激光辐照法除藻工艺应用可能性及实验研究

2006/3/20/14:40来源：中国论文下载中心作者：张明一、激光除藻概论

    激光在除藻工艺中的应用可能性 

　　藻类是自养生物，凭借自身的叶绿素，吸收阳光、水分、CO2等，发生光化学反应，制造有机物，从而生长、繁殖。所有的光生物学过程都具有如下特征：色素分子的光吸收，光激发，分子内能级之间的跃迁，能量向反应中心的转移。毫无疑问，光是其中的重要因素，也就是说，我们可以通过控制、改变光作用的条件，来影响和研究光化学反应，也即是影响和研究生物体（如藻类）的生物特性。改变光作用的条件，可以是改变光闪烁的持续时间、光的能量、功率、功率密度等等。通过这样的一系列实验得到的结果，我们就可以研究初级光反应动力学的规律性及各个阶段的特性。 

　　如前所述，激光是一种新型的光源，它具有普通光源所没有的高单色性、高亮度、大能量、大功率和功率密度、极短的发光时间等特性。现在，由于有机染料激光器等技术的发明，制造从短的真空紫外到长的远红外光谱区域的辐射频率可调的激光器都不成问题。着对于生物学研究是非常重要的，因为目前在生物体的光谱学里所采利用的主要波段为2000埃到10000埃。选择上述的光谱区域，主要是根据包含在生物组织的组成里的复杂有机分子的电子吸收光谱的结构资料。所以，在目前的研究工作中利用激光器这种新型光源是可能的和需要的。 

    激光辐射法除藻的研究 

　　按其作用和方法激光器在生物学中的应用可以从不同的方面予以实现，具体到我们目前的课题，我们就仅研究激光辐射同生物体系（藻类）的相互作用和它对物质交换的各个方面的影响的机制和特征。 

　　研究激光辐射对生物细胞的大量交换过程的影响是研究激光辐射同生物体相互作用机制的关键，因为最后的效果（死亡、延续、生命活动的改变）首先由能量上和生命上的重要过程（呼吸、氧化的磷酸化作用，蛋白质和核酸的合成，光合作用和核器管的作用）的破坏所决定。

二、激光除藻实验

    ⒈ 实验目的

　　比较各种波长的激光的除藻效果，找出针对原水除藻的最佳激光方案（稳定态或脉冲态、波长、照射时间）。

    ⒉ 实验仪器、设备

　　显微镜一台、50mL烧杯3只、计数框、微量移液管（0.1mL）、玻璃棒1只、5L水壶1只

    [532nm 波长]DGE100-5YB激光治疗仪 
    [660nm 波长]ZSM-1信频YAG激光仪  
    [1064nm波长]DGR100-5YB激光治疗仪  
    [1320nm 波长]DGR100-5YB激光治疗仪 

    ⒊ 实验方案设计原理

　　与原水除藻效果有关的因素有：激光器输出功率、输出频率（激光的波长）、照射时间、原水浊度、色度等。原水的浊度浊度和色度是不断变化的，不易做到人为控制，但从武汉地区的原水水质来看，其浊度和色度都比较低，不会对激光的透射造成大的影响，因而本实验不考虑原水浊度和色度的影响，以简化实验，减少实验次数。

　　激光器的输出功率通常是连续可调的，其照射时间也可以随意控制，而每台激光器的输出频率（激光的波长）一般是单一固定的。所以从生产应用的方便性考虑，本实验将各波长的激光器输出功率均设为同一固定值，而只考察同一条件下（相同水样、相同激光器输出功率、相同激光照射时间）不同波长激光的除藻效果。

　　激光实验室现有两种激光器：稳定态激光器和脉冲激光器。在确定了何种波长的激光除藻效果最好之后，采用该种波长的稳定态激光和脉冲激光进行照射实验，以确定在相同输出功率下何种状态的激光除藻效率最佳。 

    ⒋ 实验步骤

　　本实验分两个阶段： 

    Ⅰ.使用4种波长（530nm、660nm、1064nm、1320nm）的稳定态激光分别进行1、2、3分钟的照射实验，分析筛选出除藻效果最好的波长，确定最佳照射时间； 
    Ⅱ.使用（一）中所定波长的稳定态激光和相同波长的脉冲激光分别进行1、2、3分钟的照射实验，确定何种激光的除藻效果更好，及最佳照射时间。 

    具体步骤： 

    阶段Ⅰ： 

    ① 水壶于团山水厂稳定井处取得超过3L的原水水样，带至华中科技大学主校区的激光研究所实验室。  
    ② 三只1L烧杯分别编号1、2、3，将5L水壶中的原水水样摇匀，分别往各烧杯中倒入略超过1L的（考虑到在转移过程中会漏失部分水样，因而多取少许水样）原水。 
    ③ 启动激光器，调节工作电流，使激光器输出功率为3W。 
    ④ 确定光纤端部出光：由于1064nm和1320nm激光为红外激光，肉眼不可见，在启动激光器后将光纤端部接近小木块，若有灼烧现象则说明已发射激光。 
    ⑤ 设定激光器的发射时间（分别为1、2、3分钟）或以秒表计时。将光纤端部放入水样中开始计时，均匀摆动光纤端部，使激光能充分照射所有原水水样，计时结束时拿出光纤。 
    ⑥ 用玻璃棒将烧杯中照射后的水样搅匀，以微量移液管吸取中间液层水样，滴至计数框中央，用镊子夹取盖玻片，从一侧轻轻盖下，务必使计数框中不产生气泡。 
    ⑦ 调整好显微镜，将计数框置于显微镜下，以活、死藻分别计数的方法观测水样，计算除藻率，具体方法如下：选取两横两纵共四行进行观察，记录各行中死藻、活藻的的数目。区分死藻、活藻的标准是，活藻有细胞质内含物，有颜色；死藻只有空细胞壁，没有细胞质，呈透明空壳状。最后按以下公式计算除藻率：  

    除藻率＝激光照射后死藻率－原水死藻率 

    阶段Ⅱ： 

    ① 阶段Ⅰ中选定波长的稳定态激光和相同波长的脉冲激光进行如阶段Ⅰ中第1、2步的实验。 
    ② 进行比较分析，确定何种激光的除藻效果更好，最佳照射时间为多少。 

不同激光除藻效果对比实验

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    ⒍ 实验分析与结论： 

    ⑴ 最佳波长：532nm，这一结论与前面原理分析中关于200nm-1000nm的激光对生物体有较大作用效果的论断相符。 
    ⑵ 照射时间越长除藻率越高，因为照射时间长意味着激光可以照射更多地藻。当然，实际应用中要考虑经济因素。 
    ⑶ 由于团山水厂的原水含藻量很低，这使得激光辐射的利用率很底，因而从实验数据可以看出，其最大的除藻率也只有23.38%（当然，这一结果与照射时间长短及激光的输出功率也有很大关系）；而水华期间的含藻量极高，这使得实验的数据不一定适用于反映激光辐射法对汉江水华期间原水的处理效果。 
    ⑷ 华工激光集团激光实验室的激光器都是用于医学事业的激光治疗仪，其光径极小，又是用手进行摆动照射，很难使水样的各部分均匀接受辐射。在实际应用中可考虑使用具有大直径光束轻便激光器或将15-20个小直径光束地激光器排成一排来照射反应池。 
    ⑸ 在日本有这样的例子：把某种激光除莠剂喷在植物上，在激光地作用下，通过光动力学反应，就可以有选择的杀死某种有害植物而作物本身却能正常生长，对昆虫也有同样情况。所以，在激光辐射法除藻过程中，也可以考虑与使用药剂结合：通过投加药剂，催化光动力学反应，加快反应速度，加强除藻效果。 
（注：由于激光实验室目前没有532nm波长的脉冲激光器，第二阶段实验还不能进行）

三、分析与讨论 

    ⒈　根据第一阶段的数据分析，波长较短的激光有较好的除藻率，在3分钟的照射后可达到22.75%，可以据此推测，波长越短的激光对藻类的破坏能力越强，除藻效果越好。现在激光实验室还没有波长更短的激光器，待新的紫外激光器生产后，可作进一步实验来验证。 
    ⒉　由于水华期已过，本实验中采用的水样取自东湖（团山水厂稳定井处）。汉江中的藻类以硅藻为主，而东湖水中藻类以蓝、绿藻为主，这对实验结果多少会有一些影响，因而在进一步实验中，需要考虑这一问题，建议采用近似于汉江水质的培养液。 
    ⒊　目前采用的活藻、死藻分辨方法式常用于观察预氧化法的除藻率。由于激光辐照法除藻与预氧化法除藻的机理不一样，后者的观察方法是否同样适用于前者，还有待商榷。预氧化剂氧化藻类的细胞物质，破坏细胞结构，使细胞质外泄，只剩下空的细胞壁，因而可以使用该方法观察、计算除藻率。而激光辐照法除藻时，激光杀死的藻类的细胞结构是否也发生如氧化般的重大破坏，造成细胞质外泄而只余空细胞壁，这还没有可信的实验加以证实。所以，目前的实验数据是否完全真实可靠，还有待对激光辐照法除藻机理的进一步研究。在此之前，可以考虑采用准确度较高的叶绿素测定法来测定激光辐照法的除藻率。为了使测定更准确，建议在照射后静置1小时，使死亡藻类的叶绿素完全失效分解。  
    ⒋　正确评价一个水厂的除藻水处理工艺目前还缺少一个与除藻有关的水质标准或规定，Janssens等提出水厂除藻最终出水中的叶绿素－a的浓度要小于0.1μg/L，以防止管网中的生物繁殖；Oskam等则认为最终出水中叶绿素－a的浓度达到0.3～0.5μg/L已经足够。岳舜琳等认为确定除藻水厂的最终出水水质标准还要考虑藻毒素问题，只有认真研究了藻毒素的毒性及其在水厂水处理过程中的动态变化，解决了其分析方法以后才能解决这一问题。