2.2不同改性礦物顆粒的增氧效果對比

黑暗條件下保持溫度在16±1℃，每隔12 h監測一次，獲取沉積物—水界面處的PO氧含量變化一維圖（圖3）?？瞻讓?shí)驗中（即未投加礦物顆粒條件下），水體中DO濃度僅為0.04 mg/L左右，并在整個(gè)實(shí)驗周期內基本保持不變。5天后略有增加（從0.04 mg/L上升至0.16 mg/L），可能因為此時(shí)水體中過(guò)量的Na2SO3消耗完，空氣里的氧逐漸向水體發(fā)生傳質(zhì)。當向沉積物表面分別投加納米氣泡改性白云母、絹云母和沸石后，水體DO濃度均有不同程度的升高，分別使DO濃度最大增加到4.40、2.00和3.10 mg/L，增氧效果至少可維持5天，之后DO濃度出現一定程度的降低。這主要是因為沉積物中還原性物質(zhì)、微生物活動(dòng)等不斷耗氧造成的。但投加納米氣泡改性硅藻土后，水體DO濃度不增反降，說(shuō)明納米氣泡改性硅藻土沒(méi)有起到向水體和沉積物增氧的效果。

圖3沉積物—水界面處溶解氧（DO）濃度的時(shí)間變化：（A）空白；（B）白云母；（C）絹云母；（D）沸石；（E）硅藻土

納米氣泡改性白云母顆粒層和顆粒層上覆水體DO濃度的二維空間變化如圖4所示。熒光膜顏色從藍到白代表DO濃度逐漸上升，可見(jiàn)載氧礦物顆粒層DO濃度顯著(zhù)高于上覆缺氧水體，開(kāi)始是3.90 mg/L，逐漸向上覆水中擴散，隨時(shí)間變化最后降低為0.05 mg/L，而上覆水界面處DO濃度開(kāi)始是0.05 mg/L，慢慢增加，最后升至1.70 mg/L.

圖4載氧白云母顆粒的增氧效果

利用多參數水質(zhì)監測儀同步獲取了沉積物—水界面DO濃度變化曲線(xiàn)（圖5）?？梢?jiàn)，以白云母、沸石和絹云母作為基底的改性顆粒投入缺氧水體，可以使水體DO濃度分別增加3.50、3.00和2.00 mg/L，白云母增氧效果最為明顯，而硅藻土沒(méi)有增氧效果，這與PO監測結果一致。白云母改性顆粒增氧效果較好的原因是其具有親水的、原子級平整的表面，能夠負載納米氣泡的可能原因是在云母形成過(guò)程中存在非常小的缺陷，它們在納米氣泡形成過(guò)程中起到成核中心的作用而不是那些裂縫或者空穴，Davies等的研究表明表面缺陷是某些反應的活性中心，且納米氣泡在平整的表面上具有較高的穩定性。

圖5不同改性礦物顆粒的增氧效果

2.3改性礦物顆粒粒度對增氧效果的影響

以不同粒度白云母作為基底制備納米氣泡改性顆粒，投入沉積物—水界面后，利用多參數水質(zhì)監測儀獲取界面處DO濃度變化曲線(xiàn)（圖6）?？梢?jiàn)，當白云母粒度分別為6000、3000、1250、800和325目時(shí)，界面DO濃度最大分別可增加4.66、3.59、3.44、3.29和3.06 mg/L.故粒度對增氧效果也有一定影響，顆粒越細，增氧效果越明顯。此結論與趙婉辰等的研究結果一致。趙婉辰等向云芝糖肽、平消片、殼聚糖懸浮液中充氧氣制納米氣泡獲得富氧制劑，再用富氧制劑向缺氧水體增氧，最后得出顆粒尺寸相對較小的云芝糖肽增氧幅度最大，尺寸小，比表面積大，有利于納米氣泡的吸附；而納米尺寸的殼聚糖富氧制劑增氧幅度最小，是因為殼聚糖粒度小于納米氣泡本身，不利于納米氣泡的吸附。

圖6粒度對改性白云母顆粒沉積物—水界面增氧效果的影響

3結論與展望

本研究以天然礦物為基底制備納米氣泡，在實(shí)驗室條件下研究了其對湖泊沉積物—水界面的增氧效果，得出如下結論：

1）在室內模擬條件下，納米氣泡改性礦物顆粒對缺氧沉積物—水界面具有明顯的增氧效果。改性礦物材料可對沉積物—水界面進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的持續增氧（>7天），界面溶解氧（DO）濃度最高達到4.40 mg/L.

2）不同礦物的界面增氧效果差異顯著(zhù)。其中，改性礦物白云母表現出較好的增氧性能。其次，礦物粒度越細，界面增氧效果越好，持續增氧時(shí)間也越長(cháng)。

3）納米氣泡改性礦物顆粒技術(shù)具有針對性強、增氧效果好、價(jià)格低廉、環(huán)境風(fēng)險低等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望成為深水缺氧湖泊沉積物—水界面精準增氧和內源污染控制的有效技術(shù)手段。

本研究證實(shí)了納米氣泡改性礦物顆粒對缺氧沉積物—水界面具有一定的增氧能力，但在增氧效率、增氧持續時(shí)長(cháng)和投放技術(shù)等方面距離實(shí)際應用仍有差距，且該技術(shù)的生態(tài)效應和環(huán)境風(fēng)險亦有待科學(xué)評估。因此，在未來(lái)研究工作中將通過(guò)采用純氧氣源和礦物表面疏水改性等方法，嘗試獲取高密度氧納米氣泡，提高該技術(shù)的增氧效率和增氧持續時(shí)長(cháng)。同時(shí)，采用高分辨采樣與監測技術(shù)，如薄膜擴散梯度（DGT）技術(shù)，定量評估載氧顆粒對湖泊沉積物—水界面磷酸鹽釋放通量的控制效果以及對上覆水水質(zhì)和微生物群落組成的影響，闡明納米氣泡改性礦物顆粒技術(shù)的生態(tài)效應和環(huán)境風(fēng)險。