聚合氯化铝钛复合混凝剂的性能、形态和作用行为研究

批准号：

52070120

项目类别：

面上项目

资助金额：

58.0 万元

负责人：

高宝玉

依托单位：

山东大学

学科分类：

饮用水工程

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

高宝玉

关键词：

污泥利用混凝行为絮体特性混凝机理聚合氯化铝钛复合混凝剂

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

新型高效稳定的复合混凝剂研发一直是水处理领域的重点研究方向之一。本项目拟制备出稳定高效的聚合氯化铝钛(PATC)复合混凝剂，研究Al(III)和Ti(Ⅳ）水解-聚合过程并表征产品结构，优化确定制备PATC工艺参数和反应条件；采用现代分析方法研究PATC中Al(III)和Ti(Ⅳ）的水解聚合形态分布、混凝动态过程和絮体特性，研究Al(III)和Ti(Ⅳ）共存时Ti(Ⅳ）对Al(III)形态分布及转化规律的影响；以含有不同类型有机污染物的模拟水样和具有不同水质特性的实际地表水为处理对象，研究PATC去除不同性质污染物的效能、水解聚合形态与混凝效果之间的关系，探讨混凝作用机理；采用混凝沉淀产生的化学污泥制备铝钛基氧化物，研究其通过吸附-光催化氧化作用去除地表水中常见抗生素类污染物的效果及影响因素。本研究将对我国新型复合混凝剂研发、水环境污染治理及化学混凝污泥回用具有十分重要的理论意义和实用价值。

英文摘要

The research and development of new, high efficient and stable composite coagulant has been one of the key research directions in the field of water treatment. In this research, polymeric aluminum-titanium chloride (PATC) composite coagulant with good stability and good water purification performance will be prepared, and the hydrolysis-polymerization process of Al (III) and Ti (Ⅳ) in PATC will be investigated and the structure of PATC will be characterized. The technological parameters and reaction conditions for the preparation of PATC will be optimized. By using modern analytical instruments and methods, the hydrolysis-polymerization species distribution of Al (III) and Ti (Ⅳ), the dynamic process of coagulation and the floc characteristics of PATC will be studied, and the effect of coexisted Ti (Ⅳ) on the species distribution and transformation of Al (III) will also be investigated. When the simulated water samples containing different types of organic pollutants and the actual surface water samples with different water quality characteristics are treated, the coagulant performance of PATC removing different pollutants, and the relationship between the species of hydrolysis-polymerization and the coagulant performance will be studied, and the coagulation mechanism will also be investigated. In order to realize the comprehensive utilization of chemical sludge, aluminum-titanium based oxides will be prepared from the chemical sludge produced by coagulation precipitation process, and its removal efficiency for typical antibiotics existed in surface waters by adsorption-photocatalytic oxidation, and the factors influencing the removal of the antibiotics will be studied. The research of this project will be of great theoretical significance and practical value to the research and development of new compound coagulants, the pollution control of water environment and the reuse of chemical sludge.

新型高效稳定的复合混凝剂的研发是水处理领域的重点研究方向之一。基于此，本项目制备了稳定高效的聚合氯化铝钛(PATC)复合混凝剂，研究了Al(III)和Ti(Ⅳ)的水解-聚合过程和水解聚合形态分布；以腐殖酸模拟水样、微塑料模拟水样、腐殖酸-微塑料复合水样、老化微塑料模拟水样、腐殖酸-老化微塑料复合水样、含有不同分子量和溶解性有机物的实际地表水水样、老化微塑料-实际地表水复合水样和纳米塑料（NPs）模拟水样为处理对象，研究了PATC去除不同性质污染物的效能、絮体特性、水解聚合形态与混凝效果之间的关系，探讨了混凝机理；构建了基于铝钛基化学污泥的功能材料，研究了其通过吸附-光催化氧化作用去除地表水中常见抗生素类污染物的效果及影响因素。研究发现PATC中Al(III)和Ti(IV)之间存在的分子间相互作用随Ti含量的增加而增强，随碱化度（B）的增加而减弱。Al-Ferron逐时络合比色法的结果表明当B≤1.5时，单核和中等聚合形态的Ti阻碍了铝的单体形态（Ala）和中聚合形态（Alb）向胶体或凝胶态（Alc）的转变，当B>1.5时，钛的存在促进了上述转化过程。与聚合氯化铝（PAC）和聚合氯化钛（PTC）相比，三维花状结构的PATC具有更高的正电荷、更大的分子量和更多的活性位点，这导致其能通过更强的络合、电中和、吸附架桥、阳离子-π和网捕卷扫等作用更有效的去除不同性质的污染物。Al13Ti13是PATC去除污染物的优势形态。通过对优势形态的提纯发现在预制Al13Ti13混凝过程中，具有许多正电荷结合位点的纳米级立体水解产物为NPs在其表面的吸附提供了中尺度核，然后预制Al13Ti13通过电中和作用或分子间络合作用与NPs接触并形成具有独特珊瑚礁结构的微尺度聚集体。基于钛铝基化学污泥构建的铝钛基氧化物为具有多孔结构的101晶相锐钛型二氧化钛，其具有与商品级P-25型TiO2相近的吸附和光催化性能，在四环素浓度为0.01 mmol/L时，0.6 g/L的铝钛基氧化物在120 min可降解99.39%的四环素，此时，吸附贡献了80.23%。本研究将对我国新型复合混凝剂研发、水环境污染治理及化学混凝污泥回用具有十分重要的理论意义和实用价值。