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凹凸棒土表面改性及天然高分子复合絮凝剂的制备与效能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

水，作为生命之源，在人类的生产生活中扮演着不可或缺的角色。然而，随着全球工业化、城市化进程的加速推进，水污染问题日益严峻，已然成为制约人类社会可持续发展的关键因素之一。据相关统计数据显示，全世界每年约有4200多亿立方米的污水被排入江河湖海，这一行为导致了5.5万亿立方米的淡水遭受污染，这个数字相当于全球径流总量的14%以上。在亚洲，所有流经城市的河流均受到不同程度的污染；美国40%的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂所污染；欧洲55条河流中仅有5条水质勉强能够达到使用标准。在我国，水污染形势同样不容乐观，七大水系中部分河段水质较差，不适宜作为饮用水水源，湖泊、水库的污染问题也较为突出，部分地下水体和水源受到污染。

絮凝技术作为污水处理领域的关键技术之一，因其操作简便、成本相对较低、处理效率较高等优势，在各类污水处理场景中得到了广泛的应用。絮凝剂，作为絮凝技术的核心，能够通过一系列物理化学作用，使污水中的悬浮颗粒、胶体物质等聚集形成较大的絮体，从而实现与水的有效分离，达到净化水质的目的。传统的絮凝剂，如铝盐、铁盐等无机絮凝剂，虽然在一定程度上能够起到絮凝作用，但其存在着诸多局限性，如投加量大、产生的污泥量多、易对水体造成二次污染等。人工合成高分子絮凝剂，如聚丙烯酰胺等，虽然絮凝效果较好，但存在着生物降解性差的问题，长期使用可能会对环境造成潜在危害。

凹凸棒土，作为一种具有独特层链状晶体结构和纤维状、棒状晶体形态的天然含水富镁铝硅酸盐矿物，因其储量丰富、价格低廉、比表面积大、吸附性能优良等特点，在污水处理领域展现出了巨大的应用潜力。然而，天然凹凸棒土由于其表面性质和结构的限制，在单独使用时絮凝效果并不理想。将凹凸棒土与天然高分子材料复合，制备凹凸棒土基复合絮凝剂，能够充分发挥凹凸棒土和天然高分子材料的各自优势，实现二者性能的互补。天然高分子材料，如淀粉、壳聚糖等，具有生物降解性好、无毒无害等优点，与凹凸棒土复合后，不仅能够提高絮凝剂的絮凝性能，还能够降低对环境的影响，符合绿色化学和可持续发展的理念。研究凹凸棒土基复合絮凝剂，对于解决当前水污染问题、推动污水处理技术的发展具有重要的现实意义，有望为实现水资源的可持续利用提供新的技术手段和解决方案。

1.2国内外研究现状

在凹凸棒土表面改性方面，国内外学者已进行了大量研究。物理改性方法如热处理、机械研磨，能够改变凹凸棒土的颗粒大小和表面结构，进而影响其吸附性能。化学改性则更为多样，酸碱处理通过改变表面酸碱度，增加其表面活性位点；氧化还原处理可调整表面的化学组成和电荷分布；阳离子表面活性剂和硅烷偶联剂协同改性，利用二者与凹凸棒土表面不同的作用方式，提高其与有机体系的相容性。生物改性方法利用微生物的代谢活动，在凹凸棒土表面引入特殊的生物活性基团，提升其性能，但目前该方法的研究和应用相对较少。

天然高分子复合絮凝剂的合成与应用研究也取得了显著进展。在合成方面，通过化学接枝、交联等反应，将天然高分子与其他功能性物质结合，制备出具有不同性能的复合絮凝剂。如将壳聚糖与金属离子络合，增强其对特定污染物的去除能力。在应用领域，天然高分子复合絮凝剂在处理印染废水、含油废水、重金属废水等方面展现出良好的效果，能够有效去除水中的有机物、悬浮物、重金属离子等污染物。

尽管已有研究取得了一定成果，但仍存在不足。部分改性方法成本较高或工艺复杂，限制了其大规模应用；复合絮凝剂的性能稳定性有待进一步提高，在不同水质条件下的适应性还需深入研究；对于复合絮凝剂的作用机理，虽然提出了吸附架桥、电中和等理论，但在微观层面的认识还不够深入，缺乏系统的理论体系。本研究将针对这些问题，开展深入研究，旨在开发出高效、低成本、环境友好的凹凸棒土基复合絮凝剂。

1.3研究内容与方法

本研究将围绕凹凸棒土的表面改性及其天然高分子复合絮凝剂的合成与应用展开。首先，对凹凸棒土进行表面改性研究，采用多种化学方法，如酸处理、碱处理、氧化处理等，探究不同改性方法对凹凸棒土表面化学性质和微观结构的影响。通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等分析手段，对改性后的凹凸棒土进行表征，深入了解其结构变化与性能提升之间的关系。

其次，进行天然高分子复合絮凝剂的合成。选用合适的天然高分子材料，如淀粉、壳聚糖等，通过化学接枝、交联等反应，将其与改性后的凹凸棒土复合，制备出具有不同结构和性能的复合絮凝剂。对合成的复合絮凝剂进行物化性质表征，包括分子量、电荷密度、稳定性等，为后续的应用研究提供基础数据。

再者，开展复合絮凝剂的应用性能研究。以人造及自然废水作为实验对象，考察复合絮凝剂在不同水质条件下对污染物的去除效果，包括