纳米颗粒物的混凝过程、微界面作用机理及动力学模型

The control of particle with nano meter size in water is one of the biggest challenges for coagulation technology, and it’s also the blind spot of the present coagulation study. This project will focus on this issue by comparing the coagulation process of nano particles with different characteristics and sizes, as well as the influence of different coagulants species on the coagulation hydrolysis and complex mode. The selective effect and coordination complex mode of different coagulants species on nano size particle will be illuminated. The formed floc size, strength and fractal dimension of different coagulation conditions will be studied to explain the micro-interface reaction process and coagulation mechanism. Meanwhile, the transformation of nano size particle in coagulation process will be clarified and the coagulation kinetic model of nano size particle will be established. This project aims to have a better understanding of the coagulant morphological transformation approach, coagulation condition, and the process control parameters of different size nano particle treatment process.

水体中纳米级颗粒物的控制是混凝工艺目前面临的重大挑战之一，也是目前混凝研究的盲点。本课题针对此问题，通过建立不同形态结构及不同粒径大小的纳米颗粒物体系，研究对比其混凝过程，并考察不同预制形态混凝剂在纳米颗粒物体系下的水解及络合模式，明确不同形态混凝剂对不同形态结构纳米颗粒物的选择性作用效能及配位络合模式。同时，结合不同混凝条件下的絮体大小、强度、分形等纳米颗粒物的混凝形态学特征，阐明纳米颗粒物与混凝剂之间的微界面反应过程及作用机制，揭示水中不同形态结构及粒径纳米颗粒物在混凝过程中的迁移转化归趋，建立纳米颗粒物的混凝动力学模型。最终确立有效去除不同粒径纳米颗粒物的混凝剂形态转化途径、作用条件和过程参数控制机制。

目前，混凝对颗粒物控制的研究还停留在对微米级颗粒物的控制方面，然而，实际水体是不同粒径大小颗粒物的混合。在某种意义上，水体中的大分子的有机物也相当于纳米级颗粒物，而原水病原微生物分布粒径也在纳米至微米之间。如何在混凝过程中控制粒径较小的纳米级颗粒，明确混凝可去除颗粒物粒径范围，阐明纳米颗粒物与混凝剂之间的界面反应过程及作用机理，进而提高混凝工艺的去除效率，具有重要的现实意义。针对此问题，本课题通过选择具有不同理化性质（无机/有机）的典型单一刚性纳米颗粒物为研究对象，通过水力筛分，将纳米颗粒物进一步细化为不同粒径范围，建立不同理化性质及不同粒径大小的纳米颗粒物体系，针对单一体系颗粒物粒径大小、颗粒物浓度、纳米体系分散性及荷电性质，构建基于光学仪器的纳米颗粒物表征体系；进一步，选择二氧化硅作为无机纳米颗粒的模型，比较了纳米二氧化硅和微米二氧化硅在不同混凝剂投加量、pH和初始颗粒浓度下zeta电位，浊度去除效果和絮体结构的变化，揭示了纳米二氧化硅在氯化铝混凝剂作用下不同于微米二氧化硅的混凝机制。而后对纳米二氧化硅的早期聚集过程进行了系统的研究。通过比较不同粒径的纳米二氧化硅在不同电解质种类、离子强度、初始颗粒浓度和pH下的聚集速率系数变化，发现了结构层对纳米颗粒的作用，阐明了结构层形成的机理；在无机纳米颗粒研究基础上，选择聚苯乙烯乳胶球作为有机纳米颗粒的模型，进一步探究了纳塑料/微塑料在不同离子种类、离子强度和pH条件下的聚集行为和聚集动力学过程，发现了结构层作用同样对有机纳米颗粒聚集过程有显著影响，揭示了布朗运动对纳米颗粒聚集过程的重要性。在此基础上，通过结构层斥力引入，对经典Smoluchowski公式进行优化，同时，基于布朗运动条件下的颗粒物速率分布特征，对纳米颗粒聚集动力常数进一步进行修正，建立了纳米颗粒的聚集动力学模型，为纳米颗粒物混凝工艺提升奠定理论基础。