颗粒物表面铁铝共水解调控Al13生成与作用的机理

原位产生的Al13是最有效的絮凝形态，它在pH5-6弱酸性条件最容易生成并稳定存在。然而，饮用水处理大多是在中性条件下进行，无法实现在最优凝聚形态下的絮凝作用。考虑到絮凝是各种铝水解产物在胶体/水微界面发生的反应，胶体颗粒物的表面性质也是影响絮凝的一个重要因素。因此，本项目提出在铝盐絮凝反应过程中掺杂少量铁，通过调控铁在胶体颗粒物表面的水解过程，创造一个敏感的pH微环境，使吸附在胶体表面的铝原位而定向地生成Al13，提高絮凝效率。本项目将研究颗粒物表面微环境pH的表征方法，阐明颗粒物表面铁的水解过程及其调控pH的微观机制，揭示铁水解调控pH与Al3+水解原位产生Al13的协同反应机理，明确影响铁铝共凝聚条件下颗粒物表面微环境pH和铝形态变化的关键因素与动力学过程，提出铁铝共凝聚的最佳配比及形态控制途径，为絮凝技术创新和应用提供科学依据和理论基础。

原位产生的Al13是最有效的絮凝形态，它在pH5-6弱酸性条件最容易生成并稳定存在。然而，饮用水处理大多是在中性条件下进行，无法实现在最优凝聚形态下的絮凝作用。本项目提出在铝盐絮凝过程中引入少量铁离子作为路易斯酸，通过铁离子在颗粒物表面的水解作用，即通过铁离子与颗粒物的表面羟基反应过程释放氢离子，从而改变颗粒物表面微环境的pH来促进Al13原位生成，基于上述目标。本研究首先建立了颗粒物表面微环境pH的分析方法以及固体颗粒物表面Al13形态的定性鉴定方法；以此为基础，研究了铁铝共水解对颗粒物表面pH的影响，考察了调控铁水解过程提高Al13原位生成量的关键配比和控制途径，获得以下主要研究成果：.1、研发了一套测定颗粒物表面微环境pH的仪器系统，该系统包含微电极激光拉制、位移控制、表面定位和数据采集等4个系统，能够对颗粒表面微环境pH进行测定。.2、建立了颗粒物表面Al13形态的定性鉴定方法，通过对颗粒表面吸附铝形态的拉曼光谱和增强拉曼光谱鉴定，识别了Al13形态的特征峰，并通过理论计算佐证了Al13形态的特征峰。发现颗粒物表面Al13形态的拉曼特征峰位于635 cm-1，是Al13形态的主要检测依据，300 cm-1及987 cm-1处的拉曼峰可作为辅助依据。.3、揭示了颗粒物表面铁离子水解改变微环境pH值从而促进铝盐水解生成Al13的协同反应机理；以细微颗粒物为研究对象确定了在一定水质条件下，以浊度去除及絮体性质为目标的最佳铁铝配比（RFe：Al）为1:10，该条件下的絮体强度及恢复能力均较优。不同铁铝投加间隔对絮凝效果影响明显，时间间隔10 s时效果最佳；发现随铁盐投量增加，Alb含量不断增大，进一步验证铁盐促进Al13生成的协同机制。发现碱度对铁铝共絮凝的效果影响较大，最佳碱度为10-3 mol/L。