壳聚糖改性粘土絮凝除藻的机理探讨

粘土除藻是一种有前景和环境友好的应急除藻技术。对粘土进行改性以提高其除藻效果是该技术的发展方向之一。文章探讨了壳聚糖改性粘土絮凝除藻的机理。壳聚糖改性修饰后的粘土既能通过壳聚糖的粘结架桥作用絮凝藻细胞,又能通过粘土表面电性的改变凝聚带负电的藻细胞,使改性粘土的絮凝除藻能力大幅度提高。     

有机改性蒙脱土去除球形棕囊藻赤潮研究

采用离子交换法制备出一种稳定的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性蒙脱土,考察了其对球形棕囊藻(Phaeocystis globosa Scherffel)赤潮的杀灭控制作用和絮凝沉降动力学。结果表明,当藻细胞起始密度为1.1×106/mL、改性粘土用量为14 mg/L时,作用48 h后对球形棕囊藻的除藻率为87%;用量为22 mg/L时的除藻率可达91%,而当藻细胞起始密度增大为6.3×106/mL时,同等用量和时间条件下,除藻率分别为62%、73%,呈现出明显的剂量-效应关系,除藻率受藻细胞起始密度影响较大。絮凝沉降实验发现,10 mg/L的改性粘土在60 m in时的沉降率即可达到80%,表明改性粘土对球形棕囊藻有较强的沉降作用及较快的沉降速率。     

离子强度对粘土和改性粘土絮凝去除水华铜绿微囊藻的影响

研究了水体的离子强度对粘土和壳聚糖改性粘土絮凝去除铜绿微囊藻的影响 .离子强度的增加有利于粘土对藻类的絮凝去除 .与一般粘土除藻相反 ,壳聚糖改性粘土却在离子强度低的条件下具有更好的除藻效果 ,是适合在湖泊 ,水库和江河等淡水 (低含盐量 )水体中应用的应急除藻技术 .当离子强度从 0.17mol/L降到 0mol/L时 ,海泡石除藻率从 90 %以上降为 70 %以下(投加量700mg/L) ,而壳聚糖改性海泡石的除藻率却从 70%左右升至 95% (投加量仅为 11mg/L) .用粘度法研究了壳聚糖改性海泡石的絮凝机理 ,发现相对低的离子强度更有利于壳聚糖分子链上阳电荷的相互排斥作用 ,有利于壳聚糖分子链的舒展 ,从而可以充分发挥架桥网捕作用 ,利于絮凝除藻 .     

粘土原位除藻技术研究

对利用当地粘土治理水华蓝藻的原位除藻技术进行了研究.实验表明,经壳聚糖改性的当地不同类型粘土都能有效地絮凝除藻,改性粘土的矿物组成和有机质成分对絮凝除藻没有明显的影响.溶液中有机质(TOC≤40 mg/L) 的存在对壳聚糖改性粘土絮凝除藻有一定的负面影响.在太湖梅梁湾水域围隔中进行的原位除藻试验表明,采用经壳聚糖改性的当地粘土除藻效果明显,在用量仅为0.025 g/L (53 g/m²)时,除藻后SD透明度由15　cm提高至90　cm,叶绿素a的去除率达到98.6%.     

壳聚糖改性粘土对水华优势藻铜绿微囊藻的絮凝去除

研究了壳聚糖改性对粘土絮凝去除铜绿微囊藻的影响.经壳聚糖包覆改性后的海泡石在投加总量仅为11 mg/L时,0.5h即可去除80%的藻细胞,2h去除率达到90%.不同粘土改性后絮凝除藻能力均有大幅度提高,原来除藻能力相去甚远的不同粘土,包括一般的黄土,改性后除藻能力被提升到相近的水平,投加量11 mg/L,可去除铜绿微囊藻90%以上.改性粘土和一般絮凝剂一样有一最佳投加量(本研究为11 mg/L),低于或超过此最佳值,絮凝除藻效果均下降.     

有机改性粘土去除赤潮生物的机制研究

研究了季铵化合物改性粘土的制备条件对其去除赤潮藻效果的影响,探讨了该粘土体系高效除藻的机制.实验表明,十六烷基三甲基铵(HDTMA)可以有效地提高粘土的絮凝能力,同时HDTMA改性粘土中含有亚稳态HDTMA,增加了该改性粘土对赤潮生物的灭杀能力.改性粘土去除赤潮藻的能力与所吸附季铵化合物的杀藻能力、吸附量正相关,当老化时间延长、吸附季铵化合物稳定性增强时改性粘土除藻能力大大降低.结构不同的粘土对于吸附HDTMA的稳定化产生的空间阻力不同,在吸附量相同的情况下3层结构的蒙脱土中会有更多的亚稳态HDTMA产生;由于同离子效应,反应介质中高价金属阳离子的存在提高了亚稳态HDTMA的量,因此相应的改性粘土具有更高的赤潮藻去除能力.在60℃条件下吸附的HDTMA会更有效地占据粘土中的阳离子交换位,达到稳定态;而升高或降低温度都会有利于亚稳态HDTMA的出现,相应的改性粘土具有更高的赤潮藻去除能力.     

用粉末活性炭作前助凝剂提高PAC除藻效果的研究

采用烧杯搅拌实验研究了用粉末活性炭作前助凝剂提高聚合氯化铝(PAC)去除铜绿微囊藻的有效性。结果表明,单独使用粉末活性炭作前助凝剂的除藻效果并不好,而先投加20 mg/L高岭土,再将15 mg/L PAC与粉末活性炭同时投加,除浊除藻效果明显提高。考虑首先充分发挥粉末活性炭对有机物的去除能力,在除浊除藻率仍然较高的情况下,采用粉末活性炭先于高岭土2 min投加的方式,粉末活性炭的最佳助凝剂量为10mg/L。采用粉末活性炭、高岭土和FeCl3依次投加的完整助凝技术路线,除浊除藻效率最高。碱性水体比酸性水体有利于联用三种助凝剂除藻。扫描电镜(SEM)观察结果表明,采用助凝技术,藻细胞主要与高岭土无机颗粒发生凝聚,投加粉末活性炭有助于絮凝体体积增长,而在絮凝阶段投加FeCl3可使絮凝体的分维数达到1.947的最高值。联用粉末活性炭、高岭土和FeCl3是非常有效的助凝除藻新技术。     

钙铝黄长石陶粒改性及处理含锰废水效能

以工业固体废弃物造纸白泥和粉煤灰为原料,通过煅烧制备钙铝黄长石陶粒,再经NaOH溶液水热反应法改性,用于含锰废水的吸附处理。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对改性前后的陶粒进行表征,探讨陶粒水热改性机制。检测不同NaOH溶液浓度以及水热反应温度改性后陶粒的静态吸附除锰效能,并与改性前陶粒对比,确定最佳水热改性条件,并探索改性陶粒吸附除锰机理。结果表明:改性后陶粒的主矿物相仍为钙铝黄长石,但部分Ca元素被活化,生成新物相Ca(OH)₂,提高了陶粒本身碱性,继而使锰去除率显著提高,吸附平衡时间明显缩短。4,3 mol/L的NaOH溶液浓度以及160 ℃的水热温度分别为2种陶粒的最佳改性条件;改性后陶粒除锰可以在10~15 min内达到吸附平衡,锰去除率接近100%。吸附过程中,Mn2+与OH-生成白色Mn(OH)₂沉淀,然后被氧化为黑褐色的MnO(OH)₂,最终被陶粒表面均匀吸附,实现了固体废弃物资源化利用,达到以废治废的目的。     

壳聚糖改性铝污泥对铜绿微囊藻的絮凝去除

采用给水厂副产物铝污泥代替黏土作为下沉载体,利用壳聚糖改性,将其用于铜绿微囊藻的絮凝去除.结果表明,壳聚糖与铝污泥以1：50的质量比复合改性后除藻效果明显提高：对于藻密度约为4.88×10⁶cells/mL的含藻水,当改性铝污泥最佳投加量为0.25g/L,30min后藻密度和浊度去除率分别达到100%和98.92%,形成的絮体完整紧实,分形维数值为1.719.通过Zeta电位、SEM等表征分析,此过程主要依靠壳聚糖、铝污泥及藻类之间的"电性中和"与"吸附架桥"等的作用,混凝絮凝过程快速高效且投加量小,最佳环境pH值介于7~9.5,外加NaCl、CaCl₂在离子强度较低情况下基本不影响絮凝沉淀过程.加之铝污泥对水体中的磷具有良好的吸附作用,因此壳聚糖改性铝污泥对淡水水体中铜绿微囊藻的去除及生长抑制具有良好的效果,实现了"以废治污".     

壳聚糖改性粘土去除城市湖泊中藻类的研究

对壳聚糖改性粘土用于城市湖泊中藻类的絮凝去除进行了研究。实验表明,粘土经过壳聚糖改性后,对高藻水中藻细胞的去除效能得到很大的提高。相比单独投加壳聚糖,粘土的加入增加了絮体密实度,减少了絮体体积,并使絮体分布更均匀。在壳聚糖与粘土配比为1∶20时,叶绿素的去除率和浊度的去除率均为最佳。粘土的种类对除藻效果有一定影响,其中以高粘凹凸棒石为最佳,在最佳投加量28 mg.L-1时,对叶绿素的去除率达到96.2%;粘土的粒径对絮凝效果基本没有影响,在粒径为60μm与300μm之间改性粘土对藻细胞的凝聚效果是一致的。经壳聚糖改性的粘土在酸性条件下絮凝效果较好,当pH值大于7时,其絮凝能力迅速下降。     

Ca2+在饮用水铜绿微囊藻控制中的应用

为改善饮用水藻类的混凝去除效果,以铜绿微囊藻为研究对象,考察了单独投加Ca²⁺、Ca²⁺与PAC联用、Ca²⁺与CO₃^2-原位结晶三种方法的除藻效果,并对Ca²⁺和结晶产物CaCO₃的除藻机制进行探讨.结果表明,单独采用Ca²⁺时,Ca²⁺在低浓度下对藻细胞具有吸附电中和作用,高浓度时同时还有架桥作用,但两者均无法实现对铜绿微囊藻的去除.Ca²⁺与PAC联用,Ca²⁺可以通过吸附电中和显著提高PAC的除藻效果,最大去除率可达98.0%,同时Ca²⁺与溶解性藻源有机物（dAOM）的络合可将残余铝降低50%以上.含藻水中原位CaCO₃结晶对铜绿微囊藻的去除率最高可达83.5%,其产物为带正电荷、粒径2~4 μm左右的球型球霰石.球霰石对藻细胞的去除机制包括球霰石与藻细胞的互絮凝,以及球霰石团聚物对藻细胞的卷扫絮凝,同时球霰石还可以作为加重剂促进藻晶产物沉降分离.自来水厂采用CaCO₃原位结晶与PAC联用除藻,可望降低PAC投加量和残余铝风险,并解决CaCO₃原位结晶导致的浊度和pH偏高问题.研究成果为饮用水除藻提供了新思路.     

颗粒物对混凝过程及超滤膜污染的影响

以nm-SiO₂和μm-SiO₂体系为研究对象,使用3种不同Al形态的混凝剂（AlCl₃、Al₁₃和Al₃₀）进行混凝-超滤实验,考察不同pH值下SiO₂去除率、出水余Al及混凝预处理对膜通量的影响,借助马尔文激光粒度仪、SEM、BET和AFM表征絮体性质及在超滤膜表面的分布和作用力.结果表明,nm-SiO₂体系中SiO₂去除率均低于μm-SiO₂体系,在纳米颗粒物体系中投加混凝剂后膜通量从0.68分别提升至0.96（AlCl₃）、0.86（Al₁₃）和0.87（Al₃₀）,微米颗粒物体系中投加3种混凝剂后膜通量从0.79提升至0.80~0.84.微米级颗粒物是颗粒间的碰撞,纳米级颗粒物主要以团聚态的形式碰撞.低聚态铝（Al_a）和颗粒物形成絮体的粒径均大于150μm,体系zeta电位为负与膜表面产生斥力;在中性条件下Al₁₃与颗粒物形成絮体的强度因子远高于AlCl₃和Al₃₀,中聚态铝（Al_b）将膜孔内部较小颗粒物堵塞形成的不可逆膜污染转移成膜孔表面的可逆膜污染;高聚态铝（Al_c）具有较强吸附架桥和网捕卷扫能力,无定形、不规则的团聚态小颗粒在这一过程中形成较大絮体缓解膜污染.     

生物絮凝剂用于给水混凝处理中浊度去除的研究

利用高岭土悬浊液和松花江原水作为研究对象,以混凝试验为基础考察了生物絮凝剂(BFs)对浊度的去除效果.结果表明,单独使用生物絮凝剂进行混凝处理在投药量5～19mg/L的范围内能够使高岭土溶液浊度去除84%,低于Al2(SO4)3(93%)和Fe2(SO4)3(94%). Zeta电位和混凝pH变化结果表明,生物絮凝剂的混凝效果主要受吸附架桥机理支配.向生物絮凝剂中投加少量的Al盐和Fe盐能够明显强化混凝效果,且在相同的混凝效果时Fe盐投加量小于Al盐投加量.这种强化作用主要是因为无机盐和生物絮凝剂的复合加强了电性中和与吸附架桥作用. Fe盐和生物絮凝剂复合使用可以在低投药量和中性pH条件下有效去除原水的浊度(94.6%).生物絮凝剂能够在较大的投药量范围内有效去除水源水中的颗粒物,形成的剩余污泥能够被自然降解;同时,由于不使用金属盐,大大降低了由于铝的积累而导致的致病风险,是一种环境友好的绿色絮凝剂.     

亚临界水处理模拟有机-矿质复合体形成机制探讨

为模拟地质吸附剂中的有机质矿化腐殖化及有机-矿质复合体的形成过程,采用亚临界水处理技术,通过控制压力反应釜的温度、压力和反应时间对商用腐殖酸、高岭土及有机-矿质复合体进行处理,并通过比表面积全分析、傅里叶红外光谱（FTIR）、特定波长可见吸光度比值（E₄/E₆）、X射线衍射（XRD）和¹³C核磁共振（¹³C-NMR）等表征手段尝试探讨不同处理条件下有机质、粘土矿物及二者复合体的各自变化特征及机制.结果表明,升温增压不仅导致腐殖酸比表面积显著增加,而且分子量变大,芳化度由59.52%增加到70.90%,其主要原因是游离羧基和链烃在升温增压条件下实现了成环、聚合过程,使其结构更加复杂,化学稳定性提高.高岭土在升温增压的过程中脱水,形成结晶更加完整的有序结构.腐殖酸与高岭土形成有机-矿质复合体的过程中存在多重作用,首先高岭土优先选择腐殖酸分子中的芳香组分进行插层,至形成较为致密的内层结构,其次,补丁在外围的游离羧基、烷氧和链式结构在高温高压的作用下成环、聚合形成疏松的外层空间.高岭土、腐殖酸及二者的复合体的变化趋势分别与天然环境中粘土矿物及有机质的矿化腐殖化进程和方向相一致.     

玉米秸秆生物炭改善污泥脱水性能

本实验以玉米秸秆为原料,制备了生物炭和AlCl₃改性生物炭,研究了2种生物炭分别调理污泥后的脱水效果,并探讨了污泥脱水性能的改善机理.结果表明,经过2种生物炭调理后,污泥比阻（SRF）、泥饼含水率（MC）、污泥沉降体积指数（SV₃₀）、毛细抽吸时间（CST）均下降,污泥净产率（Y_N）升高,说明污泥脱水性能得到了改善,且AlCl₃改性生物炭对污泥脱水性能的改善效果明显优于生物炭.当AlCl₃（溶液浓度3mol/L）改性生物炭的用量为3g/L时,调理后的污泥SRF,MC,SV₃₀,CST分别降低至1.3×10¹²m/kg,81.9%,78.6%,35s,Y_N增加至17.8kg/（m²·h）.分析原因：一方面,经过生物炭调理后,泥饼中会形成一定的骨架结构,使得污泥中的水和EPS能够更容易地释放;另一方面,经过AlCl₃改性后,改性生物炭携带的正电荷（Al³⁺）能够与污泥颗粒所带的负电荷发生电中和作用,使得污泥颗粒更容易聚集,从而提高污泥的脱水效果.     

新型黏土改性剂-烷基多糖苷季铵盐

研究了碳链长度不同的2种烷基多糖苷季铵盐在高岭土和膨润土上的吸附行为.结果表明,在膨润土上的吸附量大于在高岭土上,且均符合Langmuir吸附等温线.8碳链的烷基多糖苷季铵盐在2种黏土上的吸附量都明显小于12碳链的.2种不同碳链的烷基多糖苷季铵盐对东海原甲藻(Prorocentrumdonghaiense)、强壮前沟藻(Amphidiniumcarterae)、锥状斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea)的24h灭杀情况表明,12碳链的烷基多糖苷季铵盐在用量为1.5mg/L时,对3种赤潮藻的灭杀率达到90%,而8碳链的达到同样灭杀率需要2.4mg/L.碳链长的烷基多糖苷季铵盐对赤潮藻的灭杀率也高,改性黏土对赤潮藻的絮凝沉降作用很好的符合双曲线动力学模型.生态毒性实验发现,12碳链的烷基多糖苷季铵盐对黑褐新糠虾(Neomysisawatschensis)的48h半致死浓度为17.5mg/L,在改性黏土去除赤潮藻的过程中没有对养殖生物造成明显的毒性作用.     

从阳极泥中提取结晶形Al（OH）3的绿色化研究

采用碱中和阳极泥中的Al2O3和无定形Al(OH)₃,再通入CO₂,从铝型材生产线阳极沉积下来的废泥中成功制备出结晶形Al(OH)₃,研究了温度,pH及CO₂气流速率对形成结晶形Al(OH)3产量的影响。结果表明,在强烈搅拌下,当温度为70~80℃,pH为8~9,CO₂气流速率为50~60mL/min时,Al(OH)3产量最高。该研究实现了回收铝资源,净化环境,且副产品Na₂CO₃可回收利用的目的,从而达到综合利用资源,变废为宝的绿色目标。      

微生物絮凝剂产生菌的筛选及培养条件优化

从实验室好氧池活性污泥中分离出高效絮凝剂产生菌株Aspergillus M-25,经初步鉴定为曲霉属.通过设计正交实验找出其最大影响因素及最佳条件.实验结果表明,该菌株在查氏培养基培养,初始pH值为5.0,转速为140 r/min和水浴温度为25 ℃的条件下能产生高效絮凝剂,对高岭土悬浊液的絮凝率达到97.15%.      

低温条件下絮体破碎再絮凝去除水中颗粒的研究

为了了解低温条件下絮体的形成/破碎/再絮凝过程在适当条件下对絮凝去除水中颗粒物的强化效果,采用PDA2000透光率脉动检测仪对絮凝破碎再絮凝过程进行了在线监测.研究结果表明,当电中和机理占主导作用时(混凝剂投加量小于0.1 mmol·L-1),絮体破碎后能重新絮凝,絮体大小能恢复到破碎之前;而当网捕卷扫机理占主导作用时(混凝剂投加量大于0.2 mmol·L-1),絮体的恢复情况不如电中和条件,再絮凝能力降低.投加适量的腐殖酸会增加絮体破碎前后的分形维数,但过量的腐殖酸则会降低破碎前后絮体的分形维数.絮体破碎再絮凝后其分形维数比破碎前高.腐殖酸的投加量并不会明显影响絮凝和破碎后再絮凝的FI指数.电中和絮体破碎前初始絮凝时间越长破碎后沉后水浊度越低,破碎后其浊度会比破碎前显著减小.较低投量的铝盐就能使得沉后水浊度降到很低,因此可以降低混凝剂投量而达到更好的水处理效果.     

聚合氯化铝镁钛的制备及结构表征

为提高铝基复合混凝剂的混凝效果,以AlCl₃、MgCl₂、TiCl₄为原料,通过共聚反应制备出无机复合高分子混凝剂PCAMT（聚合氯化铝镁钛）,并探究其混凝机理.采用Ferron（高铁试剂）逐时络合比色法、红外光谱、X-射线衍射谱图、扫描电镜与能谱分析（SEM-EDS）、Zeta电位对产物的Al形态、结构形貌、组成及混凝机理进行分析.结果表明:①采用单因素试验法获得最佳合成条件,即反应温度为60 ℃,Mg/Al（摩尔比,下同）为0.5,Ti/Al（摩尔比,下同）为0.5,OH/（Al+Mg+Ti）（摩尔比,下同）为0.6.②形态分析表明,反应温度、Mg/Al、Ti/Al,OH/（Al+Mg+Ti）对Al的形态分布均存在影响.随着反应温度的升高,n（Ala）（Ala在Al的水解聚合形态中所占摩尔分数,下同）先减后增,n（Alb）（Alb在Al的水解聚合形态中所占摩尔分数,下同）先增后减,n（Alc）（Alc在Al的水解聚合形态中所占摩尔分数,下同）逐渐减小;随着Mg/Al的增大,n（Ala）先减后增,n（Alb）、n（Alc）为先增后减的趋势;随着Ti/Al的增大,n（Ala）逐渐增加,n（Alb）逐渐减少,n（Alc）先增后减;随着OH/（Al+Mg+Ti）的增大,n（Ala）逐渐减少,n（Alb）、n（Alc）逐渐增加.③通过红外光谱、X-射线衍射,确定了PCAMT的结构组成,表明PCAMT是一种—OH桥联的铝镁钛复杂无定型聚合物,含有Al—OH—Mg与Ti—O—Ti新基团以及形成了Mg_1.5Ti_1.25O₄、Mg_1.2Ti_1.8O₅、Al₃Ti₅O₂等共聚物.④扫描电镜与能谱结果表明,PCAMT呈紧凑的空间立体网状形貌结构,利于发挥吸附架桥、网捕卷扫作用.⑤由PCAMT投加量对Zeta电位的影响分析可知,低投药量的混凝过程中起主导作用的是电中和作用,高投药量PCAMT处理原水的混凝机制以吸附架桥和网捕卷扫作用为主.研究显示,AlCl₃、MgCl₂和TiCl₄通过共聚反应,可生成具有更高聚合度的无定型共聚物PCAMT,利于电中和、吸附架桥和网捕卷扫,具有较好的混凝效果.