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随着全球范围内酸沉降问题的日趋严重和工业酸性废水排放量的增大以及聚合铝混凝剂的广泛使用，使得水体中的可溶态铝含量大量增加，并在水体中以及水和颗粒物界面上发生聚合、絮凝、沉降以及络合、吸附和电中和等物理化学反应，严重影响着其它元素的生物地球化学循环和其它污染物的迁移和归趋。可溶铝形态及其生态环境效应的研究已经成为环境、化学、生物、地球科学等相关交叉学科理论研究的前沿热点课题。
人们对进入水系中铝的水解和聚合作用及其产物的研究已经进行了一个世纪，目前研究的重点主要集中于铝的水解聚合反应机理、形态转化、热力学稳态条件和铝的生态毒理效应等四个方面。但由于天然体系的复杂性、铝形态的多样性以及动力学和热力学数据的缺乏，使得这些问题目前仍难以定论，特别是对铝盐在溶液中进行“水解一聚合—胶凝—沉淀—晶化”这一系列转化过程中的反应机理、化学形态变化、胶态中间产物的争论甚多而难以统一。而这些方面是研究环境和生物体系中铝的毒性、生物有效性、传输机理和天然水体自净机理的关键，也是发展高效絮凝剂的重要理论基础。为此，本文首先综述了可溶态铝在水体及水和土壤矿物界面上的物理化学行为、水解聚合机理、形态转化过程及其测试技术的研究进展，分析了各种因素如粘土矿物的种类、OH/Al摩尔比、各种配体离子以及实验条件等对铝形态变化的影响规律。
Al-Ferron逐时络合分光光度法是广泛用来表征聚合铝溶液中水解聚合形态分布特征及其转化规律的基本方法。但在具体操作过程中，由于Ala、Alb和Alc三种铝形态时间界限划分的随意性和武断性，使得许多实验结果难以重复。造成这种差别的原因主要是因为这三种铝形态的具体组分与Ferron反应时具有不同的反应机理和动力学，同时也由于不同OH/Al摩尔比的Alb具体形态与Ferron反应时动力学反应速率之间存有差异。本文应用ExpAssoc分布对Al-Ferron逐时络合动力学曲线进行了定量模拟，用外推法求得了难以获取的lmin单核铝测定值Ala，以实验曲线达到水平平台作为Alb和Alc的时间界限，用微波消解快速测定技术测定了聚合铝中总铝AlT浓度。借助于这些方法，我们可以方便地定量计算单核铝Ala、聚合铝Alb和凝胶Alc含量，从而为克服以往测定三种铝形态的随意性、武断性以及Ala和Alb的重叠计算等问题提供了一种新方法。
通过对中等滴碱速度下强制铝盐水解聚合过程中的电位滴定曲线分析，我们创新性地提出了临界点的概念。临界点是铝盐水解聚合电位滴定曲线的特征点，它与实验条件有关，临界点的变化反映了实验条件对铝盐水解聚合过程和羟基铝形态转化的影响。按照OH/Al摩尔比的大小，利用铝盐水解聚合电位滴定曲线的三个临界特征点，可以将铝的形态变化定量地划分为四个区：即水解单核铝区(包括Al3+和单核铝Ala)；低/中聚合铝区(主要包括Al2～Al12形态)；高聚合铝和溶胶/凝胶区(主要包括A113～Al54形态和Alc即Al(OH)3形态)；溶胶/凝胶溶解成Al(OH)-4单核区，从而为研究铝的水解聚合过程提供了定量基础。本文同时考察了铝浓度、温度、卤素离子、硅酸根、有机酸根等多种因素对铝溶液碱滴定pH～n曲线及其划分铝形态临界点的影响，探讨了这些因素对铝盐水解聚合过程及其形态转化的影响规律，为研究铝的水解聚合过程提供了一种新思路。
关于铝水解聚合反应的机理，目前存在着两种针锋相对的理论模型，即“核连模型(Core-linksmodel)”和“笼状模型(Cage-likemodel又叫KegginAl13model)”(为简便起见，将核连模型的Al13简写为C-Al13，笼状模型的Al13简写为K-Al13)。这两种模型并存了50年，既促进又限制了当今水体铝化学的发展。目前，人们对铝盐在溶液中进行“水解—聚合—胶凝—沉淀—晶化”这一系列转化过程中的化学形态，特别是对其水解—聚合溶胶态中间产物的争论甚多而难以统一。文献中所报道的聚合铝形态是散乱的，用现有的核连模型和笼状模型均不能完全描述。本文通过剖析众多前人的实验结果，同时结合聚合铝传统的电位滴定技术、Al-Ferron逐时络合分光光度法等，系统地研究和讨论了聚合铝的形成机制、形态分布及其转化规律，并对铝在水溶液中的水解聚合机理和聚合铝的形态分布进行了全面归纳和总结，分析了两种模型的应用条件和适用范围，揭示了“核连模型”和“K-Al13笼状模型”之间的内在关联，提出了关于铝水解聚合反2应机理及其形态变化的“连续模型(Continuousmodel)”假说以及一些建议性思考。我们认为：
(1)在铝离子的强制水解聚合(即用碱滴定铝盐溶液)过程中，聚合铝的形态经历了由低聚(线型)→中聚(面型)→高聚(体型)的连续形态变化过程(面型连续形态是在连续碱滴定的过程中产生的，而体型高聚体只能产生于陈化的部分中和的铝溶液中)。在中等滴碱速度下Al3+盐的水解聚合反应是一个形态连续变化的暂态过程，可用核连模型来描述;
(2)核连模型反映的是Al3+盐水解聚合的暂态过程，而K-Al13笼状模型反映的是Al3+盐水解聚合的亚稳态过程，暂态聚合铝在陈化过程中通过自组装形成了亚稳态的K-Al13，陈化是形成K-Al13的前提条件，升高温度和外加硫酸盐促进了这一转化过程。而慢的碱中和过程以及缓和的反应气氛会使铝的聚合产物更稳定，有利于K-Al13的自组装生成；
(3)核连模型和K-Al13笼状模型两者在本质上是统一的。它们分别反映了Al3+盐水解聚合过程中由“Al3+→核连形态(暂态)→K-Al13(亚稳态，溶胶)→Al(OH)3(亚稳态，无定形凝胶)→Al(OH)3(稳态，晶形沉淀)”这一条形态链全过程的不同阶段。这一现象说明核连聚合铝形态(以C-Al139+为代表)和Keggin笼状Al13(以K-Al137+为代表)之间存在着必然的内在联系。这种联系可用C-Al139+→K-Al137+来概括，它是一个不可逆的自组装过程;
(4)暂态聚合铝陈化一定时间后，聚合铝浓度基本上可以用27Al-NMR所测定的K-Al13浓度来代替，即Alb(光度法)≈Al137+(27Al-NMR，OH/Al=1.0～2.8)，这使K-Al13的存在得到普遍承认。但K-Al13结构模型尚不能说明溶液中聚合铝形态生成和转化的完整过程，因为27Al-NMR没有检测到的聚合铝型体虽然是不稳定的，但并不等于它们不存在。两个模型的对立也就主要表现于此;
(5)造成诸多争论甚至矛盾的原因除了实验条件的差异之外，就是因为各人所测试的样品分别处于这条形态链的不同阶段。利用我们提出的“连续模型”和实验条件综合参数——“碱中和流量φ”的概念，可以将核连模型和笼状模型有机地统一起来，从而全面地解释用OH-滴定Al3+溶液的水解聚合全过程。本文同时讨论了暂态聚合铝的结构和形态变化过程，以及形成K-Al13的前驱体问题。认为[Al(OH)3]n0在陈化过程中的表面羟基化物也可以是形成Al13的前驱体，这是对局部过碱条件下Al(OH)4-作为Al13的前驱体这一观点的合理补充和拓展。
基于热力学平衡计算，用计算机模拟研究了与Jurbanite固相平衡的酸性土壤溶液中各种无机铝形态、有机铝形态、聚合铝形态随水溶液pH变化的关系，用文献提供的实际水样数据作为输入数据，比较了与可能存在的固相矿物如Jurbanite、Basaluminite、Alunite和Gibbsite相平衡的几种土壤溶液中的铝形态变化规律。在矿相Jurbanite存在的条件下，由模型预知，SO42-对铝的形态分布和总铝浓度有显著影响，而在所研究的pH范围内有机铝络合物和氟络合物的浓度相对较小。模型同时被用于文献中的与Jurbanite固相平衡的土壤溶液中铝形态的计算，预测其浓度大小依次为总可溶性铝、无机铝、有机铝。模型结果表明，Jurbanite受酸沉降影响溶解后将显著地影响土壤溶液铝化学。