基于分形的无机纳米材料对典型溶解性微污染物的助凝形态学特性研究

如何提高水处理工艺对水源中溶解性微污染物（尤其是小分子有机物）的去除率是水处理领域的难点问题之一。分形理论与无机纳米材料相结合，为高效、经济地解决该问题提供了一种新的可行手段。本项目以分形理论与形态学理论为指导，针对以下关键问题展开研究：探讨无机纳米材料对典型微污染物的吸附特性与助凝形态学特征,确定"分维"的最佳阈值；借助在线显微摄像与原子力显微镜等现代结构表征技术，研究絮体的分形特性，建立反映混凝与沉降特性的形态学参数（絮体粒径、沉速、有效质量密度、孔隙率等）与"分维"的关系；在"分维"的最佳阈值内，建立处理效果与投药量之间的关系模型，寻求无机纳米材料助凝作用下有效去除溶解性微污染物的条件与方法，形成新型水处理工艺与关键技术。研究该项目，可望开发利用基于无机纳米材料的高效低耗新型水处理工艺，解决水源中典型溶解性微污染物(尤其是小分子有机物)去除率低的难题，进一步提高水厂的监控与处理能力。

如何有效提高常规水处理工艺对溶解性低分子微污染物的去除率，是水处理领域的难点问题之一。项目首次将分形与形态学理论及纳米技术相结合，借助现代结构表征技术，对典型溶解性微污染物进行强化去除研究，对混凝机理、吸附特性、过滤机理、表面与结构的形态学特性与分形特征等进行了深入探讨。.主要研究成果有：（1）纳米材料能显著加快反应速度、改善颗粒与絮体的沉降性能、增强传统滤料表面的吸附截留特性，对污染物的去除率提高了1-3倍。（2）“分维D”能定量说明絮体形态学特性与分形结构的动态演变过程。当D值达最佳阈值时，絮体密实度最佳，粒度分布最集中，沉降效果最好，污染物残余浓度最低。确定了形态学参数当量粒径dST随D的变化规律，沉速v、有效质量密度ρe等与dST和D的关系。（3）纳米材料对微污染物具有选择吸附性。吸附速率符合Langergren二级速率方程。纳米材料对Zn2+、Cu2+、Cd2+的去除率高于90%，对Cr6+的去除率约80%；对SDS/SDS 与HA的助凝效果分别为60%-80% 和60%-95%，对NH3-N的助凝效果仅为20~30%。（4）纳米材料对微污染物的吸附特征满足Langmiur与Freundlich等温吸附模式。对SDS/SDBS与Zn2+、Cu2+、Cd2+的吸附模式主要满足Freundlich特征曲线，以物理吸附为主，但伴随着很强的化学吸附特性；对HA、NH3-N与Cr6+的吸附模式则更满足Langmiur特征曲线，以化学吸附为主，但伴随着很强的物理吸附特性。（5）提出了基于“分维”的水处理效果与投药量之间的理论模型框架。（6）解决了纳米材料回收困难的问题。课题组将纳米材料牢固附着在传统滤料表面，形成复杂多孔的纳米孔隙结构（孔隙大小约为20-40nm），比表面积增加了40-120倍，对金属离子的去除率可达96.5%，对其它微污染物的去除率最高可达90%。（7）本项目开发了3种新型改性滤料，获得1项发明专利、2项实用新型专利、发表论文20余篇，参加国际国内会议4次与国际合作交流2次，培养了6位研究生与2位青年教师。.研发的新型高效低耗纳米改性滤料以及建立的纳米材料助凝形态学参数与分维的关系和水处理效果与投药量及分维之间的模型，国内外尚未见诸报道。部分研究成果已经在佛山市水业集团的应急平台与中试基地进行了实验验证，效果显著，有着广泛的应用前景。