科学研究

成果介绍

近日，南昌大学资源与环境学院教授、鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室副主任谢显传研究团队在Separation and Purification Technology（中科院一区，影响因子8.1）上发表了题为“Simple synthesis and excellent coagulation performance of a novel red soil based coagulant”的研究论文(DOI:10.1016/j.seppur.2024.130846)。中国南方地区的湖泊富营养化对当地水环境生态系统和人类健康安全构成重大挑战。同时，降雨还会导致大量城市污水溢流，从而加重湖泊水库中的污染负荷。混凝沉淀法具有成本低，操作简便，可以去除悬浮颗粒、有机物、有害藻类等多种污染物的优点，是水处理工艺中最常用的方法之一。天然粘土因其具有环境友好型的特点而被广泛研究。我国华南红壤地区具有降雨频繁、降雨量大等特点，大量的颗粒物、营养元素通过地表径流进入河流、湖泊等受纳水体，易造成水环境面源污染。若采用当地的红壤为原材料制备混凝剂用于治理有害藻类、降雨导致初期雨水及雨季溢流污染，一方面可以降低运输成本，另一方面可以避免重金属二次污染的风险。因此，本研究的重点在于采用当地红壤合成低成本、高效率无机聚硅酸铝铁混凝剂RSC，用于治理当地存在的水环境污染及藻类的应急处理。该方法为解决我国南方当地存在的污染治理问题开辟了一条有前景的经济高效的途径。

引言

聚硅酸盐混凝剂因其处理效果好、低成本、低残留等优点，具有优异的吸附电荷中和与吸附架桥能力，而被广泛应用于各类废水处理当中，已成为无机高分子絮凝剂研究领域的热点。近年来，天然粘土具有环境友好的特点而受到关注，用于制备聚硅酸盐混凝剂。红壤中含有丰富的SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，是制备聚硅酸盐絮凝剂重要成分。基于上述背景，本研究旨在以红壤为原材料，通过高温焙烧活化，酸浸法提取硅及有价金属，聚合反应来制备无机高分子聚硅酸铝铁絮凝剂(RSC)。系统研究了RSC的制备条件及其结构与絮凝性能之间的影响关系，并探讨了混凝机制。同时与市售混凝剂PAC、PFC进行对比，全面地评价了RSC对实际水体中HA、浊度、铜绿微囊藻、TP等多种污染物的絮凝性能。

图文导读

1.合成路线

RSC是通过高温焙烧活化、酸浸、聚合进行合成，主要步骤为：将红壤与助溶剂进行高温焙烧活化以破坏其内部稳定结构，采用HCl酸浸提取活化产物中的硅及铝、铁金属元素，通过缓慢滴加NaOH促使溶液中的硅元素与金属离子发生水解、共聚合反应合成 RSC。

Fig. 1. Flow diagram of the RSC preparation process.

2.性能测试

RSC的性能测试实验证明，随着投加量的增加，三类混凝剂对UV₂₅₄去除率缓慢增加，RSC在5mg/L投加量时已达到最佳去除率96.25%，而PAC达到最佳去除率(95.75%)时投加量为7mg/L、PFC(95.71%)为10mg/L，可知RSC在低于PAC、PFC投加量的情况下，也能获得优异的混凝效果。对于Kaolin模拟废水，RSC也具有优异的除浊效果。在HA-Kaolin二元模拟水体中，RSC对浊度和UV₂₅₄的去除率分别可达99.83%、93.30%，去除效率高于PFC。随着投加量的增加，RSC的Zeta电位迅速增加，在5mg/L投加量时为等电位。

Fig.2. Coagulation performance of RSC, PAC, and PFC at different dosages in 20 mg/L HA simulated wastewater (a), 0.2 g/L Kaolin simulated wastewater (b), HA-Kaolin simulated wastewater (c), zeta potential (d), room temperature: 25°C, initial pH: 7.0.

废水的pH值对其混凝性能也有着重要的影响，在pH为5~9时，RSC显示出优异的UV₂₅₄、浊度去除率。当pH 为7时，其浊度和UV₂₅₄去除率最高，分别为99.89% 和95.32%。在相同条件下，混凝性能优于PAC(99.20%、94.96%)和PFC（99.20%、92.33%）。相比于PAC在弱碱性环境中保持良好的混凝性能，RSC可在典型的pH范围（5~9）内保持较强的混凝性能，表明其广泛适用性，而在HA-Kaolin二元模拟水混凝实验中也观察到了类似的结果。在不同pH范围内RSC的Zeta电位相比于其他两种混凝剂更靠近零电位，而在pH:7时，其Zeta电位几乎为0，表明了电荷中和为混凝过程中的主要机制。

Fig. 3. Effects of RSC, PAC, and PFC on the coagulation performance of simulated waters with different initial pH values: 20 mg/L HA simulated wastewater (a), 0.2 g/L Kaolin simulated wastewater (b), 20 mg/L HA-0.2 g/L Kaolin simulated wastewater (c), zeta potential (d), room temperature: 25°C, dosage: 5 mg/L.

3.混凝机理

絮体的粒径、强度及再稳定能力对固液分离过程有着重要影响。本研究对整个混凝过程中的絮凝粒径(d50)进行了动态监测。在第一生长阶段时，PFC、RSC及PAC产生的最大絮体尺寸分别可达249µm、187µm、179µm。当引入高的剪切力后，三种絮凝体尺寸立即减小。当引入慢剪切力后，絮凝体重新生长，待絮凝体重新稳定后RSC产生的絮体粒径高于其他絮体，其Sf值远高于PFC、PAC, 表明RSC形成的絮体聚合程度最高，对剪切力的抵抗力更强，絮体强度也更高。由各类絮体的Rf值的大小可知，RSC产生的絮体具有优良的恢复能力。其Df值最大，也进一步表明RSC的絮体结构最为致密。经过破碎后，三类混凝剂的Df均有所增大，为絮体再生提供了良好条件，但絮体粒径都未恢复到生长阶段时的尺寸，分形维数也没有恢复到絮体破碎前的水平，这表明RSC的混凝机理并非单纯的电荷中和而是也存在着吸附架桥及网捕絮凝作用。

Fig. 4. Characteristics of flocs during the growth, breakage, and regrowth stages of RSC, PAC, and PFC in terms of floc size (d₅₀) (a), floc growth rate (b), S_f and R_f (c), D_f (d).

4.实际水体应用

为了研究RSC对实际废水的絮凝效果，将其用于处理雨季溢流污水、富营养化湖泊水。经过RSC絮凝后，废水中的TP浓度均低于中国地表水水质标准（GB3838-2002）中的II类标准（TP ≤ 0.1mg/L），有助于减少水体富营养化引起的藻类爆发造成的危害。RSC对总氮的去除率为43.65%，混凝效果优于PAC，PFC，有害藻类几乎完全被去除，同时大大降低了水体浊度，RSC对UV₂₅₄的去除率均高于PAC、PFC。这表明RSC具有优异的混凝性能及适用性。

Fig. 5. Coagulation performance of RSC, PAC, PFC on rainy overflow wastewater (a), Algae-laden water (b) (dosage: 5 mg/L, pH=7)

结论

RSC是一种高效、多功能的混凝剂，在弱酸性和弱碱性pH范围内，仍然表现出良好的适用性，针对实际水体中浊度、UV254、铜绿微囊藻、TP有着优异的混凝性能，其混凝效果优于PAC、PFC，具有较高的应用潜力，对中国南方红壤地区季节性水体富营养化的污染治理具有重要的实用价值。