2.2不同改性矿物颗粒的增氧效果对比


黑暗条件下保持温度在16±1℃，每隔12 h监测一次，获取沉积物—水界面处的PO氧含量变化一维图（图3）。空白实验中（即未投加矿物颗粒条件下），水体中DO浓度仅为0.04 mg/L左右，并在整个实验周期内基本保持不变。5天后略有增加（从0.04 mg/L上升至0.16 mg/L），可能因为此时水体中过量的Na2SO3消耗完，空气里的氧逐渐向水体发生传质。当向沉积物表面分别投加纳米气泡改性白云母、绢云母和沸石后，水体DO浓度均有不同程度的升高，分别使DO浓度最大增加到4.40、2.00和3.10 mg/L，增氧效果至少可维持5天，之后DO浓度出现一定程度的降低。这主要是因为沉积物中还原性物质、微生物活动等不断耗氧造成的。但投加纳米气泡改性硅藻土后，水体DO浓度不增反降，说明纳米气泡改性硅藻土没有起到向水体和沉积物增氧的效果。

图3沉积物—水界面处溶解氧（DO）浓度的时间变化：（A）空白；（B）白云母；（C）绢云母；（D）沸石；（E）硅藻土


纳米气泡改性白云母颗粒层和颗粒层上覆水体DO浓度的二维空间变化如图4所示。荧光膜颜色从蓝到白代表DO浓度逐渐上升，可见载氧矿物颗粒层DO浓度显著高于上覆缺氧水体，开始是3.90 mg/L，逐渐向上覆水中扩散，随时间变化最后降低为0.05 mg/L，而上覆水界面处DO浓度开始是0.05 mg/L，慢慢增加，最后升至1.70 mg/L.

图4载氧白云母颗粒的增氧效果


利用多参数水质监测仪同步获取了沉积物—水界面DO浓度变化曲线（图5）。可见，以白云母、沸石和绢云母作为基底的改性颗粒投入缺氧水体，可以使水体DO浓度分别增加3.50、3.00和2.00 mg/L，白云母增氧效果最为明显，而硅藻土没有增氧效果，这与PO监测结果一致。白云母改性颗粒增氧效果较好的原因是其具有亲水的、原子级平整的表面，能够负载纳米气泡的可能原因是在云母形成过程中存在非常小的缺陷，它们在纳米气泡形成过程中起到成核中心的作用而不是那些裂缝或者空穴，Davies等的研究表明表面缺陷是某些反应的活性中心，且纳米气泡在平整的表面上具有较高的稳定性。

图5不同改性矿物颗粒的增氧效果


2.3改性矿物颗粒粒度对增氧效果的影响


以不同粒度白云母作为基底制备纳米气泡改性颗粒，投入沉积物—水界面后，利用多参数水质监测仪获取界面处DO浓度变化曲线（图6）。可见，当白云母粒度分别为6000、3000、1250、800和325目时，界面DO浓度最大分别可增加4.66、3.59、3.44、3.29和3.06 mg/L.故粒度对增氧效果也有一定影响，颗粒越细，增氧效果越明显。此结论与赵婉辰等的研究结果一致。赵婉辰等向云芝糖肽、平消片、壳聚糖悬浮液中充氧气制纳米气泡获得富氧制剂，再用富氧制剂向缺氧水体增氧，最后得出颗粒尺寸相对较小的云芝糖肽增氧幅度最大，尺寸小，比表面积大，有利于纳米气泡的吸附；而纳米尺寸的壳聚糖富氧制剂增氧幅度最小，是因为壳聚糖粒度小于纳米气泡本身，不利于纳米气泡的吸附。

图6粒度对改性白云母颗粒沉积物—水界面增氧效果的影响


3结论与展望


本研究以天然矿物为基底制备纳米气泡，在实验室条件下研究了其对湖泊沉积物—水界面的增氧效果，得出如下结论：


1）在室内模拟条件下，纳米气泡改性矿物颗粒对缺氧沉积物—水界面具有明显的增氧效果。改性矿物材料可对沉积物—水界面进行长时间的持续增氧（>7天），界面溶解氧（DO）浓度最高达到4.40 mg/L.


2）不同矿物的界面增氧效果差异显著。其中，改性矿物白云母表现出较好的增氧性能。其次，矿物粒度越细，界面增氧效果越好，持续增氧时间也越长。


3）纳米气泡改性矿物颗粒技术具有针对性强、增氧效果好、价格低廉、环境风险低等诸多优点，有望成为深水缺氧湖泊沉积物—水界面精准增氧和内源污染控制的有效技术手段。


本研究证实了纳米气泡改性矿物颗粒对缺氧沉积物—水界面具有一定的增氧能力，但在增氧效率、增氧持续时长和投放技术等方面距离实际应用仍有差距，且该技术的生态效应和环境风险亦有待科学评估。因此，在未来研究工作中将通过采用纯氧气源和矿物表面疏水改性等方法，尝试获取高密度氧纳米气泡，提高该技术的增氧效率和增氧持续时长。同时，采用高分辨采样与监测技术，如薄膜扩散梯度（DGT）技术，定量评估载氧颗粒对湖泊沉积物—水界面磷酸盐释放通量的控制效果以及对上覆水水质和微生物群落组成的影响，阐明纳米气泡改性矿物颗粒技术的生态效应和环境风险。