铝聚合形态的色谱分离-FTIR联用分析及其界面化学作用机制研究

Hydroxyl aluminum polymers are polynuclear hydroxyl complexes composed of aluminum, oxygen, hydroxyl and structural water molecules with different polymerization degree usually formed in the forced hydrolysis process of aluminum salt. As preformed metastable intermediates during the hydrolysis, polymerization, condensation and precipitation reaction of aluminum, the distribution, transformation and their chemical characteristics of hydroxyl polymeric aluminum species at the interface are fundamental scientific issues in both the aluminum solution and coagulation chemistry in water treatment as well. This project is aimed at the molecular structure identification by the ATR spectra for aqueous aluminum polymeric species after LC separation using the coupling technique of HPLC with ATR accessory in the FTIR instrument. By the combination of multiple instrumental techniques as the ESI-TOF-MS for Molecular Weight (MW) distribution information, AFM Fluid imaging for in-situ morphological characterization of microflocs in the coagulation process as well, an in-depth investigation into the behaviour and interaction mechanism of hydroxyl aluminum polymers in the adsorptive flocculation process at micro-interface are made, which will lay a methodological foundation for the theoretical development of Al solution and coagulation chemistry.

羟基聚合铝是铝盐强制水解过程中形成的一类由铝、氧和羟基以及结构水分子组成的不同聚合度铝的多核羟基络合物。作为铝的水解、聚合、缩合以及沉淀反应过程中生成的预聚合介稳形态中间产物, 其形态分布与转化以及界面化学反应特征研究, 历来是铝溶液化学以及混凝水处理化学中的基础科学问题。利用液相色谱与傅立叶红外光谱联用技术，将形态分离与ATR原位界面化学表征有机结合，进行铝聚合形态的红外分子结构鉴定；通过电喷雾飞行时间质谱分析，获得其分子量分布信息；以混凝实验验证和AFM液池微观形貌观测，研究其吸附絮凝过程中的界面化学行为与作用机理，从而为铝溶液化学及聚合铝混凝化学理论的发展奠定方法学基础。

铝的水解、聚合形态的形成、分布及其界面反应转化规律与作用机理的研究，是铝溶液化学以及胶体与界面化学的基础科学问题，特别是一些尺度在纳米量级、带有较高正电荷，呈核环“笼状（Keggin-like）” 结构的Al13纳米团簇及近年来发现的更大尺度Al30分子团簇，以及呈“核链（Core-links）”类龟式结构的平面M-Al13分子等预聚合羟基聚合铝介稳优势作用形态的分离、鉴定与结构性能表征的絮凝形态学研究，也已成为混凝水处理化学和现代无机高分子暨纳米絮凝剂研制开发与生产的理论基础，并以吸附絮凝和直接过滤工艺应用与膜处理技术结合，成为第三代水处理工艺追求的目标与重要内容。该类聚合纳米氢氧化铝大分子团簇研究与表征，在化学化工、混凝水处理、土壤粘土矿物、催化材料以及环境地球化学等领域具有广泛的应用和重要科学意义。. 本项目围绕“不同羟基铝聚合形态的形成、分布、界面化学行为与形态转化作用机制观测研究与表征”总体目标，利用高效液相色谱、离子交换色谱、傅里叶变换-显微红外光谱、27Al NMR以及Pulse NMR T2弛豫时间表征等多种技术手段，对慢速滴碱、铝盐-金属酸溶、铝盐-尿素均相加热水解聚合以及NaAlO2二次滴加合成等方法制备的系列羟基聚合铝溶液进行了综合观测研究与表征，获得了若干系列结果数据。以液相色谱、离子色谱对羟基铝形态组分的分离及淋洗条件进行了系统实验研究，并结合石墨炉原子吸收光谱对其色谱分离组分馏分进行了收集和测定，优化了高有机溶剂组分样品中铝的分析测定方法，并对HPLC-ICPMS联用分析羟基铝聚合形态进行了初步探索。以HPLC-FTIR联用分析接口实验装置研制为基础，对BPA等五种雌激素污染物进行了水环境样品模拟富集分离-红外光谱联用检测实验方法验证，取得了较好效果。