专利名称：碳纳米管去除水中微囊藻毒素的应用技术的制作方法
技术领域：
本发明专利申请涉及碳纳米管在去除水体中微囊藻毒素的应用技术，属于环境工程领域。
水体富营养化是指湖泊、水库和河流中接纳过多的氮和磷等营养物质，使水体的生态结构与功能发生变化，导致藻类过量繁殖生长而出现的藻类水华污染现象。目前，世界上淡水湖泊蓝藻水华发生的频率与严重程度都呈现迅猛增长的趋势，发生的地点遍布全球各地，其中蓝藻是引起藻类水华污染的主要藻类。欧洲、非洲、北美洲和南美洲分别有53、28、48和41％的湖泊存在不同程度的富营养化现象，亚太地区54％的湖泊处于富营养化状态。
在我国，早在60年代太湖中就已经发现有蓝藻水华出现。80年代初，全国进行调查的34个湖泊中有一半以上的湖泊处于富营养化状态。90年代以来，淡水水体富营养化状况更加严重，全国60％的天然淡水湖泊有不同程度的富营养化污染现象。进入21世纪以来我国湖泊的富营养化比例更高达70％。目前，我国除了云南滇池、江苏太湖和安徽巢湖三大淡水湖泊已发生严重的蓝藻水华污染外，长江、黄河中下游的许多湖泊和水库中也都相继发生了不同程度的蓝藻水华污染现象。
蓝藻水华污染所带来的主要危害之一是有些蓝藻能够产生并向水体中释放多种不同类型的藻毒素。据统计，世界上50％左右的蓝藻水华可产生藻毒素。在已发现的各种不同类型藻毒素中，微囊藻毒素(Microcystins，简称MC)是一种在蓝藻水华污染中出现频率最高、产生量最大和造成危害最严重的藻毒素种类。我们的研究结果表明，我国云南滇池和北京官厅水库的水华蓝藻细胞中都含有MC，已开始对人们的饮用水安全构成了严重威胁。
MC攻击的主要靶器是肝脏，表现为使肝脏充血肿大，严重时可导致肝出血和坏死。1996年巴西发生了100多人因饮用含MC的水而引发的急性肝功能障碍，其中50人左右死亡，举世瞩目。另据我国学者调查发现，饮用水中微量MC的存在与人群中原发性肝癌和大肠癌的发病率有明显的相关性。根据MC对猪毒性的实验结果，世界卫生组织推荐饮用水中的MC浓度不高于1.0微克/升。
MC的基本结构是由7个氨基酸组成的环状多肽，也称7肽单环肝毒素，分子量在1000左右。由于多肽组成中氨基酸种类的变化，导致了MC的多样性。至今已发现了60多种不同类型的MC，其中MC-RR和MC-LR是目前世界上发现和报道最多的2种MC类型。
虽然国内外众多学者在如何从水中去除MC方面进行了大量的研究，但总的来说尚未探索出一条高效实用的技术。因为MC具有环状和间隔双键的稳定结构，难于生物降解，在天然水体中一般可持续数周到数月。另外，因MC易溶解于水且其正辛醇/水分配系数(logDow)随pH的上升而迅速降低，这样在暴发水华时的高pH(＞8)条件下导致吸附材料对MC吸附受到很大影响。虽然国外报道活性炭和不同粘土矿物对MC有吸附能力，但吸附MC量都非常低。我们通过研究首先发现，与不同粘土矿物和活性炭相比，碳纳米管对MC有最强的吸附能力，其对MC的吸附量是粘土矿物或活性炭吸附MC量的5倍以上，这为高效去除水中的MC开辟了一条新的途径。
在纳米尺度研究与开发新材料是当今世界重大科技研究前沿之一，以碳纳米管为主的纳米材料已经成为引人瞩目的新材料并已经实现了产业化。随着科技的进步，碳纳米管的质量不断提高，而生产成本却在不断下降，这为碳纳米管的实际应用提供了可能。目前，生产的碳纳米管主要分为单壁和多壁管，管外径一般在1到100nm范围。由于碳纳米管表面的特殊结构和很大的比表面积，在吸附储氢方面表现突出，国内外在此研究领域的文献较多，但在利用碳纳米管吸附去除水中MC方面却尚未发现有研究报道。
本发明的目的是提供一种利用碳纳米管去除水中MC的方法与技术。
本发明的采用碳纳米管去除水中MC的方法是利用碳纳米管能够快速大量吸附MC的特性，采用由碳纳米管作为填料的过滤柱过滤含MC的水，使MC与碳纳米管接触并吸附在碳纳米管上，从而去除水中MC的方法。在去除饮用水中的MC和保障人们的饮水安全方面具有重要意义。
本发明的利用碳纳米管去除水中MC的过程如下用碳纳米管为填料的过滤柱过滤一定体积含有MC的水，当水中MC接触到碳纳米管后就被吸附固定在碳纳米管上，而水则可以通过以碳纳米管为填料的过滤柱流出，采用这样的方式使水中的MC能够得到有效去除。
当过滤柱内的碳纳米管吸附MC达到饱和时，将过滤柱卸下。用甲醇等有机溶剂洗脱吸附在碳纳米管的MC后，使碳纳米管填料得到更新又具备了吸附MC的能力，过滤柱还可以再次利用。在实际应用中可根据具体情况进行灵活使用，当处理水量大且水中MC浓度高时，可以加大过滤柱的直径并增加碳纳米管作为填料的量。如果处理水量小且水中MC浓度低，则可以减小过滤柱尺寸和减少碳纳米管的量。
本发明的工作原理是利用碳纳米管能够快速大量吸附MC的特性，在含有MC的水通过以碳纳米管为填料的过滤柱时，MC被吸附固定在碳纳米管上，而水可以顺利流出以碳纳米管为填料的过滤柱，从而使水中的MC得到高效去除。
图1是本发明利用碳纳米管去除水中MC的工作状态示意图。
结合
本发明的碳纳米管去除水中MC的过程如下图1中1为过滤柱。2碳纳米管。3为蠕动泵。4过滤柱流入口。5为过滤柱流出口。6为存放过滤前含高浓度MC水的烧杯。7为存放过滤后不含或含低浓度MC水的烧杯。
图1中经蠕动泵(3)抽吸形成负压，使烧杯(6)中含有高浓度MC的水按一定流速经流入口(4)通过以碳纳米管(2)为填料的过滤柱(1)时，MC被吸附在碳纳米管(2)上，而水可以顺利通过碳纳米管(2)经流出口(5)流出过滤柱(1)进入烧杯(7)中。这样可以利用碳纳米管对MC的吸附作用，使水中的MC得到去除。
本发明实施例如下首先用玻璃管制作一个高25厘米，上部内径为1厘米，下部内径为0.3厘米的过滤柱，在过滤柱底部放入2层可以阻挡碳纳米管流出的无机滤膜后，准确称取0.5克碳纳米管(纯度大于80％，内径2～30纳米，外径5～60纳米，清华-南风纳米粉体产业化工程中心生产)加入到过滤柱内作为填料。同时用去离子水配制MC-RR浓度为1.0毫克/升的水样1000毫升，随后用蠕动泵以5毫升/分的流速抽吸含高浓度MC的水通过过滤柱，同时收集过滤后的水样。水样过滤前MC-RR的浓度为1.0毫克/升，但过滤后的水样经用固相萃取柱吸附、洗脱和浓缩500倍后进行液相色谱测定，仍然检测不到MC-RR的存在(检测限为1微克/升)，已低于世界卫生组织规定的1.0微克/升标准。说明水中的MC-RR已几乎全部吸附在碳纳米管上，经过滤器过滤后的水中已基本没有MC-RR，用此方法可以使水中的MC得到有效去除。
综上所述，本发明是一项利用碳纳米管去除水中MC的技术，通过碳纳米管对MC的吸附作用，可高效去除水中因蓝藻水华污染而产生的MC，对保障人们的饮用水安全和健康具有非常重要和广泛的应用价值。
权利要求
1.一种去除水中微囊藻毒素的方法，其特征是利用碳纳米管与水中的微囊藻毒素进行接触，使微囊藻毒素被吸附在碳纳米管上，然后通过碳纳米管与水进行分离从而去除水中微囊藻毒素的方法。
2.在权利要求第1项记载的方法中，碳纳米管包括单壁和多壁的碳纳米管，碳纳米管的外径从1纳米到200纳米。
3.在权利要求第1项记载的方法中，通过用碳纳米管作为填料的过滤柱过滤含微囊藻毒素的水，使水中的微囊藻毒素得到去除的方法。
4.在权利要求第1项记载的方法中，通过向含有微囊藻毒素的水中投加碳纳米管，当碳纳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
利用碳纳米管能够快速大量吸附微囊藻毒素的特性，采用以碳纳米管为填料的过滤柱过滤含微囊藻毒素的水或向含有微囊藻毒素的水中投加碳纳米管等方式使碳纳米管与水中的微囊藻毒素进行接触，导致微囊藻毒素被吸附在碳纳米管上，然后通过碳纳米管与水进行分离从而去除水中微囊藻毒素的方法。在解决去除水中因蓝藻水华而产生的微囊藻毒素和保证人们的饮用水安全具有重要的意义和应用价值。
文档编号C02F1/28GK1537812SQ200310101678
公开日2004年10月20日 申请日期2003年10月24日 优先权日2003年10月24日
发明者闫海, 潘纲, 邹华, 李贤良, 闫 海 申请人:中国科学院生态环境研究中心