專利名稱：碳納米管去除水中微囊藻毒素的應(yīng)用技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利申請(qǐng)涉及碳納米管在去除水體中微囊藻毒素的應(yīng)用技術(shù)，屬于環(huán)境工程領(lǐng)域。
水體富營(yíng)養(yǎng)化是指湖泊、水庫(kù)和河流中接納過(guò)多的氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使水體的生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生變化，導(dǎo)致藻類過(guò)量繁殖生長(zhǎng)而出現(xiàn)的藻類水華污染現(xiàn)象。目前，世界上淡水湖泊藍(lán)藻水華發(fā)生的頻率與嚴(yán)重程度都呈現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)的趨勢(shì)，發(fā)生的地點(diǎn)遍布全球各地，其中藍(lán)藻是引起藻類水華污染的主要藻類。歐洲、非洲、北美洲和南美洲分別有53、28、48和41％的湖泊存在不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，亞太地區(qū)54％的湖泊處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。
在我國(guó)，早在60年代太湖中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有藍(lán)藻水華出現(xiàn)。80年代初，全國(guó)進(jìn)行調(diào)查的34個(gè)湖泊中有一半以上的湖泊處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。90年代以來(lái)，淡水水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況更加嚴(yán)重，全國(guó)60％的天然淡水湖泊有不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化污染現(xiàn)象。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化比例更高達(dá)70％。目前，我國(guó)除了云南滇池、江蘇太湖和安徽巢湖三大淡水湖泊已發(fā)生嚴(yán)重的藍(lán)藻水華污染外，長(zhǎng)江、黃河中下游的許多湖泊和水庫(kù)中也都相繼發(fā)生了不同程度的藍(lán)藻水華污染現(xiàn)象。
藍(lán)藻水華污染所帶來(lái)的主要危害之一是有些藍(lán)藻能夠產(chǎn)生并向水體中釋放多種不同類型的藻毒素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上50％左右的藍(lán)藻水華可產(chǎn)生藻毒素。在已發(fā)現(xiàn)的各種不同類型藻毒素中，微囊藻毒素(Microcystins，簡(jiǎn)稱MC)是一種在藍(lán)藻水華污染中出現(xiàn)頻率最高、產(chǎn)生量最大和造成危害最嚴(yán)重的藻毒素種類。我們的研究結(jié)果表明，我國(guó)云南滇池和北京官?gòu)d水庫(kù)的水華藍(lán)藻細(xì)胞中都含有MC，已開(kāi)始對(duì)人們的飲用水安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。
MC攻擊的主要靶器是肝臟，表現(xiàn)為使肝臟充血腫大，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致肝出血和壞死。1996年巴西發(fā)生了100多人因飲用含MC的水而引發(fā)的急性肝功能障礙，其中50人左右死亡，舉世矚目。另?yè)?jù)我國(guó)學(xué)者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飲用水中微量MC的存在與人群中原發(fā)性肝癌和大腸癌的發(fā)病率有明顯的相關(guān)性。根據(jù)MC對(duì)豬毒性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，世界衛(wèi)生組織推薦飲用水中的MC濃度不高于1.0微克/升。
MC的基本結(jié)構(gòu)是由7個(gè)氨基酸組成的環(huán)狀多肽，也稱7肽單環(huán)肝毒素，分子量在1000左右。由于多肽組成中氨基酸種類的變化，導(dǎo)致了MC的多樣性。至今已發(fā)現(xiàn)了60多種不同類型的MC，其中MC-RR和MC-LR是目前世界上發(fā)現(xiàn)和報(bào)道最多的2種MC類型。
雖然國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在如何從水中去除MC方面進(jìn)行了大量的研究，但總的來(lái)說(shuō)尚未探索出一條高效實(shí)用的技術(shù)。因?yàn)镸C具有環(huán)狀和間隔雙鍵的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，難于生物降解，在天然水體中一般可持續(xù)數(shù)周到數(shù)月。另外，因MC易溶解于水且其正辛醇/水分配系數(shù)(logDow)隨pH的上升而迅速降低，這樣在暴發(fā)水華時(shí)的高pH(＞8)條件下導(dǎo)致吸附材料對(duì)MC吸附受到很大影響。雖然國(guó)外報(bào)道活性炭和不同粘土礦物對(duì)MC有吸附能力，但吸附MC量都非常低。我們通過(guò)研究首先發(fā)現(xiàn)，與不同粘土礦物和活性炭相比，碳納米管對(duì)MC有最強(qiáng)的吸附能力，其對(duì)MC的吸附量是粘土礦物或活性炭吸附MC量的5倍以上，這為高效去除水中的MC開(kāi)辟了一條新的途徑。
在納米尺度研究與開(kāi)發(fā)新材料是當(dāng)今世界重大科技研究前沿之一，以碳納米管為主的納米材料已經(jīng)成為引人矚目的新材料并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。隨著科技的進(jìn)步，碳納米管的質(zhì)量不斷提高，而生產(chǎn)成本卻在不斷下降，這為碳納米管的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。目前，生產(chǎn)的碳納米管主要分為單壁和多壁管，管外徑一般在1到100nm范圍。由于碳納米管表面的特殊結(jié)構(gòu)和很大的比表面積，在吸附儲(chǔ)氫方面表現(xiàn)突出，國(guó)內(nèi)外在此研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)較多，但在利用碳納米管吸附去除水中MC方面卻尚未發(fā)現(xiàn)有研究報(bào)道。
本發(fā)明的目的是提供一種利用碳納米管去除水中MC的方法與技術(shù)。
本發(fā)明的采用碳納米管去除水中MC的方法是利用碳納米管能夠快速大量吸附MC的特性，采用由碳納米管作為填料的過(guò)濾柱過(guò)濾含MC的水，使MC與碳納米管接觸并吸附在碳納米管上，從而去除水中MC的方法。在去除飲用水中的MC和保障人們的飲水安全方面具有重要意義。
本發(fā)明的利用碳納米管去除水中MC的過(guò)程如下用碳納米管為填料的過(guò)濾柱過(guò)濾一定體積含有MC的水，當(dāng)水中MC接觸到碳納米管后就被吸附固定在碳納米管上，而水則可以通過(guò)以碳納米管為填料的過(guò)濾柱流出，采用這樣的方式使水中的MC能夠得到有效去除。
當(dāng)過(guò)濾柱內(nèi)的碳納米管吸附MC達(dá)到飽和時(shí)，將過(guò)濾柱卸下。用甲醇等有機(jī)溶劑洗脫吸附在碳納米管的MC后，使碳納米管填料得到更新又具備了吸附MC的能力，過(guò)濾柱還可以再次利用。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況進(jìn)行靈活使用，當(dāng)處理水量大且水中MC濃度高時(shí)，可以加大過(guò)濾柱的直徑并增加碳納米管作為填料的量。如果處理水量小且水中MC濃度低，則可以減小過(guò)濾柱尺寸和減少碳納米管的量。
本發(fā)明的工作原理是利用碳納米管能夠快速大量吸附MC的特性，在含有MC的水通過(guò)以碳納米管為填料的過(guò)濾柱時(shí)，MC被吸附固定在碳納米管上，而水可以順利流出以碳納米管為填料的過(guò)濾柱，從而使水中的MC得到高效去除。
圖1是本發(fā)明利用碳納米管去除水中MC的工作狀態(tài)示意圖。
結(jié)合


本發(fā)明的碳納米管去除水中MC的過(guò)程如下圖1中1為過(guò)濾柱。2碳納米管。3為蠕動(dòng)泵。4過(guò)濾柱流入口。5為過(guò)濾柱流出口。6為存放過(guò)濾前含高濃度MC水的燒杯。7為存放過(guò)濾后不含或含低濃度MC水的燒杯。
圖1中經(jīng)蠕動(dòng)泵(3)抽吸形成負(fù)壓，使燒杯(6)中含有高濃度MC的水按一定流速經(jīng)流入口(4)通過(guò)以碳納米管(2)為填料的過(guò)濾柱(1)時(shí)，MC被吸附在碳納米管(2)上，而水可以順利通過(guò)碳納米管(2)經(jīng)流出口(5)流出過(guò)濾柱(1)進(jìn)入燒杯(7)中。這樣可以利用碳納米管對(duì)MC的吸附作用，使水中的MC得到去除。
本發(fā)明實(shí)施例如下首先用玻璃管制作一個(gè)高25厘米，上部?jī)?nèi)徑為1厘米，下部?jī)?nèi)徑為0.3厘米的過(guò)濾柱，在過(guò)濾柱底部放入2層可以阻擋碳納米管流出的無(wú)機(jī)濾膜后，準(zhǔn)確稱取0.5克碳納米管(純度大于80％，內(nèi)徑2～30納米，外徑5～60納米，清華-南風(fēng)納米粉體產(chǎn)業(yè)化工程中心生產(chǎn))加入到過(guò)濾柱內(nèi)作為填料。同時(shí)用去離子水配制MC-RR濃度為1.0毫克/升的水樣1000毫升，隨后用蠕動(dòng)泵以5毫升/分的流速抽吸含高濃度MC的水通過(guò)過(guò)濾柱，同時(shí)收集過(guò)濾后的水樣。水樣過(guò)濾前MC-RR的濃度為1.0毫克/升，但過(guò)濾后的水樣經(jīng)用固相萃取柱吸附、洗脫和濃縮500倍后進(jìn)行液相色譜測(cè)定，仍然檢測(cè)不到MC-RR的存在(檢測(cè)限為1微克/升)，已低于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的1.0微克/升標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明水中的MC-RR已幾乎全部吸附在碳納米管上，經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾后的水中已基本沒(méi)有MC-RR，用此方法可以使水中的MC得到有效去除。
綜上所述，本發(fā)明是一項(xiàng)利用碳納米管去除水中MC的技術(shù)，通過(guò)碳納米管對(duì)MC的吸附作用，可高效去除水中因藍(lán)藻水華污染而產(chǎn)生的MC，對(duì)保障人們的飲用水安全和健康具有非常重要和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種去除水中微囊藻毒素的方法，其特征是利用碳納米管與水中的微囊藻毒素進(jìn)行接觸，使微囊藻毒素被吸附在碳納米管上，然后通過(guò)碳納米管與水進(jìn)行分離從而去除水中微囊藻毒素的方法。
2.在權(quán)利要求第1項(xiàng)記載的方法中，碳納米管包括單壁和多壁的碳納米管，碳納米管的外徑從1納米到200納米。
3.在權(quán)利要求第1項(xiàng)記載的方法中，通過(guò)用碳納米管作為填料的過(guò)濾柱過(guò)濾含微囊藻毒素的水，使水中的微囊藻毒素得到去除的方法。
4.在權(quán)利要求第1項(xiàng)記載的方法中，通過(guò)向含有微囊藻毒素的水中投加碳納米管，當(dāng)碳納米管吸附微囊藻毒素并沉淀集中在水底部后而去除水中微囊藻毒素的方法。
全文摘要
利用碳納米管能夠快速大量吸附微囊藻毒素的特性，采用以碳納米管為填料的過(guò)濾柱過(guò)濾含微囊藻毒素的水或向含有微囊藻毒素的水中投加碳納米管等方式使碳納米管與水中的微囊藻毒素進(jìn)行接觸，導(dǎo)致微囊藻毒素被吸附在碳納米管上，然后通過(guò)碳納米管與水進(jìn)行分離從而去除水中微囊藻毒素的方法。在解決去除水中因藍(lán)藻水華而產(chǎn)生的微囊藻毒素和保證人們的飲用水安全具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C02F1/28GK1537812SQ200310101678
公開(kāi)日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者閆海, 潘綱, 鄒華, 李賢良, 閆 海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心