全 文 ：无机高分子絮凝剂 PSAS的制备及其在
赤潮防治中的应用*
孙晓霞* * 张 波 俞志明 (中国科学院海洋研究所, 青岛 266071)
摘要 采用 3 因子 3 水平的正交试验设计, 考察了 SiO2 浓度、Al3+ / SiO2 摩尔比及 pH 对 PSAS(聚硅酸
硫酸铝)制备的影响,研究了 PSAS 对不同赤潮生物的絮凝作用,并与传统无机絮凝剂 AS(硫酸铝)的絮凝
效果进行了比较. 结果表明, PSAS 絮凝不同种类赤潮生物的最佳制备条件不同.根据实验操作的可行性,
得出 PSAS 的适宜制备条件为: SiO2 浓度 2% , Al3+ / SiO2 摩尔比 1, pH4. 絮凝实验表明, PSAS 的絮凝效果
明显优于 AS, 在达到相同去除率的情况下, PSAS 的用量比 AS 低约 30% ~ 40% ; PSAS 对不同种类赤潮生
物的絮凝效率也不同, 与细胞的生理生态特性差异有关.
关键词 PSAS 赤潮生物 正交试验 絮凝作用
文章编号 1001- 9332( 2002) 11- 1468- 03 中图分类号 X145 文献标识码 A
Preparation of PSAS and its application in HAB prevention. SUN Xiaox ia, ZHANG Bo, YU Zhiming ( I nstitute
of Oceanology , Chinese A cademy of Sciences , Qingdao 266071) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2002, 13( 11) : 1468
~ 1470.
In order to obtain optimum PSAS ( Polysilicatealuminium sulfate) preparation conditions for r emoving HAB or
ganisms, the 3factor and 3level or thogonal test w as dev ised. Concentration of SiO2, Al3+ / SiO 2 molar ratio and
pH were chosen as the three chief factors in PSAS preparation. T he exper imental results showed that the opti
mum preparation condition fo r v ar ious HAB organisms was different , and according to pr actical experimental op
er ation, the appropr iate pr epar at ion condition w as consider ed as: concentration of SiO2 = 2% , molar ratio of
Al3+ / SiO2= 1, and pH = 4. In addition, the coagulation efficiencies of PSAS on various HAB organisms w ere
studied and compared wit h classical inorganic flocculant AS ( Aluminium sulfate) . T he results indicated that the
removal rates of PSAS w ere much higher t han those of AS, and the dosages of PSAS were 30~ 40% lower than
those o f AS when they achieved the same removal rates. On the other hand, the anticoagulation ability o f HAB
organisms var ied with algal species, which w as related to different physiological and ecolog ical features of various
algal cells.
Key words PSAS, HAB organisms, O rthogonal test, Coagulation.
* 国家杰出青年基金 ( 40025614 )、国家重点基础研究项目
( 2001CB409710)和中国科学院创新资助项目( KZCX2206) .
* * 通讯联系人.
2000- 12- 27收稿, 2001- 07- 16接受.
1 引 言
赤潮是一种全球性的海洋灾害[ 7] . 凝聚剂沉淀
法是利用化学手段消除赤潮的一条重要途径. 该方
法在赤潮生物密集时很有效, 且作用时间短, 有利于
赤潮生物的回收[ 5] .传统的无机絮凝剂主要包括铝
系和铁系两大类.由于铁盐是赤潮生物生长繁殖的
促进物质[ 1] , 而铝盐又具有一定的污染性[ 5] , 使其
进一步的推广应用受到限制. 鉴于此,人们将目光转
向高效低毒的新型絮凝剂. 聚硅酸金属盐( PSM S)
是我国 20世纪 90年代初发展起来的一类新型无机
高分子絮凝剂, 聚硅酸硫酸铝( PSAS)便是其中的一
种. PSAS 具有高效、原料便宜和丰富, 且对环境无
害等优点,曾被用于低温低浊水的处理,具有很高的
去除效率[ 2] , 因而近年来受到普遍的重视, 具有广
阔的应用前景.本文将 PSAS 用于有害赤潮的防治
中,探索了 PSAS 的制备条件,研究了其对不同赤潮
生物的絮凝作用, 并与传统的铝盐絮凝剂进行了比
较,为进一步研究奠定基础.
2 材料与方法
2 1 PSAS 的制备
分别配制不同浓度的硅酸钠溶液, 在磁力搅拌条件下,
用硫酸溶液迅速酸化调节 pH 值到一定值, 控制反应时间进
行聚合. 聚合后加入一定量的硫酸铝,混合均匀, 进行絮凝实
验. 所用试剂硅酸钠、硫酸及硫酸铝均为分析纯.
2 2 赤潮生物的培养
实验所用赤潮生物异弯藻( Heter osigma akashiwo )、细弱
海链藻 ( Thalassiosir a subtilis ) 和中肋骨条藻 ( Skeletonema
costatum )均取自胶州湾赤潮多发区, 经我所分离纯化后, 在
20 ! 、自然光照下、f/ 2 培养液中培养.实验用细胞密度分别
应 用 生 态 学 报 2002年 11 月 第 13 卷 第 11 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Nov . 2002, 13( 11)∀1468~ 1470
为 1. 89 # 105、1. 04# 106 和 1. 02 # 105cells∃ml- 1.
23 絮凝实验
将一定量的 PSAS 分别加入装有 500ml 不同藻液的三
角瓶中,摇匀后静置、沉淀, 取上清液于光学显微镜下计数,
计算求得去除率.
3 结果与讨论
31 PSAS的适宜制备条件研究
PSAS的合成采用 3因子 3 水平的正交设计方
案进行实验,考察的因子包括 SiO2 百分含量、Al3+ /
Si摩尔比和 pH 值, 并根据实际经验选择各自的 3
个水平, SiO2分别为 1%、2%和 4% ; Al3+ / Si摩尔比
0. 5、1和 2; pH值 4、7和10.正交实验结果见表 1.
表 1 正交实验结果 L9( 33) *
Table 1 Results of orthogonal test L9( 33)
序号
Number
A
SiO 2
B
Al3+ / Si
C
pH
RS RH RT
1 1( 1% ) 1( 0. 5) 1( 4) 79. 46 70. 21 83. 75
2 1( 1% ) 2( 1. 0) 2( 7) 83. 46 80. 16 89. 62
3 1( 1% ) 3( 2. 0) 3( 10) 88. 54 75. 50 91. 94
4 2( 2% ) 2( 1. 0) 1( 4) 92. 00 97. 35 90. 10
5 2( 2% ) 1( 0. 5) 3( 10) 81. 00 67. 57 82. 40
6 2( 2% ) 3( 2. 0) 2( 7) 90. 85 87. 41 85. 77
7 3( 4% ) 1( 0. 5) 2( 7) 88. 54 92. 70 89. 04
8 3( 4% ) 3( 2. 0) 1( 4) 94. 51 93. 39 95. 31
9 3( 4% ) 2( 1. 0) 3( 10) 83. 62 86. 08 88. 56
* PSAS 用量均为 0. 2mmol Al3+ L- 1; RS: 中肋骨条藻去除率 Re
moval rate of S . costatum( % ) ; RH :赤潮异弯藻去除率 Removal rate
of H . akashiw o( % ) ; RT :细弱海链藻去除率 Removal rate of T . sub
ti li s( % ) .下同T he same below.
表 1 数据表明,当 SiO2 含量为 2%、Al3+ / SiO2
摩尔比为 1和 pH 值为 4时,可使中肋骨条藻、赤潮
异弯藻和细弱海链藻的去除率分别达到 92%、
97. 35%和 90. 10% ;当 SiO2 含量为 4%、Al3+ / SiO2
摩尔比为 2和 pH 值为 4时,可使三者的去除率分
别达到 94. 51%、93. 39%和 95. 31% .这说明, 采用
上述两种配方制备的 PSAS对 3种赤潮藻的去除率
均可达 90%以上,效果很好.
根据表 1所列数据进一步计算可得表 2所列的
K 值和R 值. 这里, K 值表示固定某一因子于某一
水平, 而改变其它因子的水平情况下得到的去除率
平均值.极差 R 表示 K 1、K 2、K 3 三者之中, 最大值
与最小值之差.
由表 2的 R 值可见, A、B、C3个因子对赤潮生
物去除率影响的显著性不同. 对赤潮异弯藻而言, 3
个因子影响大小顺序为A> B> C,说明SiO2 含量对
PSAS去除赤潮异弯藻的影响最显著, Al3+ / Si摩尔
比次之, pH的影响最小. 而对于细弱海链藻和中肋
表 2 根据表 1数据计算的 K 值和 R 值
Table 2 Values of K and R calculated by the data in table 1
生物种类
Species
项目
Items
K 1 K 2 K 3 R
最佳配方
Opt imum formula
赤潮异弯藻 A 75. 29 84. 11 90. 72 15. 43
H . akashiw o B 76. 83 87. 86 85. 43 11. 03 A3B2C1
C 86. 98 86. 76 76. 38 10. 60
细弱海链藻 A 88. 44 86. 09 90. 97 4. 88
T . subti li s B 85. 06 89. 43 91. 01 5. 95 A3B3C1
C 89. 72 88. 14 87. 63 2. 09
中肋骨条藻 A 83. 82 87. 95 88. 89 5. 07
S . costatum B 83. 00 86. 36 91. 30 8. 30 A3B3C1
C 88. 66 87. 62 84. 39 4. 27
骨条藻两种硅藻, 3 因子影响的大小顺序则有所不
同,为 B> A> C, 即 Al3+ / Si摩尔比对 PSAS 去除二
者的影响最显著, SiO2 百分含量次之, pH 最小. 由
此可见, pH 值对 3种藻去除率的影响都最小.
根据表 2的 K 值可得到使 3种藻去除率最高
的制备条件. 去除赤潮异弯藻的最佳配方为 A3B2
C1,这是正交实验中未曾采用过的配方.去除细弱海
链藻和中肋骨条藻的最佳配方为 A3B3C1, 这与正交
实验结果一致,去除率达到 95. 31% .比较两种配方
不难发现,二者中因子 A 和 C 的水平都相同, 只有
因子 B的水平不同. 而对于细弱海链藻和中肋骨条
藻,水平 B2和 B3 相差很小, 仅为 1. 58, 说明在以后
的应用中配方 A3B2C1 同样适用于二者. 这表明,
SiO2含量高、Al3+ / Si摩尔比为 1和 pH 显酸性条件
下制备的 PSAS 对赤潮藻的去除效果较好. 但从
PSAS 的制备方法可以看出, PSAS 的制备分两步:
第一步为硅酸的聚合, 第二步为聚合进行到适宜程
度时加入硫酸铝. 聚合硅酸极不稳定,易凝结胶化,
因此如不能把握好加入硫酸铝的时机, 会导致制备
失败.实验中发现, SiO2 浓度越高,聚合硅酸稳定存
在的时间越短. 当 SiO2 浓度为 4%时, 聚合硅酸稳
定存在的时间仅为几秒钟,这在实际操作中是不可
行的, 2% 的 SiO2 浓度比较适宜, 可稳定存在 16h
左右. 因此, 尽管 SiO2 浓度越高, 越有利于提高
PSAS对赤潮生物的去除率, 但从制备的可操作性
方面考虑,并不能无限提高 SiO2 的浓度. 综上所述,
用于去除上述赤潮生物的 PSAS 的适宜制备条件
为: SiO2 浓度为 2% , Al3+ / Si摩尔比为 1, pH 值为
4, 即配方A2B2C1.
32 PSAS 对赤潮生物的絮凝作用
根据正交试验得出的制备条件 A2B2C1合成
PSAS,进一步开展 PSAS对赤潮生物的絮凝作用研
究,并与传统无机絮凝剂硫酸铝( AS)的絮凝效果进
行了比较. 图1a c分别表示PSAS与AS对细弱海
146911 期 孙晓霞等: 无机高分子絮凝剂 PSAS 的制备及在赤潮防治中的应用研究