斜生柵藻用於生物吸附脫鹽

第一作者：Jing Wei

通訊作者：Li Gao；Ming Li

通訊單位：South East Water，西北農林科技大學

論文DOI：10.1016/j.desal.2020.114616

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在這項研究中，研究了不同的操作條件對幹的和新鮮的斜生柵藻從微鹹水中去除鹽的影響，以進一步探討藻類生物脫鹽過程的機理。實驗結果表明，在僅30分鐘的接觸時間內，鹽分去除率隨鹽度的增加而增加，這可能是由於從溶液到藻類表面的NaCl濃度梯度較高導致的。與其他藻類培養時間較長（16天）的研究相比，該研究表明吸附和吸收都有助於NaCl的去除，但是吸附起著更重要的作用。可以在相對較短的時間內（1–30分鐘）吸附完成，並且在接觸時間短時，通過吸收去除的鹽可以忽略不計。Langmuir等溫吸附模型可以更準確預測NaCl的吸附，這表明藻類表面上形成了單個分子層。FT-IR分析進一步證明了斜生柵藻細胞壁上的不同官能團可以有效地結合Na +和Cl-。總體而言，與幹藻相比，新鮮藻顯示出更快的吸附動力學。

研究背景

海水淡化在解決全球淡水資源短缺的問題中發揮著越來越重要的作用，目前，已經有許多不同的脫鹽技術應運而生。儘管近年來已經出現了不同的替代淡化技術，例如正向滲透，膜蒸餾和電滲析，基於熱的過程和基於膜的過程（反滲透）仍然是兩種主要的海水淡化技術。這兩種技術提供了全球絕大部分的淡水產量，但是能耗較高。由於化石燃料是海水淡化的主要能源，因此，高能源消耗將導致高溫室氣體排放。

生物脫鹽是一種創新的基於不同的耐鹽生物體對鹽的吸收和吸附的脫鹽方法，與上述傳統的脫鹽技術相比，生物脫鹽系統具有更低的能耗，最小的環境影響和更少的工程複雜性。因此，它被認為是一種對環境更友好，更可持續的淡化工藝。

使用光合自養型單細胞生物（微藻類）從廢水中有效去除營養物質已得到廣泛研究，但是，關於將微藻類用於脫鹽目的的研究很少。斜生柵藻是一種常見的淡水微藻，已表現出對鹽脅迫的高度耐受性，具有強大的生命力和高繁殖率，能夠適應不斷變化的環境。此外，在高鹽度環境中培養的藻類生物質具有廣泛的應用。

微藻去除鹽或金屬的機制通常分為兩類：新陳代謝依賴性和非新陳代謝依賴性。當鹽被藻類細胞吸收時，這是一個依賴於代謝的過程。但是，吸附與離子和分子在藻類表面上的物理粘附或鍵有關，這與代謝無關。已有文獻綜述了微藻去除金屬的機理，分為兩個階段。第一階段是細胞外細胞相關物質（例如多糖和粘液）和細胞壁成分（例如羥基和羧基）的吸附，這是一個非代謝且快速的過程。而第二階段是藻類細胞內部的吸收和積累，這是一個緩慢的代謝依賴性過程，涉及細胞內的生理和生化變化。以上討論表明吸收和吸附過程均有助於從微鹹水中去除NaCl。吸收過程將非常緩慢，整個培養過程可能需要很長時間（至少10天以上），但是吸附過程可能會立即去除NaCl（幾分鐘到幾小時）。另外，來自藻類廢水處理廠的微藻粉（幹）和新鮮藻類殘留物或提取油後的藻類生物質殘留物可直接用於吸附，與長期培養新鮮藻類相比，所需的時間和精力更少。主要的除鹽機制在確定藻類生物脫鹽效率中起著至關重要的作用，但是以前尚未對其進行系統地研究。

這項研究調查了不同操作條件對斜生柵藻吸附鹽的影響，從而為除鹽機理提供了更好的觀點。此外，還通過實驗和模擬方法比較了乾燥藻類和新鮮藻類之間的吸附性能。結果將有助於基於藻類的生物淡化系統的設計，並為進一步將藻類生物質再利用提供機會。

圖文導讀

圖1顯示了不同鹽度對30分鐘接觸時間下斜生柵藻脫鹽率和NaCl去除的影響。隨著鹽度的增加，幹藻對NaCl的去除增加，在新鮮藻中也發現了類似的現象。較高的鹽度導致從溶液到藻類表面的NaCl濃度梯度較高，從而促進了NaCl的擴散和藻類吸附。還可以看出，當鹽度為2.8 g L-1時，幹藻對NaCl的去除率和脫鹽率略高於新鮮藻類。但是，隨著鹽度增加，新鮮藻的吸附高於幹藻。

圖2顯示了不同數量的幹藻和新鮮藻的脫鹽率和NaCl去除率。在不同幹藻劑量的實驗之間沒有顯著差異。這種現象可能是由於幹藻傾向於凝集成大的藻類聚集體，這直接影響了幹藻與鹽溶液的混合和接觸面積。對於新鮮藻，NaCl去除率和脫鹽率均隨藻的劑量的增加而增加。結果清楚地表明，新鮮藻比幹藻具有更高的吸附能力，這是由於新鮮藻具有更多的吸附位點。

溫度對斜生柵藻吸附NaCl的影響如圖3所示。可以看出，在不同溫度下，NaCl去除率和脫鹽率的變化趨勢相似。對於幹藻，當溫度從15°C升高到30°C時，NaCl的去除率和脫鹽率均略有增加，然後在35°C時迅速下降至最低值。對於新鮮藻類，當溫度從15°C升高到25°C時，NaCl的去除和脫鹽速率相對穩定。在25°C下達到最大的NaCl去除量和脫鹽率。當溫度高於25°C時，NaCl的去除和脫鹽率都隨溫度的升高而降低，這可能是由於高溫促進了脫附。

接觸時間對斜生柵藻吸附NaCl的影響如圖4。可以清楚地看到，對於幹藻，0-60分鐘，NaCl的去除率和脫鹽率均穩定下降，但差異並不顯著。60分鐘後無明顯變化。該結果表明，幹藻在大約1分鐘內完成了NaCl的吸附。與幹藻相比，新鮮藻顯示出更好的脫鹽性能。接觸時間對新鮮藻吸附NaCl沒有顯著影響，在30分鐘時達到最大的NaCl去除量和脫鹽率。上述結果進一步證實，在相對較短的時間內即可達到完全吸附，但吸收後所去除的鹽並不明顯，因為新鮮藻類所去除的NaCl在120分鐘內變化不大。

為了研究斜生柵藻的吸附機理，進行了吸附等溫線模型的擬合。可以看出，對於幹藻和新鮮藻吸附NaCl，Langmuir等溫線吸附模型均具有較高的相關係數，這表明與Freundlich等溫線吸附模型相比，Langmuir等溫線吸附模型對斜生柵藻NaCl吸附的預測更為準確。這一結果表明，一個活性吸附位只能吸附一個分子，在吸附過程中藻類表面更容易形成單分子層。

圖6顯示四個光譜具有相似的趨勢，並且與NaCl吸附之前相比，NaCl吸附之後的透射率更高。FT-IR分析結果表明，相關的官能團有效地參與了吸附過程。果膠是斜生柵藻細胞壁的主要成分之一。其中，-OH，-COOH和醛基等果膠的特性官能團，可以與Na+有效結合。此外，蛋白質也是細胞壁的重要組成成分之一。醯胺I，醯胺II和醯胺III是帶正電荷的蛋白質的特徵性官能團，可以與Cl-有效結合。以上討論表明，斜生柵藻細胞壁上帶電的官能團在吸附過程中起重要作用，直接影響脫鹽性能。

總結與展望

在這項研究中，研究了不同的操作條件對乾燥的和新鮮的斜生柵藻從微鹹水中脫鹽的影響，以探索藻類生物脫鹽過程的機理。在較短的接觸時間內，隨著鹽度增加，從溶液道藻類表面的NaCl濃度梯度增加，導致了鹽分去除率的增加。與另一項在相同溫度和鹽度下但培養時間為16天的研究相比，這表明吸附和吸收都有助於NaCl的去除，但是與吸收過程相比，吸附起著更大的作用，並且不需要更多的反應時間。吸附等溫模型擬合結果表明藻類表面上形成了單個分子層。FT-IR分析進一步證明，斜生柵藻細胞壁上的不同特徵性官能團可以有效地結合Na+和Cl-。儘管幹藻和新鮮藻的NaCl吸附機理相似，但新鮮藻類的除鹽效率高於乾燥藻類。以上結果可以促進藻類生物淡化系統的設計。

來源：公眾號「環材有料」

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