高效多功能纳米混凝剂的分子设计,作用机理与产业化_王东升.pdf

建设科技 93一 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）高效多功能纳米混凝剂的分子设计,作用机理与产业化王东升1 高宝玉2 郑怀礼3 冯成洪4 焦茹媛5 徐慧5 俞萍锋1 朱亮1 张伟军6 杨鹏7 徐绪筝8 徐圣君9 孟庆杰1 0 谢玉霞1 0(1.中国科学院生态环境研究中心，北京 1 0 0 0 8 5；2.山东大学，济南 2 5 0 1 0 0；3.重庆大学，重庆 4 0 0 0 0 0；4.北京师范大学，北京 1 0 0 0 8 8；5.浙江大学，杭州 3 1 0 0 5 8；6.中国地质大学（武汉），武汉 4 3 0 0 7 0；7.北京环球中科水务科技股份有限公司，北京 1 0 0 0 8 5；8.中禹管网科技(佛山)有限公司，佛山 5 2 8 2 0 0；9.长三角（义乌）生态环境研究中心，义乌 3 2 2 0 0 0；1 0.深圳市深水水务咨询有限公司，深圳 5 1 8 0 0 0）摘要 项目组针对水处理领域，复杂源水水质及复合污染情况下，传统水处理混凝工艺对微细污染物去除效率低、处理处置综合成本高等问题，在揭示传统混凝药剂形态转化过程及其理化特征演变基础上，通过分子结构设计优化及功能性化学组分的引入，开发了强化电中和效应的高电荷纳米药剂，优化絮体形态的无机-有机复配药剂，提高有机物去除的吸附-混凝耦合药剂等一系列多功能强化混凝新型药剂，构建了针对不同水体的多级絮体的形成与调控、反应过程的优化与监控体系，实现对不同复合污染特征水体的优化混凝技术的个性化设计，形成优化混凝-深度过滤耦合技术体系，有效提升了微细污染物的去除效果。项目所研发的高效多功能纳米混凝药剂与技术成功应用于145个水处理项目，服务人口6685.5万人，效益显著。关键词 强化混凝；多功能纳米混凝剂；复杂水质；微界面调控Molecular Design,Mechanism and Industrialization of Highly Efficient and Multi-functional Nano Coagulants Wang Dongsheng1,Gao Baoyu2,Zheng Huaili3,Feng Chenghong4,Jiao Ruyuan5,Xu Hui5,Yu Pingfeng1,Zhu Liang1,Zhang Weijun6,Yang Peng7,Xu Xuzheng8,Xu Shengjun9,Meng Qingjie10,Xie Yuxia10(1.Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100085;2.Shandong University,Jinan,250100;3.Chongqing University,Chongqing,400000;4.Beijing Normal University,Beijing,100088;5.Zhejiang University,Hangzhou,310058;6.China University of Geosciences,Wuhan,430070;7.Beijing Global Zhongke Water Technology Co.,Ltd.,Beijing,100085;8.Zhongyu Pipe Network Technology(Foshan)Co.,Ltd.,Foshan,528200;9.Yangtze River Delta Research Center for Eco-Environmental Sciences,Yiwu,322000;10.Shenzhen Shenshui Water Resources Consulting Co.,Ltd.,Shenzhen,518000)Abstract:Under complex source water quality and combined pollution conditions in the field of water treatment,there are the problems that the removal efficiency of micro-pollutants is low while the cost of treatment and disposal is high by the traditional water treatment coagulation process.In order to solve these issues,the project team studied the form transformation process as well as their physical and chemical characteristics evolution of traditional coagulants.Through the optimization design of molecular structure and the introduction of functional chemical components,a series of new multi-functional coagulants has been developed,such as high-charge nano coagulant to strengthen the electric neutralization effect,inorganic-organic compound coagulant to optimize the morphology of flocs,adsorption-coagulation coupling coagulant to improve the removal of organic matter,et al.Moreover,the system for optimizing and monitoring the formation and regulation of multi-level flocs in different water bodies,as well as the reaction DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.02194 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊随着水资源受到越来越多化学合成物和微生物等物质的污染，水体污染物呈现多样化、复杂化特点，传统混凝在去除水体颗粒物方面的效果较为突出，强化混凝虽通过加大投药量对有机物的去除效果有所提升，但具有明显的选择性，对近年来引起学者普遍关注的水体新兴污染物，如有机质细微悬浮物、微污染有机物、微生物、藻类等去除效果十分有限，已难以适应日渐复杂的水体。传统混凝机制主要通过金属盐与有机物表面官能团发生表面络合使污染物脱稳并生成不溶性的共聚络合物，而目前水体污染物复杂多变，其理化性质各不相同，强化混凝去除路径及机制具有复杂性及不确定性，传统的混凝剂已无法适应水体污染日益复杂的情形。因此，基于水质特征，构建具有吸附、架桥、强化絮凝等针对性的多功能混凝剂，在分子层面探究不同混凝剂形态与特征理化性质污染物之间的定向匹配关系，揭示复杂水体污染物强化混凝作用机制是水处理混凝技术领域研究的重点及难点。项目从我国水环境污染面临的重大挑战和水质安全保障的重大需求出发，基于传统混凝药剂形态转化过程及其理化特征演变规律，着重探讨强化混凝微界面过程与控制技术原理，通过优势混凝形态的分子设计、性能表征及其多相凝聚微界面过程深入系统的研究，开发基于功能化混凝剂的优化混凝核心技术，开展技术创新和推广应用，为推动我国水处理技术的进步及水质安全的提升提供科技支撑。1 优化混凝技术表征方法体系构建及对我国典型水体水质特征分析优化混凝工艺是一个多目标的综合工艺，需要对水体颗粒物、悬浮物、有机毒性物质以及综合处理成本等进行合理表征评估。本项目应用新近发展起来并且经过实验研究改进的颗粒结构分析方法、形态表征方法和毒性检测技术，从混凝优化控制技术的角度，分别建立了超滤分子量分级表征技术、HPSEC（高效排阻色谱）分级与组分解析技术、树脂分离分级表征技术、遗传毒process was constructed,so as to achieve personalized design of optimized coagulation technology for water bodies with different composite pollution characteristics.The optimized coagulation-deep filtration coupling technology system was formed,which effectively improved the removal effect of micro-pollutants.The highly efficient and multi-functional nano coagulants and technologies developed by the project have been successfully applied in 145 water treatment projects,serving a population of 66.855 million,which have achieved significant economic and environmental benefits.Keywords:enhanced coagulation,multifunctional nano-coagulants,complex water quality,micro-interface control性评估技术、消毒副产物综合表征等对水体有机物、颗粒物等水质的分布与变化规律以及相应的物化性质进行了综合评估。在此基础上，以松花江流域、黄河流域、长江中下游、钱塘江流域、珠江流域下游重要大型城市水源地为研究对象，研究了典型水源地DOM（溶解性有机物）的分布特征，揭示了其混凝优化去除规律及消毒副产物生成情况（见图12）。图1 中国典型水体DOM的化学分布特征(TTHMFP=Total THMFP)图2 基于水质理化特征的主成分分析及水质分类2 无机高分子絮凝剂（IPF）形态表征体系及混凝定量计算模式构建2.1 IPF形态表征及鉴定方法体系构建在国内率先构建基于颗粒粒度大小、反应活性、荷电、形貌及微观形态结构等特征的多角度IPF物化结构与结性能表征体系，揭示了IPF在不同反应条件下形成从单一纳米聚合物到分形聚集体等各种复杂的形态分布。建立了基于特定Al-Ferron反应常数的K值判据法（见表1），根据不同聚合铝水解形态与Ferron反应具有特定的表观反应常数k值划分为Fm、Fo、Ft、Fu1、Fu2等组分，分别对应于单体、低聚体、Al13以建设科技 95一 等 奖及高聚物和惰性晶核、胶体等系列水解聚合形态。优化建立新型ESI-TOF-MS铝谱解析方法体系（见图3），解决低剂量铝形态表征尤其是其形态演变过程跟踪表征的技术瓶颈，深入揭示了铝团簇形态在混凝工艺中形态转化、过程机理与铝形态残留特征，丰富发展了铝团簇形态“双水解”转化模式，促进新型、高效吸附絮凝药剂的研发工作。表1 Al-Ferron 形态表征：k 值判据法图3 ESI-TOF-MS铝谱解析方法体系2.2 混凝定量计算模式在相对确定的水体颗粒物、溶液组成以及反应条件下，如何通过定量计算来进行混凝最佳效果的预测与控制，一直是该领域研究人员所关注的焦点和混凝技术研究的主体目标之一，是理论研究与实践应用中的重要问题所在。研究发现，不同聚合