液电等离子体掺铁光催化灭藻的物化生物效应研究

如何有效地控制藻生长和去除藻毒素是水体与饮用水安全中的一个亟待解决的环境难题。本课题拟采用高压脉冲放电等离子体协同铁掺杂型TiO2催化技术产生的高活性物化场达到高效催化灭活铜绿微囊藻目的；调控掺铁纳米TiO2的制备条件，优化液电等离子体光催化体系的灭活铜绿微囊藻的特征参数；借助荧光探针技术和藻生理特性指标分析此体系产生的物化作用，如羟基自由基、大分子活性物质和UV光子对藻细胞生理特性和微观结构的破坏，探究液电光催化体系灭藻的物化生物效应；最后，建立灭藻的催化协同效应和物化效率的数学模型，揭示灭藻的数学规律。为液电等离子体光催化技术应用在灭藻及物化生物效应上提供重要的基础数据及理论指导，具有重要的科学意义。

本课题研究了以水华中占优势的铜绿微囊藻为研究对象，优化了高压脉冲放电等离子体体体系条件。研究结果表明，最优的液电体系参数为放电时间为30 min，峰值电压为30 kV，脉冲频率为80 Hz，放电电极间距为1 cm, 空气源，曝气量为3 L/min，初始电导率1000 μs/cm。在液电体系中引入光催化剂TiO2和掺铁TiO2，构建成液电光催化体系，研究发现投加TiO2的液电光催化体系能获得更好的灭藻效果，并得到最优的液电光催化体系工艺参数：制备TiO2煅烧温度为600℃，掺铁比 (原子比)为 0.05%及TiO2投加量为0.075g/L。..本课题对脉冲放电前后铜绿微囊藻细胞进行了微观观察，比较了液电体系与液电光催化体系中藻生理指标的变化，阐述了高压脉冲放电对铜绿微囊藻灭活的作用。在培养过程中叶绿素a含量明显降低，藻相对电导率呈先升高后减小的变化，藻细胞SOD活性会发生先升高后降低的变化，MDA含量则呈上升后降低的趋势，这说明高压脉冲放电对铜绿微囊藻产生明显的抑制作用，藻细胞在经过应激反应后，其生理结构被破坏而使其灭活。..本课题分析了三种体系（无催化剂（空白体系）、液电TiO2、液电TiO2-Fe）中液相产生的主要活性物质(•OH 、H2O2、O3 )和UV对藻灭活的物化作用，并探讨了其物化作用机理。研究结果表明，不同液电光催化反应体系的铜绿微囊藻的灭活率均接近100%，其中掺铁TiO2的液电光催化体系藻灭活速率提高得最大；实验表明H2O2对后续铜绿微囊藻的灭活作用较大，臭氧对整体的灭藻效果作用不大。同时，在屏蔽了UV光的物化作用后，对UV辐射的灭藻作用产生一定的影响，而在三种体系中羟基自由基（•OH）对铜绿微囊藻的灭活起到非常重要的作用。最后，建立了在高压脉冲液电与液电光催化反应体系下对铜绿微囊藻的灭活抑制数学模型，分析了液电光催化反应体系的光催化速率和能效利用率，及其提高率，并主要计算了•OH和UV在放电过程中的物化贡献率。.