絮凝氣浮過程介尺度結構的形成、作用及其定向調控

《絮凝氣浮過程介尺度結構的形成、作用及其定向調控》是依託北京大學，由趙華章擔任負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：絮凝氣浮過程介尺度結構的形成、作用及其定向調控
• 項目負責人：趙華章
• 依託單位：北京大學
• 項目類別：重大研究計畫

項目摘要

絮凝氣浮是典型的氣－液－固三相反應，廣泛套用於資源、能源、環保領域過程中。“溶解性絡合物（小尺度）－凝聚核（介尺度）－絮體（大尺度）”是絮凝氣浮體系中絮凝劑、氣泡和待分離的目標物質在時間、空間上相互作用連續演變的系列產物。凝聚核是該演變過程中唯一的相變產物，決定著絮凝氣浮過程的機理和效果。其特徵不符合溶液配位化學理論的套用條件，也不能用DLVO理論來描述，是典型的介觀問題。如何對凝聚核進行精確預測和控制套用，是提升絮凝氣浮性能和實現其定向調控的突破點之一。本項目針對指南中的科學問題（一）提出申請，擬對絮凝氣浮過程凝聚核介尺度結構特徵和形成機理進行研究，探索通過調節絮凝劑和氣泡的結構和性質來調控凝聚核形成的方法，在“溶解性絡合物－凝聚核－絮體”範圍內建立統一模型，闡明凝聚核與絮凝氣浮過程的相互影響規律，實現絮凝氣浮反應定向調控。申請人在相關問題上有著深厚的前期研究基礎。

結題摘要

絮凝去除溶解性物質過程中，凝聚核是溶解性絡合物（小尺度）和絮體（大尺度）之間的介尺度結構，其決定了絮凝過程的效果與機理。如何對凝聚核進行精確預測和控制套用，是提升絮凝性能和實現其定向調控的突破點。本項目以溶解性絡合物（小尺度）－凝聚核（介尺度）－絮體（大尺度）的時空尺度為研究範圍，系統探究了絮凝過程介尺度凝聚核的識別方法、形成機制與調控套用。主要研究結論如下： 建立了共價鍵型絮凝劑在絮凝過程中凝聚核的識別與形成過程表征方法，絮體分級實驗顯示共價鍵型絮凝劑去除小分子污染物的過程中形成了凝聚核；絮凝zeta電位變化表明絮凝劑正電荷的有效性是衡量凝聚核形成的重要標準，常規絮凝劑無效正電荷易與溶解性污染物形成溶解性絡合物而不能形成凝聚核；實時可視化螢光顯微技術顯示共價鍵型絮凝劑無機組分發揮相變的功能，有機組分發揮吸附污染物的功能，兩者協同作用實現了溶解性污染物高效去除。 在分子層面上對介尺度結構形成機理進行了探究，發現凝聚核的形成首先依賴於絮凝劑對污染物的去水合作用；靜電吸附和疏水吸附為凝聚核形成過程中絮凝劑與污染物的主要作用方式，可有效降低了體系的結合能；兩種作用方式的比例因小分子物質結構和性質不同而不同，無機小分子以靜電吸附為主，而有機小分子同時包含以上兩種作用方式。 通過開發新型絮凝劑實現了對其凝聚核的定向調控。以酸鹼控制的自組裝方法合成了納米膠束絮凝劑，顯著提高了其水中的穩定性和絮凝效能，大幅拓寬了其污染物去除範圍。新型絮凝劑可廣譜去除水體中多種常規絮凝劑不能去除的小分子無機（如硝氮）及有機污染物（POPs、PPCPs、EDCs等），可高效去除實際污水具有NxOx, S1O3 和S1O5～S1O7分子結構的有毒含氮含硫化合物。本項目系統建立了介尺度凝聚核識別方法與定向調控體系，研究成果對多功能型絮凝劑開發、廢水深度處理和回用、水質安全保障具有重要指導意義。