150分钟时的测量数值）。由图1的A—C工作曲线图我们可以看出，A、C为正比例函数关系，它们之间的关系为：C=kA（k≠0）。
　　所以，R=[（C0-Ct）/C0）]×100%，可以表达为R=[（kA0-
　　kAt）/A0]×100%=[（A0-At）/A0]×100%。因此，我们只要利用测量出吸光度值A按照公式进行计算，就可以得出降解率R。
　　将各组实验数据按照公式计算后，得到以下结果（需要注意的是，在实验中，发现90-150分钟的部分图形基线有所上移，因此后期进行降解率的计算时，要考虑基线上移影响因素）。
　　2.1第一组实验结果
　　在第150分钟时，计算出氧气氛纳米气泡对模拟废水的光降解率为40.50%，无纳米气泡的情况下光降解率为6.00%。由此可知，加入纳米气泡的有机废水降解率高于不加入的。图2为根据实验数据绘制出吸收峰随时间变化比对图。
　　分析推测这是因为与不含纳米气泡的体系相比，氧纳米气泡能够为反应体系提供氧，即活性氧自由基，促进了污染物的降解。
　　2.2第二组实验结果
　　在150分钟时，计算出氧气氛纳米气泡对模拟废水的光降解率为53.67%，氮气氛纳米气泡的光降解率为-1.65%。可见氧气氛的纳米气泡对模拟废水的光降解率高于氮气氛的纳米气泡。图3为根据实验数据绘制出吸收峰随时间变化比对图。
　　分析推测这也是因为氧纳米气泡能够为反应体系提供自由基的缘故。
　　2.3第三組实验结果
　　在150分钟时，计算100mg/l浓度的模拟废水的光降解率为34.13%，200mg/l浓度的模拟废水的光降解率为53.67%，300mg/l浓度的模拟废水的光降解率为29.23%。可见氧纳米气泡光降解率随有机废水的初始浓度升高，呈n型变化。图4为根据实验数据绘制出吸收峰随时间变化比对图。
　　分析推测这是因为污染物的降解率受到体系中纳米气泡浓度的影响，因此在一定浓度的纳米气泡体系内，污染物在一定浓度范围内能够有效降解，浓度过高，无法提供足够的活性氧促进降解，反而会降低降解率。
　　2.4第四组实验结果
　　在150分钟时，计算pH值为3.43的模拟废水降解率为4.61%，pH值为7.14的降解率为34.13%，pH值为9.00的降解率为41.58%，pH值为11.01的降解率为59.13%。可见，pH值越高的有机废水的降解率越高。图5为根据实验数据绘制出吸收峰随时间变化比对图。
　　分析推测这是因为高pH值条件下抗生素的吸光度有红移现象，能够吸收更多的可见光，促进其降解;pH值对纳米气泡的稳定性也有影响， 高pH值条件下纳米气泡的尺寸更小，活性更高。
　　2.5第五组实验结果
　　在150分钟时，宽波长的光照射模拟废水降解率为53.67%，定波长的光照射模拟废水降解率为-110.43%。图6为根据实验数据绘制出吸收峰随时间变化比对图。
　　宽波长灯比定波长灯的降解率高，分析推测这是因为主要是因为宽波长吸收范围与抗生素的波长扫描范围重合较多，因此光的吸收利用效率高，从而光降解率高。且380nm单波长照射下，水中产生了其他吸光杂质。
　　3结论
　　实验说明，氧纳米气泡有助于促进有机污染废水的光降解;氧气氛中的降解效率高于氮气氛;氧纳米气泡光降解率随有机废水的初始浓度升高，呈n型变化;pH值越高的有机废水的光降解率越高;宽波长金属卤化物灯的催化作用优于单波长灯（380nm）。
　　因此，可以得到以下结论：有机污染废水可利用氧纳米气泡辅以宽波长金属卤化物灯照射进行有效降解，并考虑采取适当方法调高有机废水pH值和初始浓度到适当范围，以进一步提高降解率。
　　参考文献
　　[1] 高晶.2018世界水资源及中国水资源概览[N/OL].环保网，（2018-08-10）[2020-02-10]http：//www.chinaenvironment.com/.
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　　[3] 孙学军.神奇的纳米气泡[EB/OL].孙学军科学网博客，（2017-08-09）[2020-02-10]http：//blog.sciencenet.cn/blog-41174-1070262.html.
　　[4] 郑最胜，李南方.纳米气泡简介[J].化学教学，2008，3（1）：41-43.
　　[5] 张立娟，方海平，胡钧.纳米气泡的科学之谜[J].物理，2018（9）：574-583.
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