1 引言
1.1 研究背景
近年来，水体污染和治理受到了绝大部分人们的关注。工业排放的废水、污水、城镇生活污水以及农业化肥、农药流失都是水体污染的主要原因。据统计,从1998年起,我国生活污水排放量已经超过了工业废水排放量,大部分未经处理的生活污水直接排入水体中,增加了水污染。同样用于农业方面的化肥、农药的低效利用, 使大量营养物质剩余并随地表径流进入水体, 加重水体污染。
水污染对于工农业的影响是不可低估的。水是大部分工厂生产中重要的一环, 工业产品的质量取决于工厂使用的水质好坏, 如造纸、印染等工业产品, 使用含有污染物质的水会造成产品的色泽晦暗;酿酒、食品等使污染水体中的水会导致饮料和食品的卫生质量不合格, 损害人们的身体健康;农业也容易受到污水的损害, 用污染的水灌溉农田, 导致土壤质量降低, 农作物减产、变质, 甚至颗粒不收;污水对渔业造成的危害也非常大, 当污水加入水体后会使水体内生物缓慢中毒[1]。
治理污染水体措施可分为三种，分别是物理方法，化学方法及生物生态法，其中物理方法细分为控源截污，人工曝气，底泥疏浚及引调水工程。化学方法是一种通过向污染水体投加化学药剂使水中污染有机质絮凝，氧化，沉淀来净化污染水体。利用生物重新构建水生态系统则是生物生态发的重要形式，主要有微生物技术，生物膜技术，植物净化技术以及生态岸带修复技术[2]。
降解有机污染物方面中光催化处理有着很好的发展前景。太阳光下的半导体金属氧化物容易激活出具有良好的光催化氧化性能，如TiO2, ZnO, Bi2WO6, Bi20Ti20, Fe2O3, Nb2O5, BiTiO3, Sr TiO3, ZnWO4等。此后，半导体金属氧化物光催化在学术和工业领域的研究不断发展壮大。在大量试验中发现TiO2是最有效催化剂之一，用来去除水溶液中有机化学物质（特别是染料和酚类化合物）。TiO2紫外—可见光催化技术有很多优点越来越突出（例如成本低、安全性高、光催化活性高等）[3]。湖泊水体中有机污染物被太阳光降解的研究,介绍了降解机理,动力学特征,降解产物及作用对象等，阐述了湖泊水体中生物有机污染物被太阳光降解具有协同作用,也概括了pH,溶解性有机物(DOM),水深与水体运 动,地理,水文,水质与气候等对光降解作用的影响.对比了自然条件下的降解与模拟条件下的降解提出今后该领域的发展前景与研究方向[4]。
1.2 实验目的
本实验以玄武湖湖水以及胶体颗粒为研究对象，研究其水体中溶解性有机质的降解过程以及纳米颗粒对水体有机质降解的影响。该实验探究了胶体颗粒对湖水水体有机质降解的影响，以为之后有关溶解性有机质的光催化研究提供理论基础。
2 材料与方法
2.1 材料
2.1.1 纳米颗粒
使用氧化锌纳米颗粒
2.1.2 仪器
电子天平，磁力搅拌机，0.45微米滤纸，移液器，0.22微米滤膜，针管，SH-6600PC型紫外可见光光度计，光化学反应仪，离心管，石英官，硅胶塞，枪头，真空泵，抽滤器。
2.2 实验预处理
2.2.1 制备水体样品
采集玄武湖湖水，秦淮河河水，池塘水，用0.45微米的滤纸和抽滤器过滤，将过滤后的水体放置冰箱中过夜。
2.2.2 制备纳米颗粒溶液
用电子天平称量0.05克的氧化锌纳米颗粒，倒入烧杯中并加入约100毫升的水，用磁力搅拌机搅拌溶液。
2.3 有机质降解实验
2.3.1 使用光化学反应仪降解有机污染物
取12支石英管，标记编号，分为两组，分别将处理好的水样倒入石英管，在标有氧化锌的六支试管里加入两毫升氧化锌纳米颗粒溶液，剩下六支试管不加氧化锌纳米颗粒溶液盖上硅胶塞，摇晃混匀溶液。将石英管放入光化学反应仪，启动仪器定时10min，20min，30min，1h，2h，3h和4h时取样。
准备96支离心管，48支为一组（一组样品含有氧化锌纳米颗粒溶液，另一组不含有），分为八排标上编号，当计时器响时，暂停光化学反应仪，取出石英管，用移液枪取出4毫升样品，倒入相对于编号的离心管内。取出注射器，在针头位置装上0.22微米滤膜，将样品取4毫升倒入注射器内，将水样注射到离心管内。
取出样品，将石英管放回光化学反应仪内，启动后继续计时。反复以上步骤直到4h时水样被取出。
2.3.2 测量样品经过不同时间光照的吸光度
在紫外可见光光度计中输入测量波长(254nm)，将超纯水置于光路中，盖上样品室盖，点击调零进行调零。
用待测溶液荡洗比色皿2-3次，将待测溶液倒入比色皿，溶液量约为比色皿高度的3/4，用擦镜纸将透光面擦拭干净，按一定的方向，将比色皿放入样品架。合上样品室盖，拉动样品架拉杆使其进入光路，读取测量数据，将结果记录在表格中，并标记好对应样品。
联机操作步骤：
选择Spectro，点击GotoWL，在右侧WL输入测量波长(254nm)，在 Mode 中选择 Abs
将超纯水置于光路中，盖上样品室盖，点击Measure进行调零
将样品置于光路中，盖上样品室盖，点击Measure，结果显示在表格中点击Excel，样品数据以Excel形式保存。
3 结果与讨论
3.1 实验数据与结果
3.1.1 比较254nm吸光度
光降解过程中，两组湖泊水体的254nm处吸光度随降解时间的增加而逐渐减少，表明水体中的吸光物质均得到有效降解图 1图 2。其中，比较两组吸光度时加氧化锌的一组溶液在开始时要比不加氧化锌的一组要低很多，加入氧化锌纳米颗粒的一组随着时间的推移比不加氧化锌的溶液吸光度下降速度慢，在240min时加入氧化锌纳米颗粒的一组溶液吸光度要低于不加氧化锌的一组图 1图 2。
图 1 未加入纳米颗粒
图 2 加了纳米颗粒
3.1.2 比较DOC浓度和DOC降解效率
由图可得，不管是否加了氧化锌纳米颗粒，DOC浓度均会随着时间的增加而减少，DOC降解效率均会随着时间的增加而增加，并且在照射150min后趋于平稳图 3图 4。其中加入氧化锌纳米颗粒的样品水体在经过240min照射后的DOC浓度为1.55mg/L图 4，低于未加入氧化锌纳米颗粒的样品水体经过240min照射后的DOC浓度2.84mg/L图 3。并且加入氧化锌纳米颗粒的样品水体最高DOC降解效率高于未加入氧化锌纳米颗粒的样品水体最高DOC降解效率图 5图 6。由此可得加入纳米颗粒可以改善DOC的降解。
图 3 未加入纳米颗粒
图 6 加入纳米颗粒
3.1.3 比较光降解动力学速率常数
图为湖泊加了纳米颗粒的水体溶解有机质和未加纳米颗粒的水体溶解有机质光降解动力比较。由图可知，不管有没有加纳米颗粒，DOC和254nm处吸光度值的降解均符合拟一级降解动力学，R2值均大于0.96图 7图 8。其中，加了纳米颗粒的光降解速率常数为0.0211图 8，大于没有加纳米颗粒的光降解速率常数为（0.0161）图 7。上述研究结果均表明，加了纳米颗粒的湖泊水体溶解有机质的光降解速率高于未加纳米颗粒的湖泊水体溶解有机质的光降解速率。
图 8 加入纳米颗粒
3.1.4 比较有机质的SUVA值
光降解结束后，各样品溶解有机质的SUVA254值均低于初始样品的SUVA254值，表明光降解过程可有效降低湖泊水体溶解有机质的芳香性图 9图 10。
图 9 未加入纳米颗粒
图 10 加入纳米颗粒
3.2 实验讨论
纳米氧化锌被认为是能替代二氧化钛作为光催化剂的一种材料，其主要原因是它成本低，容易制备，对环境无害等优点。能将光能转换为化学能并且可以保持自身不发生改变的材料是光催化剂。光催化过程可以分为三类：通过光催化将有机物降解为水和二氧化碳、由水被光降解为氢气新能源和光感合成化合物。这里面研究较多的就是关于纳米氧化锌降解污染物，高于带隙能到光子被光催化剂吸收是其主要过程[5]。氧化锌的表面被一定波长的外加光源照射时，带隙能量等于或者小于其所受到的光子能量时，电子就会从价带(VB)跃迁至导带(CB)上。会有光生电子和空穴产出。此时被俘获电子通过吸附在纳米ZnO表面的溶解氧形成超氧负离子，而水和氢氧根离子氧化成氢氧自由基。具有的氧化性的超氧负离子和氢氧自由基，它能将大部分的有机物氧化在光催化的过程中，把有机污染物最终氧化成 CO2、H2 O 和其它无机小分子[6]。
4 结论
本实验研究了胶体颗粒对湖水水体有机质降解的影响。本实验分别对加了纳米颗粒的湖泊水体样品和未加纳米颗粒的湖泊水体样品进行了光降解实验。由实验数据可知，加了纳米颗粒的光降解速率常数为0.0211，没有加纳米颗粒的光降解速率常数为0.0161。该实验证明纳米颗粒可以提高水体有机质降解的速率。
参考文献
[1]王啸宇,崔杨,陈玫君.(2013).中国水污染现状及防治措施. 甘肃科技(13)
[2]廖涛,方应梅,侍翰生,杨传清,朱华刚.(2020).城市黑臭水体污染治理探析. 江苏水利(05),30-33.
[3]刘廷,霍苗苗,王丹妮.TiO_2光催化在水中有机物降解中的应用研究进展[J].辽宁化工,2022,51(09):1288-1291.DOI:10.14029/j.cnki.issn1004-0935.2022.09.005
[4]谭平, 张敬东, 郭生练. (2003). 太阳光对湖泊中有机污染物降解的研究进展. 环境工程学报, 4(008), 13-18.
[5]肖姗姗.氧化锌纳米材料光学性能与光催化性能的研究[D].吉林大学,2015.
[6]李佳.ZnO/CdS纳米复合材料的合成及光催化性能的研究[D].辽宁大学,2013.
