近日，濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院趙艷俠教授課題組在環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Water Research》上發(fā)表了題為“Development and evaluation of a sulfate precipitation method for separating key flocculated-species from titanium-based flocculant”的學(xué)術(shù)論文。2022級(jí)碩士研究生侯明倩為第一作者，導(dǎo)師趙艷俠教授為該論文的通訊作者。

圖1  硫酸鹽沉淀法分離主要絮凝物種的流程、機(jī)理機(jī)制及混凝效果

在水處理領(lǐng)域，鈦基絮凝劑因其優(yōu)異的混凝效果和強(qiáng)大的污染物去除能力，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。然而，鈦基絮凝劑中優(yōu)勢(shì)絮凝物種的分離與純化，依舊是制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。為了解決這一難題，本研究提出了一種創(chuàng)新的硫酸鹽沉淀法，對(duì)慢速滴堿法制備了富含優(yōu)勢(shì)絮凝物種的聚合氯化鈦（PTC）投加不同[SO?2?]/[Ti??]摩爾比的硫酸鈉，在[SO?2?]/[Ti??]摩爾比為8:1時(shí)，通過(guò)取代反應(yīng)與重聚反應(yīng)成功分離了富含大中型氯基與硫酸根基鈦水解物種的優(yōu)勢(shì)絮凝物種PTC-S8，顯著提升了其水處理效果。通過(guò)電噴霧電離飛行時(shí)間質(zhì)譜（ESI-TOF-MS）、Ti-Ferron和ICP-MS等技術(shù)，印證了上述觀(guān)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽在這一過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，既促進(jìn)了氯基鈦水解物種的重聚，也可能通過(guò)置換反應(yīng)形成硫酸根基的鈦水解產(chǎn)物。這一過(guò)程為后續(xù)的絮凝劑性能提升奠定了基礎(chǔ)。

圖2  混凝效果圖與絮體動(dòng)力學(xué)

通過(guò)硫酸鹽沉淀法分離出來(lái)的PTC-S8，表現(xiàn)出了優(yōu)異的混凝性能。在黃河水濟(jì)南段的混凝實(shí)驗(yàn)中，PTC-S8的有機(jī)物去除效率比傳統(tǒng)PTC高出約20%。尤其是在低投加劑量下（5–30 mg/L），PTC-S8顯著提高了UV254的去除率。該效果的提升主要是因?yàn)榉蛛x出的鈦水解物種的較大聚合度，增強(qiáng)了其電中和能力，能更有效去除水中的有機(jī)污染物。此外，PTC-S8所產(chǎn)生的絮體較大，且具有較低的分形維數(shù)，表明絮體結(jié)構(gòu)松散，縮短了沉降時(shí)間，進(jìn)一步提升了水處理效率。經(jīng)過(guò)剪切力處理后，PTC-S8處理的絮體還展現(xiàn)出更高的恢復(fù)能力。

本研究的結(jié)果通過(guò)創(chuàng)新的硫酸鹽沉淀法成功分離了鈦基絮凝劑中的優(yōu)勢(shì)絮凝物種，顯著提升了絮凝劑的純度與混凝效果。這一研究不僅為鈦基絮凝劑的優(yōu)化和應(yīng)用提供了重要的理論支持，還為水處理、環(huán)境污染治理以及相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了寶貴的參考價(jià)值。本研究受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金、山東省泰山學(xué)者青年專(zhuān)家計(jì)劃和山東省優(yōu)秀青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的資助。

論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424017536

撰稿：侯明倩    編輯：張雅靜    編審：張偉