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混凝可有效去除水中的悬浮颗粒和部分溶解性物质,降低水体浊度,具有高效、低成本且操作简单等优点。混凝工艺的最终性能,很大程度上取决于所使用的混凝剂。常用的混凝剂主要包括无机混凝剂和有机絮凝剂两大类。这些混凝剂具有性能好、性价比高等优势而被广泛使用。然而这些常用的混凝剂同时也存在一些缺点,如残留在水中的金属离子、有机合成絮凝剂的单体,会带来一定的健康安全隐患。天然高分子混凝剂具有绿色高效等优点,已受到人们的广泛重视,具有广阔的应用前景,因此研发以天然高分子为基材的绿色混凝剂具有重要意义。材料的分子结构决定其实际应用性能。然而基于混凝剂分子结构特征与性能之间构效关系的研究还很不足,大多停留在定性描述。对于结构层次更为复杂的有机高分子材料(包括天然高分子)其研究就更为有限。合理建立混凝剂分子结构与性能之间的构效关系,对于揭示混凝剂处理不同水体的净化特性和机理,以及进一步指导新型高效混凝剂的研发均具有重要意义。本论文以一种来源广泛、价格低廉、性能优良的天然高分子淀粉为主要基材,采用接枝改性的方法,制备了一系列具有不同电荷密度、接枝链长度的改性淀粉混凝剂(淀粉接枝共聚丙烯酰胺-聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,St-G)。首先以高岭土悬浊液和腐植酸钠水溶液为模拟水样,详细考察St-G不同分子结构特征对其混凝性能的影响,建立了 St-G分子结构与混凝净化效率之间的构效关系及理论模型,该模型较好地解释了 St-G不同电荷密度和接枝链长度对其混凝性能的影响,并能够有效预测其最佳投加量。在此基础上,针对低浊度微污染真实水体浊度难以有效降低的问题,筛选出一种结构最优的St-G,并与传统无机混凝剂聚合氯化铝(PACl)复合使用,详细考察了其协同强化混凝作用,并通过颗粒粒径变化分析详细考察了其协同强化混凝机制。该强化混凝能够有效降低浊度,但对水体中溶解性有机物去除性能一般。为此在St-G/PACl强化混凝基础上,进一步与强碱性阴离子交换磁性树脂(MIER)吸附技术组合。该组合工艺不仅能够有效去除浊度,还大大降低了水体中溶解性有机物含量。采用响应曲面法优化了该组合工艺,同时对该组合工艺的协同净化机制进行了探讨。本论文具体工作可分为以下三个方面:(1)以淀粉为主要基材,丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为共聚单体,采用接枝共聚方法,改变AM、DMC的投加量,制备了一系列不同电荷密度、不同接枝链长度的接枝共聚改性淀粉混凝剂St-G。在中性pH条件下,以高岭土悬浊液和腐植酸钠水溶液为模拟水样,分别模拟水体中无机悬浮颗粒和溶解性有机污染物。系统地考察了具有不同分子结构的St-G对高岭土悬浊液和腐植酸钠水溶液的混凝净化性能;详细讨论了电荷密度、接枝链长度对其混凝性能的影响,同时对其混凝机理进行了深入探讨。研究发现:在St-G不足量时,不同结构的St-G混凝剂在处理上述两种模拟水样时,其混凝性能均随St-G电荷密度增加而增强,该St-G的主要混凝机理为吸附电中和。在St-G过量时,两种模拟水样均出现不同程度的再稳定现象,并表现出对St-G接枝链长度具有不同的依赖特性。接枝链较长、电荷密度较低的St-G对高岭土悬浊液具有较为明显的再稳定作用。而接枝链较短、电荷密度较高的St-G对腐植酸钠水溶液具有较为明显的再稳定作用。进一步采用二次多项式方程,就不同分子结构St-G的混凝性能对其投加量依赖性进行数学建模,发现模型理论计算值与实际值符合程度较高,误差在±6%以内。该二次多项式导数方程可进一步预测St-G的最佳投加量。本论文通过该模型半定量地建立了 St-G分子结构与其混凝性能之间的构效关系,为天然高分子混凝剂的分子设计工作提供了一定的指导参考作用。(2)在上述工作基础上,针对低浊度微污染真实水体,采用一种结构优化的St-G,并与PACl组合使用。详细考察了不同组合工艺,对St-G与PACl协同强化混凝作用的影响。研究发现:St-G先于PACl投加,相比分别单独投加、先投加PACl后投加St-G,具有最好的去浊净化效果。通过混凝过程中悬浮颗粒粒径分析研究发现,St-G由于具有较高的电荷密度、高分子长链结构、电荷分布不均的特性,对水中粒径较小的物质能够优先结合凝聚形成中等尺度的初级絮体;而PACl由于其电荷密度较低、分子量小、电荷分布均一,易于与水中粒径较大的物质优先结合凝聚。由于二者混凝特性不同,所以在组合使用上,先投加少量的St-G,先有效去除粒径较小的颗粒形成中等大小的初级絮体;后面投加的PACl,可进一步有效去除粒径较大的初级絮体和颗粒,从而达到协同强化混凝。该强化混凝工艺,与传统的先投加无机混凝剂再投加有机高分子絮凝剂助凝工艺不同。这与St-G较高的电荷密度、高分子长链结构、电荷分布不均等结构特性有关。(3)上述St-G/PACl强化混凝能有效降低浊度,但对水体中溶解性有机物去除效率一般。为了能够同时有效去除低浊度微污染真实水体的浊度和溶解性有机物,在上述St-G/PACl强化混凝基础上与强碱性阴离子交换磁性树脂MIER吸附技术联用,并对其联用机制进行了探讨。研究发现:浊度的去除主要依赖于St-G/PACl强化混凝,而溶解性有机污染物的去除主要依赖于MIER树脂吸附。进一步采用响应曲面法对该组合工艺进行优化,获得各种药剂的最佳投加量,PACl和MIER的用量均有效降低,同时出水水质较好。综上,本论文研发并优化了一种接枝型改性淀粉混凝剂St-G,探明了其分子结构与混凝性能之间的构效关系,并建立了合理的构效关系模型;针对低浊度微污染真实水体,研究了 St-G/PACl强化混凝机制,并结合MIER树脂吸附,探讨了该工艺的组合机制并进行优化,能够同时有效去除浊度和溶解性有机污染物。为改性天然高分子混凝剂的研发和推广应用提供一定的理论依据和技术指导。绿色高效的天然高分子混凝剂必将有广阔的应用前景。