纳米磁性混凝剂强化去除微污染有机物的作用机理与絮体控制

Organic micro-pollutant enhanced coagulation technology is one of the key technologies to achieve the national requirement of safe drinking water, thus organic matter removal mechanisms by enhanced coagulation become the forefront of the coagulation studies. The proposed project is aimed to develop the novel ferromagnetic nano-coagulant by compositing with nano-materials, magnetic materials and different aluminum hydrolysis products and focused on their enhanced coagulation behavior. The main content of this project is to explicate the relationship between the component and the morphology of the nano-magnetic coagulant with the properties and the transformation of organic compounds, and to clarify their selective role in the organics with different functional groups, and to reveal their transformation, their roles and control modes during the process that the nano-magnetic coagulants effectively remove the organics. In addition, the established visualization technology, particle image velocimetry (PIV) will be employed to directly observe the flocs formation from primary cluster to micro-floc and finally to macro-floc. The formation process could enhance our understandings on their coagulation mechanism, especially the relationship between the dynamic processes with the hydraulic characteristics. Finally, the optimized process control mode for magnetic coagulation would be established by incorporating the real water quality parameters and the coagulation hydrodynamics.

微污染有机物的强化混凝技术是实现国家饮用水安全保障的关键技术之一，因此有机物的强化去除机制成为了目前混凝学研究的前沿。本项目主要研制由纳米材料、磁性材料与不同铝形态的水解产物构建的纳米磁性混凝剂，通过明确纳米磁性混凝剂组分、形态对典型有机物性质与转化的影响效应，明确其与不同物化组分、不同基团性质有机物之间的选择性作用效能，揭示有效去除有机物的纳米磁性混凝的转化历程、作用条件和控制方式；通过已建立的PIV可视化技术研究其强化混凝过程中初级絮体、微絮体到宏观絮体形成的控制参数和混凝机制，确定絮体的强化形成过程中的动力学、水力学特性；并通过处理实际水体，结合原水的水质参数，优化混凝过程的水动力学，建立微污染有机物去除的磁混凝工艺优化控制模型。

本基金主要开展了三方面的研究，第一，是进行了磁混凝机制及其界面过程的研究。将铁磁性粉末引入了无机高分子混凝剂PACl中，对磁性纳米颗粒与无机高分子混凝剂PACl的复配、磁混凝机制等方面进行了探索性研究。发现与磁性纳米颗粒复配后，随着磁粉掺入量的增加，Alm 和Al13的含量降低，而Alun含量增加。推测Alm和Al13在颗粒物表面不断沉积/聚集，转化为[Al13]n。因此认为磁性纳米颗粒为核的“纳米颗粒-Al聚体”团簇是磁混凝的发生作用的主要成分；第二，是开展了纳米三氧化铝和纳米二氧化钛的高岭土混凝机制。研究了在不同pH值，不同离子强度，不同DOC含量等条件下对高岭土体系混凝过程的影响，发现了体系中纳米颗粒的去除机理包括高岭土颗粒的吸附以及混凝作用，此外还发现，混凝剂中Al会与纳米材料表面官能团发生反应，且吸附在纳米材料表面的混凝剂在絮体形成过程中发挥了重要作用；第三是针对新兴污染物，开发了具有混凝及吸附性能的复配纳米碳材料混凝剂并针对新兴污染物的去除机制进行了深入研究。采用一步法制备了同时具有混凝及吸附性能的复配碳材料混凝剂，确定了最佳反应时间及吸附剂与混凝剂的配比。研究表明，复配混凝剂相比起吸附剂和混凝剂单独使用时，对新兴污染物的去除效果均有显著提升，吸附容量最高提升了5倍以上，同时碳材料还可以在絮凝过程中起到架桥的作用，从而能够提高絮凝剂的去除效率。NOM会产生竞争性吸附作用，并且会导致脱稳的胶粒复稳以及絮体颗粒粒径的降低，三种新兴污染物的去除率基本上表现出水杨酸<布洛芬<双氯酚酸的趋势，这一趋势和污染物的疏水性呈正相关，说明污染物的疏水性在吸附和混凝工艺中起到非常重要的作用。相关成果总共发表SCI论文18篇，中文核心6篇，包括JHM，SPT等领域内认可的高水平杂志，申请了2项发明专利，其中一项已取得授权，另外一项也已经进入了实审过程中，相关研究与太平洋水处理工程有限公司获得了南通市科学技术进步奖二等。