絮凝气浮过程介尺度结构的形成、作用及其定向调控

Flocculation-floatation is a typical three-phase (vapor-liquid-solid) reaction, and is used widely in the processes in the field of resource, energy, and environmental protection. Soluble complex (micro scale), coagulation nucleus (meso scale), and floc (macro scale) are the series products of the continuous space-time evolution of the interaction between flocculants, bubbles and target materials in the flocculation-floatation system. The coagulation nucleus is the only phase-transition product in this evolution, which determines the mechanism and the performance of the flocculation-floatation process. The characteristics of the coagulation nucleus are a typical mesoscopic problem, which does not meet the requirements for the theory of coordination chemistry in solution and also cannot be described using DLVO theory. How to accurately predict, control and use the coagulation nucleus is one of the breakthroughs to improve the performance and achieve the directional control of the flocculation-floatation process. This project aims at 1) investigating the structure characteristics and the formation mechanism of the coagulation nucleus in the flocculation-floatation system, and exploring the method of regulating the formation of the coagulation nucleus by adjusting the structure and the properties of the flocculants and the bubbles; 2) establishing a unified model in the range covering soluble complex, coagulation nucleus, and floc, and clarifying the mutual influence law between the coagulation nucleus and the flocculation-floatation process; 3) realizing the directional control of the flocculation-floatation process by using the research results mentioned above. The applicant has made series of achievements in related area which promises the fruitful output of the project.

絮凝气浮是典型的气－液－固三相反应，广泛应用于资源、能源、环保领域过程中。“溶解性络合物（小尺度）－凝聚核（介尺度）－絮体（大尺度）”是絮凝气浮体系中絮凝剂、气泡和待分离的目标物质在时间、空间上相互作用连续演变的系列产物。凝聚核是该演变过程中唯一的相变产物，决定着絮凝气浮过程的机理和效果。其特征不符合溶液配位化学理论的应用条件，也不能用DLVO理论来描述，是典型的介观问题。如何对凝聚核进行精确预测和控制应用，是提升絮凝气浮性能和实现其定向调控的突破点之一。本项目针对指南中的科学问题（一）提出申请，拟对絮凝气浮过程凝聚核介尺度结构特征和形成机理进行研究，探索通过调节絮凝剂和气泡的结构和性质来调控凝聚核形成的方法，在“溶解性络合物－凝聚核－絮体”范围内建立统一模型，阐明凝聚核与絮凝气浮过程的相互影响规律，实现絮凝气浮反应定向调控。申请人在相关问题上有着深厚的前期研究基础。

絮凝去除溶解性物质过程中，凝聚核是溶解性络合物（小尺度）和絮体（大尺度）之间的介尺度结构，其决定了絮凝过程的效果与机理。如何对凝聚核进行精确预测和控制应用，是提升絮凝性能和实现其定向调控的突破点。本项目以"溶解性络合物（小尺度）－凝聚核（介尺度）－絮体（大尺度）"的时空尺度为研究范围，系统探究了絮凝过程介尺度凝聚核的识别方法、形成机制与调控应用。主要研究结论如下：.建立了共价键型絮凝剂在絮凝过程中凝聚核的识别与形成过程表征方法，絮体分级实验显示共价键型絮凝剂去除小分子污染物的过程中形成了凝聚核；絮凝zeta电位变化表明絮凝剂正电荷的有效性是衡量凝聚核形成的重要标准，常规絮凝剂无效正电荷易与溶解性污染物形成溶解性络合物而不能形成凝聚核；实时可视化荧光显微技术显示共价键型絮凝剂无机组分发挥相变的功能，有机组分发挥吸附污染物的功能，两者协同作用实现了溶解性污染物高效去除。.在分子层面上对介尺度结构形成机理进行了探究，发现凝聚核的形成首先依赖于絮凝剂对污染物的去水合作用；静电吸附和疏水吸附为凝聚核形成过程中絮凝剂与污染物的主要作用方式，可有效降低了体系的结合能；两种作用方式的比例因小分子物质结构和性质不同而不同，无机小分子以静电吸附为主，而有机小分子同时包含以上两种作用方式。.通过开发新型絮凝剂实现了对其凝聚核的定向调控。以酸碱控制的自组装方法合成了纳米胶束絮凝剂，显著提高了其水中的稳定性和絮凝效能，大幅拓宽了其污染物去除范围。新型絮凝剂可广谱去除水体中多种常规絮凝剂不能去除的小分子无机（如硝氮）及有机污染物（POPs、PPCPs、EDCs等），可高效去除实际污水具有NxOx, S1O3 和S1O5～S1O7分子结构的有毒含氮含硫化合物。本项目系统建立了介尺度凝聚核识别方法与定向调控体系，研究成果对多功能型絮凝剂开发、废水深度处理和回用、水质安全保障具有重要指导意义。