摘要
加强污水处理及回用的关键在于对水体污染物进行有效控制。絮凝法可针对性去除水体中成分复杂的多种污染物，是水污染控制中最重要的一级处理，其去除效果的优劣主要取决于絮凝剂的性能。传统絮凝剂活性位点较少，这导致其对水体中无机离子和有机大分子的去除能力非常有限。为突破这一局限性，论文以增强絮凝剂的特性吸附能力为出发点，选用天然氨基多糖高分子壳聚糖（CS）为接枝主链，以生物基来源的衣康酸（IA）为聚羧酸单体，制备出有机/有机复合型聚羧酸?壳聚糖基絮凝剂CS?g?P(AM?IA)。结合现有载体絮凝技术和磁分离技术，论文通过在乙烯基磁核表面进行接枝共聚反应，制备出无机/有机复合型聚羧酸?壳聚糖基磁性絮凝剂Mag@PIA?g?CS。分别采用一系列表征手段系统性考察这两种絮凝剂的结构性能，将其应用于多种污染水体并深入探讨其对不同污染物的去除机理。论文主要研究内容和结论如下： ① 红外光谱、核磁氢谱和X射线衍射图谱结果显示，目标絮凝剂CS?g?P(AM?IA）已成功合成。引入的聚合物分子侧链通过削弱壳聚糖主链上的氢键作用影响了接枝主链的整体结构有序性。相比CS和CS?g?PAM，CS?g?P(AM?IA）的表面结构相对不规则，存在较多的孔洞结构，且具有更大的分形维数1.329。此外，接枝产物CS?g?PAM和CS?g?P(AM?IA）的溶解性能大大提升，在pH值为2.0~12.0范围内均能溶解得较好。通过单因素实验考察了总单质量分数、CS占进料质量百分比、单体摩尔比n(AM):n(IA)、引发剂浓度、pH值和紫外光照时间六个因素对产物特性粘度和接枝效率的影响，从而得出其优化合成条件。 ② 将絮凝剂CS?g?P(AM?IA）应用于高岭土模拟废水、结晶紫（CV）染料废水和实际造纸废水的处理中。在絮凝过程中，CS?g?P(AM?IA）充分发挥了其高分子链的架桥作用和众活性基团的特性吸附作用。在剂量、pH值等优化条件下，CS?g?P(AM?IA）在高岭土悬浮颗粒和CV染料应用中均呈现出优异的去除性能，其CV 染料去除率明显优于 CS?g?PAM 且所形成的高岭土絮体粒径更大。在实际造纸废水的处理中，与CaCl2组合的CS?g?P(AM?IA）对该废水的COD去除率和浊度去除率明显优于市售CPAM，其处理后的水样上清液较为清澈。 ③ 采用溶剂热法可合成形貌规则、晶形及磁响应性能良好的 Fe3O4磁性纳米颗粒。通过乙烯基改性Fe3O4颗粒表面的接枝共聚反应，制备得到磁性复合絮凝剂Mag@PIA?g?CS。采用多种表征手段对Mag@PIA?g?CS的化学基团成分、结构和形态特征进行表征分析。红外图谱、X射线衍射图谱和热重分析结果显示，IA和CS已成功接枝在磁性产物Mag@PIA?g?CS中；Mag@PIA?g?CS保持较好的晶形 结构并具有良好的热稳定性。相比磁核Fe3O4颗粒，Mag@PIA?g?CS和Mag@CS的饱和磁化值Ms值大幅度降低，但仍具有很好的磁响应性能。此外，通过扫描电镜和透射电镜分析可知，Fe3O4 磁性纳米颗粒分散性好且尺寸相对均一，而Mag@PIA?g?CS的磁颗粒表面被一层半透明薄层有机物包裹并形成较清晰的类核?壳结构。 ④ 由于大量羧基活性基团的作用，Mag@PIA?g?CS在对重金属Ni(II)离子和阳离子孔雀石绿（MG）染料的去除研究中表现出的絮凝性能明显优于Mag@CS。Mag@PIA?g?CS 对Ni(II)离子和 MG染料分子的去除效果受水体离子强度和共存阳离子的影响较大，这在一定程度表明其相互作用过程主要通过离子交换和静电引力作用来实现。Mag@PIA?g?CS在絮凝污染物后的形貌发生明显变化，其含Ni(II)絮体的结构相对松散，而含 MG 染料絮体结构相对密实且絮体中的磁性纳米颗粒被包裹更为紧凑。两种絮体均保持良好的磁分离性能，能在外部磁场作用下完成迅速分离。采用X射线光电子能谱对Mag@PIA?g?CS及絮体进行了C 1s和N 1s峰的结合态拟合分析。在絮凝目标污染物后，C 1s和N 1s峰的各个结合态的结合能和相对成分含量比发生变化，并伴随有新峰的出现。Mag@PIA?g?CS具有良好的耐酸稳定性和再生回用性，经过五次连续的絮凝/再生循环后，絮凝剂的絮凝能力虽略有下降但仍能保持较好的去除效果。 ⑤ 将磁粉加载常规混凝剂PAC/PFS与实验室自制磁性复合絮凝剂Mag@PIA?g?CS 进行对比。在高浊有机微污染水体的处理中，Mag@PIA?g?CS 对浊度和UV254去除效果明显优于磁粉加载常规混凝剂PAC/PFS，且在较宽pH值范围内处理效果更为稳定。
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