1材料與方法

1.1實驗儀器與材料

實驗儀器：微電極渦動系統(tǒng)（Unisense，丹麥）、便攜式水質(zhì)參數(shù)儀（HQ40D，HACH公司，美國）、分析天平、掃描電鏡分析儀（JSM-6460LV）、Milli-Q超純水機(jī)、空氣泵、彼得森采泥器等。

實驗材料：白云母、絹云母、硅藻土購置于廣州拓億貿(mào)易有限公司，沸石購置于寧波嘉和新材料科技有限公司，甲醇（>99.9%），亞硫酸鈉（Na2SO3），有機(jī)玻璃盒（8 cm×8 cm×30 cm）等。

1.2礦物材料的表征

本實驗選用掃描電鏡（SEM）對礦物表面形貌進(jìn)行表征，工作電壓為25 kV，在背散射模式下，以10 mm的工作距離對礦物材料表面進(jìn)行成像。

1.3納米氣泡改性礦物顆粒的制備

納米氣泡的制備方法有溶液替換法（如醇~水替換法）、直接滴加法、電解法、溫差法、基底加熱法、光催化法以及電子束、局域加熱法等。本實驗選用醇~水替換法制備納米氣泡，具體操作為：在室溫20℃條件下，向甲醇（純度>99.9%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）中通入空氣（300 ml/min，30 min）獲得飽和甲醇溶液；取上述溶液置于燒杯中，加入一定量礦物顆粒浸潤；利用Milli-Q超純水替換甲醇（醇/水比為1:9），由于過飽和顆粒表面將生成一定濃度的納米氣泡。

1.4改性礦物顆粒的增氧效果試驗

渦動系統(tǒng)（Unisense A/S）的不同組件安裝在定制的不銹鋼三腳架上，該框架專門設(shè)計用于盡可能避免傳感器周圍的水動力擾動，但能夠承受自然水動力在海灣。電流速度由聲多普勒測速儀（帶有固定探頭的ADV，Nortek矢量）在位于三個傳感器底座下方157 mm的圓柱形測量體積（14 mm高和14 mm直徑）中測量。氧氣濃度通過Unisense的Clark型微電極（尖端直徑小于25um）測量。使用的微電極傳感器90%的響應(yīng)時間低于0.3秒，攪拌靈敏度接近2%。Unisense渦動系統(tǒng)控制器單元記錄原位渦流放大器和Nortek矢量生成的信號。EC控制器單元允許部署編程、存儲（8 GB數(shù)據(jù)容量）、電源（內(nèi)部鋰離子電池，25°C下可自主運行約34小時）和其他單元接口連接。水流速度和濃度測量在基材表面上方40 cm處以連續(xù)模式、64 Hz進(jìn)行。

在貴州典型深水湖泊紅楓湖羊昌河湖區(qū)（26°27′06″N，106°23′13″E）用彼得森采泥器抓取表層沉積物，裝入塑料桶混合均勻后靜置培養(yǎng)3天。事先將微電極氧膜裁剪成1 cm×5 cm的長條狀貼于有機(jī)玻璃盒內(nèi)側(cè)，用于觀測沉積物—水界面溶解氧（DO）濃度變化（圖1）。向有機(jī)玻璃盒填入沉積物（高度約5 cm），虹吸法加入無氧水（CNa2SO3=0.002 mol/L），模擬缺氧狀態(tài)的沉積物—水界面。再將經(jīng)醇~水替換的不同礦物顆粒分別投放到沉積物表面，設(shè)置兩組空白實驗。氧微電極測量前，用空氣泵向上覆水充氣，同時用水質(zhì)參數(shù)儀測量水中DO濃度變化，獲取0、4.40和8.80 mg/L時的微電極氧熒光變化圖，進(jìn)而獲得DO校正曲線。在模擬實驗中，將納米氣泡改性礦物顆粒投入至沉積物表面，聯(lián)合應(yīng)用水質(zhì)參數(shù)儀和PO設(shè)備對沉積物—水界面處DO含量變化進(jìn)行連續(xù)觀測。實驗過程中模擬裝置始終處于黑暗條件下，實驗溫度控制在16±1℃，PO每隔12 h監(jiān)測一次，實驗周期為7天。

圖1微電極與模擬實驗裝置

2結(jié)果與討論

2.1礦物材料的表面形態(tài)表征

在以礦物為基底制備納米氣泡的時候，除了制備方法、溫度以及氣源等影響氣泡生成量外，礦物表面形貌也是很重要的影響因素。納米氣泡能較穩(wěn)定的附著在平整的表面，而粗糙的表面因為具有較高的比表面積，易于生成納米氣泡。本研究通過掃描電鏡分析儀（SEM）獲得了所篩選的幾種天然礦物材料的表面形貌圖像。如圖2所示，白云母呈清晰的片狀，切面為層狀結(jié)構(gòu)，沸石呈塊狀，表面凹凸不平，硅藻土呈不規(guī)則的絮狀，絹云母部分呈片狀。通常情況下，平整的表面有利于納米氣泡的生成和穩(wěn)定。

圖2礦物顆粒SEM圖：（A）白云母；（B）沸石；（C）硅藻土；（D）絹云母