3結(jié)果與討論

3.1放電功率對小球藻殺滅效率的影響

在小球藻待處理液初始密度106CFU/mL，放電處理時間300 s，空氣流速1 SLM的實驗條件下，探究放電功率對小球藻殺滅效率的影響。小球藻失活效率如圖4所示，當(dāng)其他條件保持不變，小球藻的失活效率和放電功率密切相關(guān)。

圖4放電功率對殺菌效率的影響

隨著放電時間增加，放電功率由5 W逐漸增加到25 W，小球藻殺滅效率由17.8%升高到99.9%.特別是在放電功率由15 W增加至25 W階段，放電充滿氣泡內(nèi)部，產(chǎn)生大量活性物質(zhì)，小球藻殺滅效果較為明顯。

3.2處理時間對小球藻殺滅效率的影響

在其他條件不變的前提下，控制電功率為15 W，探究放電時間對小球藻殺滅效率的影響。小球藻失活效率變化如圖5所示，在其他條件保持不變的情況下，放電時間對小球藻的失活效率的影響明顯。當(dāng)放電時間由5 s依次增加至300 s時，小球藻殺滅效率由3.2%升高至95.2%.隨著放電時間累積，放電產(chǎn)生的瞬態(tài)活性物質(zhì)與溶液相互作用，轉(zhuǎn)化成穩(wěn)態(tài)活性物質(zhì)，再與小球藻相互作用，破壞小球藻的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，滲入到其細(xì)胞的內(nèi)部，致使小球藻氧化脫色，導(dǎo)致小球藻大量失活。

圖5處理時間對小球藻殺滅效率的影響

3.3初始濃度對小球藻殺滅效率的影響

同樣，在其他條件不變前提下，控制放電功率為15 W，為更加清晰地觀察氣液兩相放電等離子體對低濃度小球藻失活效率的影響，放電處理時間控制在60 s.小球藻失活效率如圖6所示，在放電其他條件保持不變情況下，小球藻待處理液的初始濃度對小球藻失活效率影響顯著。隨著溶液濃度由102CFU/mL增加到106CFU/mL，小球藻殺滅效率由99.9%急劇降低至25.2%.在低濃度小球藻處理液中，溶液氣、液放電產(chǎn)生活性物質(zhì)含量充足，可實現(xiàn)小球藻形態(tài)破壞而失活。隨著小球藻待處理溶液濃度的持續(xù)增加，放電產(chǎn)的生活性物質(zhì)與小球藻的相互作用減弱，小球藻殺滅現(xiàn)象不明顯。

圖6初始濃度對小球藻殺滅效率的影響

3.4等離子體小球藻殺滅機理

圖7放電產(chǎn)生O3，H2O2和含量及溶液pH隨時間變化曲線

在放電功率為15 W，空氣流量為1 SLM，放電處理液為無菌水條件下，放電時間由0 s增長至300 s，溶液pH快速下降后趨于穩(wěn)定，如表1所示，其主要化學(xué)反應(yīng)為

表1 H2O2混合HNO3含量配比及pH配比對照表

由于反應(yīng)開始時電子與空氣和水分子碰撞，形成NO和NO2氣體及大量的H+，從而導(dǎo)致溶液pH急速下降；隨著放電反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，放電產(chǎn)生的NO和NO2在氣液界面處與溶液反應(yīng)，形成硝酸鹽和亞硝酸鹽，最終溶液的pH值從6.8降至3.2，溶液呈酸性并且達(dá)到穩(wěn)定。溶液中O3，H2O2和NO3-含量隨著放電時間的增加而增加，當(dāng)O3增加至3.2 mg/L，H2O2增加至102 mg/L，NO3-增加至23 mg/L時，此時放電活性物質(zhì)H2O2溶液活性物質(zhì)的主要成分，通過與H2O2混合HNO3配比對比（如表1所示）和H2O2混合HNO3配比液與小球藻混合處理（如圖8所示），發(fā)現(xiàn)近似相同成分的H2O2混合HNO3配比液對小球藻的失活效率影響與放電處理初期基本相同，其原因為該時期放電主要形成穩(wěn)定的H2O2和硝酸鹽，其成分含量與配比液成分含量相當(dāng)。

圖8放電殺菌效率和H2O2混合HNO3含量配比溶液殺菌效率對比

當(dāng)放電處理時長多于60 s時，H2O2受紫外光子輻射繼續(xù)分解形成·OH，其氧化電勢為2.85 eV，遠(yuǎn)高于H2O2氧化電勢（1.77 eV），因而該階段，H2O2混合HNO3配比液對小球藻的失活效率影響遠(yuǎn)低于相同條件下的放電處理效果，原因為·OH在失活過程中起主導(dǎo)作用。

4結(jié)論

基于微電極結(jié)構(gòu)和陣列式電極排布形式設(shè)計了氣~液放電裝置，對小球藻開展了殺滅處理研究。研究結(jié)果表明氣~液放電對小球藻有明顯的殺滅效果。其中放電功率、處理時間對低濃度小球藻的高效失活起重要作用。在放電功率為15 W，空氣流速為1 SLM條件下，隨著放電處理時間的延長，小球藻失活效率迅速提高。小球藻失活的主要原因為酸化條件下H2O2轉(zhuǎn)變?yōu)椤H，·OH與小球藻的相互作用使細(xì)胞及其內(nèi)溶物氧化，破壞了小球藻的細(xì)胞結(jié)構(gòu)致使小球藻凋亡。