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我院张淑娟教授研究小组关于钛凝胶混凝剂的最新研究进展

       钛盐混凝剂能有效避免常规铝盐和铁盐使用过程中存在的生物毒性和色度等问题,因而在近些年得到了广泛关注。然而,无机钛盐混凝出水pH过低,制约了其实际应用。加碱预聚合是无机混凝剂改性的一种重要方法,可有效提高金属盐混凝剂的混凝性能。目前市场上广泛使用的聚铝、聚铁混凝剂均是通过简单金属盐溶液加碱预聚合而成。然而,加碱预聚对改善钛混凝出水pH的效果有限,且生成的聚合钛盐溶液不稳定,只能现配现用。
       张淑娟教授课题组利用乙酰丙酮作为调控剂,通过溶胶-凝胶化过程对四氯化钛进行改性,制备得到水溶性固体钛凝胶混凝剂,可以长时间存储与运输。钛凝胶混凝剂所生成的絮体颗粒大、沉降速度快;适用投加量与溶液pH范围宽,克服了四氯化钛和聚合氯化钛混凝处理后出水溶液pH过低的问题(Environmental Science & Technology, 2016, 50, 9619-9626)。在应用于含藻水处理时,其絮体生长速度快、除藻彻底、残留金属浓度低。此外,钛凝胶混凝剂在水解过程中释放出的乙酰丙酮在太阳光下可降解藻细胞破裂释放出的二级代谢物,其在除藻和控制藻类次级代谢产物方面的双重功能使之有潜力成为处理含藻水体的有效药剂(Water Research, 2018, 124, 341-349)。
       钛凝胶混凝剂相较于其它钛盐混凝剂的优势在上述两篇论文中有详细论述,但是凝胶化改性为何优于加碱预聚合的机制尚不明确。针对这一问题,张淑娟教授课题组通过对材料的表面化学、结构、形貌和絮体生长动力学的研究,得出如下结论:凝胶化过程中加入的乙酰丙酮调控钛的水解聚合,使其能形成更有效的水解中间体,避免了混凝后出水pH的过度降低;钛凝胶的水解物在溶液中趋向于形成大平面网状结构,而加碱预聚合所生成的水解物多以颗粒状团聚体存在。这种结构的差异一方面使钛凝胶在混凝过程中能暴露出更多的活性位点,具有更高的表面电荷密度和等电点,从而可以发挥更高效的电中和能力;另一方面,网状结构可以更好地发挥网捕卷扫作用,并降低混凝后残留的金属浓度。嵌入在钛-氧骨架中的乙酰丙酮是促进这一网状结构形成的关键因素,同时又可通过氢键和配位等作用进一步提高混凝剂对有机物和重金属的结合能力(图1)。乙酰丙酮对多种金属具有良好的配位作用。这一研究成果为其他金属盐混凝剂的改性提供了新的思路。该工作的第一作者为博士生王晓萌,张淑娟教授为通讯作者。这一科研成果于2018年1月3日在线发表于Water Research (https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.12.081)。
图1. 钛凝胶混凝剂(TXC)相比于四氯化钛(TC)和聚合四氯化钛(PTC)对于浊度和有机物的去除优势示意图

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