水处理剂的开发与应用是提高水污染控制技术的一个重要手段,可有效增强对水体多种污染的去除效果,提高出水质量。絮凝剂作为水处理剂领域中重要的一部分,开发高效、安全环保的新型絮凝剂成为研究的热点。针对天然生物絮凝剂存在的活性官能团少、水溶性差和絮凝效果不理想的问题,论文选取天然多糖类材料壳聚糖（CS）为接枝主链,旨在提高絮凝剂的可生物降解性;选取丙烯酰胺（AM）和两亲型单体丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵（AO）为接枝侧链,旨在增加絮凝剂活性位点数目、改善CS的溶解特性、提高天然接枝絮凝剂的絮凝效果。基于上述构思,论文通过紫外光引发方式合成了絮凝增强型壳聚糖基高分子接枝共聚物CS-g-P（AM-AO）。AO分子结构中亲水型阳离子季铵基团与疏水型苄基基团增强了接枝共聚物的表面活性和疏水缔合效应。在接枝共聚过程中,两亲特性有助于接枝侧链中形成功能型单体AO的微嵌段分布,从而增强CS-g-P（AM-AO）的絮凝性能。在此基础上,结合新型的磁分离技术,合成了核壳型磁性壳聚糖基接枝共聚物Mag@CS-g-PAO,旨在提高磁性天然接枝絮凝剂对有机染料分子的特性吸附能力。论文通过一系列的表征方法系统探究了两种接枝共聚物的结构特点,并将其应用于污泥脱水和染料废水处理,进一步系统探究了其对污染物的去除机制。论文具体研究内容及结论如下:（1）红外光谱图、核磁共振氢谱图和差热-热重结果证实了紫外光引发CS-g-P（AM-AO）的成功合成。扫描电镜结果表明CS-g-P（AM-AO）呈现更不规则,多孔状的表面结构。这种特殊的表面形貌有助于改善接枝共聚物的水溶性。在CS-g-P（AM-AO）的优化合成实验中,通过单因素实验探究了总单体摩尔浓度、引发剂摩尔浓度、单体AO与CS的摩尔比、光照时间及p H值的对接枝共聚物的特性粘度和接枝效率的影响。在此基础上,通过Box-Behnken响应面实验探究了单体AO和CS的摩尔比、引发剂摩尔浓度和光照时间对CS-g-P（AM-AO）合成过程的显著性影响和交互影响。确定了CS-g-P（AM-AO）在最佳合成条件下CS-g-P（AM-AO）的特性粘度和接枝效率分别为551.2 m L/g和78.1%。通过溶解性测试结果可知,在p H=2.0～10.0的水溶液中,CS-g-P（AM-AO）呈现出较好的水溶性,这有助于提高CS-g-P（AM-AO）的实际应用效果。（2）通过计算单体竞聚率,深入探究了CS-g-P（AM-AO）接枝共聚过程中接枝侧链的序列分布。计算得到两种单体AM和AO的竞聚率分别为0.497和1.450。结果表明接枝共聚过程中,单体AM更倾向于共聚反应,单体AO更倾向于均聚反应。序列长度分布结果表明随着表面活性单体AO投加量的增加,接枝共聚物侧链中AO序列分布变宽且长链段比例变高。由于AO单体的两亲特性,在接枝聚合反应中,AO分子之间易形成疏水微区,从而有助于单体AO在CS骨架上形成均聚侧链链段,进一步揭示了CS-g-P（AM-AO）接枝聚合机理。（3）将CS-g-P（AM-AO）与前驱体CS-g-PAM、市售阳离子絮凝剂CPAD应用于市政污泥的脱水实验。整个污泥脱水过程中,CS-g-P（AM-AO）的脱水性能优于CPAD和CS-g-PAM。CS-g-P（AM-AO）投加量为6 mg/g TSS时,污泥FCMC、SRF和CST值分别为77.98%、3.83×1011 cm/g和4.9 s。CS-g-P（AM-AO）的电中和作用和微嵌段结构的疏水缔合作用增强了其污泥脱水效果,减弱了CS-g-P（AM-AO）投加过量时的再稳定效应。此外,CS-g-P（AM-AO）的疏水缔合作用提高了S-EPS和TB-EPS组分中的PN的去除率,降低了污泥体系的粘度和可压缩性。污泥絮体形貌、沉降速率、粒径分布等结果发现CS-g-P（AM-AO）调理后的污泥絮体表面有较多空隙,形成的絮体沉降速率更快,具有更大的平均粒径,抗剪切能力更强。（4）将CS-g-P（AM-AO）应用于模拟染料废水的处理,探究了絮凝剂的投加量、初始p H值、染料初始浓度对絮凝效果的影响。结果表明:与CS、CS-g-PAM及阳离子絮凝剂CPAD相比,CS-g-P（AM-AO）的除浊脱色效果最好,而且具有良好的抗酸碱能力。Zeta电位及絮体红外光谱结果进一步证明了在CS-g-P（AM-AO）染料废水去除过程中,功能型单体AO的微嵌段结构分布,大大提高了絮凝剂功能型链段与污染物相互作用的可能性,增强了CS-g-P（AM-AO）的电中和作用及疏水缔合效应,从而改善了絮凝剂对染料分子的去除效果。（5）红外光谱图、热重分析等表征结果表明核壳型磁性壳聚糖表面成功接枝共聚物PAO,制备得到Mag@CS-g-PAO。通过磁滞曲线得到Mag@CS-g-PAO的饱和磁化强度为12.03 meu/g,在水溶液中具有良好的磁响应性能。将磁性接枝共聚物Mag@CS-g-PAOs应用于橙黄II、酸性红和酸性苋红三种高浓度偶氮染料废水的处理。实验结果表明:相同投加量下,Mag@CS-g-PAOs对橙黄II、酸性红和酸性苋红的去除率均远远优于Mag@CS,Mag@CS-g-PAO对三种染料的去除效果排序为:酸性红＞橙黄II＞酸性苋红。光学显微镜、FTIR和XPS图谱分析结果表明:Mag@CS-g-PAO的电中和作用及苄基基团与染料分子芳香基团的π-π堆积作用增强了Mag@CS-g-PAO对偶氮染料的特性吸附效果。由于Mag@CS-g-PAO的架桥能力较弱,无法形成明显的絮状体。此外,Mag@CS-g-PAO的再生回用性能良好。

常规水处理流程通常包括絮凝、沉淀、过滤和消毒四步,絮凝是其中重要一环。絮凝处理效果很大程度影响后续的处理工艺和出水水质。近年来,随着对水质要求的不断提高,水处理领域对高性能、高效率和多功能的絮凝剂的需求日益增长。絮凝剂的杀菌作用引起了众多研究者的关注,但絮凝剂的杀菌过程、杀菌机理、杀菌效果和杀菌广谱性有待深入探究。此外,絮凝后对水体中细菌种类的高效、准确识别也是论文研究的重点。论文首先研究无机混凝剂和有机絮凝剂联用在除菌过程中的协同作用。深入研究了无机、有机两种絮（混）凝剂在去除细菌过程中伴随的杀菌作用、杀菌过程和杀菌机理。并在此基础上,将超声波引发聚合体系、自组装技术用于新型具有杀菌功能絮凝剂的合成,以提高絮凝剂除菌、杀菌性能。将杀菌增强型絮凝剂和表面增强拉曼（SERS）探针相结合,创新研究出一种集多种细菌絮凝、识别和杀菌功能为一体的水处理技术。论文研究了1)传统的聚合氯化铝（PAC）无机混凝剂和聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）有机絮凝剂联用对细菌去除效果;2)进一步研究了PAC和PDMDAAC两种絮（混）凝剂在杀菌过程中各自的作用及其杀菌过程、杀菌机理;3)通过引入杆菌肽分子,借助模板聚合、超声波引发条件,提升了絮凝剂的絮凝和杀菌效果。所合成的带阳离子微嵌段结构和增强杀菌功能的新型絮凝剂B-g-PAMDAC对四种细菌（大肠杆菌、铜绿假单胞菌、芽孢蜡样杆菌和粪肠球菌）都有较好的絮凝和杀菌作用;4)通过对巯基化氧化石墨-银包金纳米复合物（GO-Au@Ag NPs）进行改性和制备优化,合成标记型SERS探针;5)通过SERS探针与B-g-PAMDAC联用,得到不同细菌在拉曼光谱中的“指纹图谱”,实现对多种细菌的絮凝、杀菌和识别作用。论文开展的主要工作和所得结论如下:（1）传统PAC和PDMDAAC联用,可对水体中高岭土及大肠杆菌有良好的絮（混）凝去除效果。在分批次投加两种絮（混）凝剂且总投加量为90 mg/L（其中PAC=20 mg/L,PDMDAAC=70 mg/L）时,可达到最大为93.2%的浊度去除率和96.1%的除菌率。水体为弱酸性（p H=6～7）时,除菌效果最好。碱性条件导致PAC过度水解,形成氢氧化铝凝胶或沉淀,降低了处理效率。论文采用等高线法计算得Z*add（联合使用两种絮（混）凝剂达到50%除菌率的有效投加量）和Z*mix（两种絮（混）凝剂纯加和作用时,所需混合絮（混）凝剂投加量的理论值）的95%置信区间分别为（19.0515,20.1511）和（17.1426,17.9774）,两区间没有重叠,说明PAC和PDMDAAC联合使用对细菌的去除效率大于分别单独投加可达到的去除效果的加和。两种絮（混）凝剂在除菌过程中为协同作用。（2）通过XPS表征分析、絮凝剂杀菌动力学、β-半乳糖苷酶的测定和细菌胞外多糖分泌实验研究了PAC和PDMDAAC絮（混）凝剂在除菌和杀菌方面所起的不同作用,进而阐释了絮（混）凝剂的杀菌过程和杀菌机理。PAC主要发挥混凝细菌的作用,细菌的聚集有助于PDMDAAC杀菌;同时PDMDAAC中的季铵基团发挥杀菌作用,且该阳离子基团具有电中和与电荷吸引能力,使小絮体聚集成大絮体,弥补PAC在架桥作用中的不足。PDMDAAC通过改变细胞膜通透性,引起细胞质泄露,干扰细菌新陈代谢从而杀死细菌。杀菌作用可分为快速吸附和缓慢杀死两个过程:快速吸附沉降只需要半小时,而彻底杀死细菌需要4 h。（3）研究清絮凝剂的杀菌官能团、杀菌过程和杀菌机理后,通过超声波引发丙烯酰胺、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和杆菌肽发生共聚反应,得到杀菌功能强化的新型B-g-PAMDAC絮凝剂。并通过自组装技术,使B-g-PAMDAC中阳离子基团以微嵌段结构分布,以提升其电中和、架桥性能。核磁共振~1H谱、差热-热重和扫描电镜的表征结果证明了B-g-PAMDAC絮凝剂的成功合成和微嵌段结构的存在。B-g-PAMDAC对四种细菌均有良好的絮凝和杀菌效果,其浊度去除率为96.2%以上,杀菌率为99.64%以上。微嵌段结构的引入使相同絮凝剂投加量条件下出水浊度降低了31 NTU,絮体沉降时间缩短了19 min。杆菌肽分子的引入使絮凝剂杀菌率增加了48%。B-g-PAMDAC与细菌接触3 h可将细菌彻底杀死。（4）通过对GO-Au@Ag NPs改性和制备优化,得到标记型SERS探针。论文采用10-9 mol/L罗丹明6G（R6G）来检测SERS探针的信号放大能力。结果表明,GO的引入可延长SERS探针的储存时间,防止SERS探针被氧化,提高SERS探针的灵敏度和稳定性。SERS探针在GO:Au@Ag NPs=30:1（m L:mg）且Au@Ag NPs壳核厚度为5 nm时得到最高的灵敏度和信号放大水平。（5）借助SERS探针中4-MPBA对细菌的捕获作用,将SERS探针投加到细菌废水中,絮凝后形成了絮凝剂/细菌/标记型SERS探针的复合结构絮体。将絮体进行拉曼光谱测试,在四种细菌浓度低至1×10~3 CFU/m L下均能检测到其明显不同的SERS光谱。大肠杆菌在545 cm-1、688 cm-1、757 cm-1、1186 cm-1和1283 cm-1处出现五个特征峰;铜绿假单胞菌的特征峰出现在1283 cm-1处;芽孢蜡样杆菌在622cm-1、1249 cm-1和1284 cm-1处出现三个特征峰;粪肠球菌在439 cm-1、622 cm-1、699 cm-1和1368 cm-1处出现四个特征峰。通过计算四种细菌特征峰的相对标准差,验证了指纹图谱的稳定性和可重复性。SERS探针与絮凝剂联用可作为水体中细菌高效去除和识别的有效方法。

水是生命之源,如何加强水污染控制、保障水质安全,是目前亟待解决的问题之一。吸附法作为一种可靠、高效的水处理技术,引起了国内外众多研究人员的关注。为了应对日益严峻和复杂的水体污染形势,开发吸附能力强,处理后易于从污水中分离,再生性能好,并且能用于去除多种污染物的多功能吸附剂是研究的热点。磁性纳米粒子由于毒性低、粒径小、比表面积大、磁响应性强,具有成为理想吸附剂的潜力。然而,它们同时具有易团聚、缺少功能基团、不稳定等缺点。有机聚合物是一类良好的功能化材料,它们拥有丰富官能团,能通过静电相互作用、氢键结合、疏水相互作用等与污染物结合,因此被广泛用于废水处理领域。但是,有机物同时也存在处理后不易与污水分离、二次污染等问题。为了充分发挥磁性纳米粒子和有机物的性能优势,需要研究简便、易操作的功能化负载方法将两者结合起来。论文以增强合成产物的吸附能力、固液分离能力、再生能力、稳定性、功能性、生物相容性为出发点,选用二氧化硅包覆的四氧化三铁纳米粒子（Fe3O4@Si O2）作为磁核,采用接枝或交联两种不同方式制备出三种有机功能化磁性复合吸附剂,并且系统研究了它们在有机染料废水、重金属离子废水中的吸附行为和机制。论文主要研究内容和结论如下:（1）为了制备出具有阳离子染料吸附能力和快速固液分离能力的吸附剂,以乙烯基改性的Fe3O4@Si O2纳米粒子作为磁核,通过热引发自由基接枝聚合将单体丙烯酸（AA）和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）接枝在其表面合成了富含阴离子基团的磁性纳米粒子Fe3O4@Si O2-MPS-g-AA-AMPS（FSMAA）。通过单因素优化设计探究了接枝共聚条件对FSMAA吸附性能的影响,并得出最佳聚合条件为:接枝单体浓度为2.0 mol/L、引发剂过硫酸铵浓度为0.9‰、接枝共聚时间为7小时。接枝聚合法制备磁性复合吸附剂过程中,AA和AMPS单体间存在自聚和共聚现象,单体利用率偏低。为了避免这一问题,探索交联法制备有机功能化磁性复合吸附剂。首先采用紫外光引发自由基聚合预先制备含有大量磺酸基的聚丙烯酰胺P（AM-AMPS）,接着以Fe3O4@Si O2纳米粒子作为磁核,通过戊二醛交联制备了磺酸基改性的聚丙烯酰胺磁性水凝胶Fe3O4@Si O2/P（AM-AMPS）（FSAA）。为了进一步提高磁性复合吸附剂重金属离子吸附能力和生物相容性,以壳聚糖为基础,以增强其吸附性能、机械强度、稳定性能、再生性能为出发点,将柔性阴离子聚丙烯酰胺接枝到刚性壳聚糖骨架上并通过交联法与Fe3O4@Si O2纳米粒子结合,制备了阴离子聚丙烯酰胺-壳聚糖磁性复合纳米粒子Fe3O4@Si O2/CS-P（AM-AMPS）（FSCAA）。（2）采用透射电镜、扫描电镜、红外光谱、X射线光电子能谱、能量散射X射线光谱、热重、X射线衍射、振动样品磁强计等多种表征手段对三种磁性复合吸附剂的形貌结构、基团成分、晶形结构、磁性性能、带电性能等进行了全面分析。结果显示,三种磁性复合吸附剂分别通过接枝法或交联法被成功合成,并且合成过程中磁核的晶形结构都没有受到破坏。FSMAA和FSCAA具有壳核结构且尺寸在纳米范围内,FSAA具有三维网状结构和良好溶胀性能。三种磁性复合吸附剂都具有良好的磁响应性能,在外部磁场作用下能快速实现固液分离。（3）选择实验室模拟亚甲基蓝（MB）废水为应用对象,考察了接枝型磁性纳米粒子FSMAA对MB的吸附行为和性能。研究发现,FSMAA的吸附容量随着p H增加而增加,随着吸附时间增加先迅速增加、再缓慢上升、最后趋于平衡,随着MB初始浓度增加先增加后保持不变。表面接枝的羧基和磺酸基越多,FSMAA表现出的吸附能力越好。FSMAA 2.0能在90 min后达到吸附平衡,其最大吸附容量为421.9 mg/g。通过吸附MB前后FSMAA的X射线光电子能谱分析,表面吸附主要通过静电相互作用、氢键结合及疏水相互作用三种作用实现。此外,由于表面二氧化硅和聚合物壳层的保护,FSMAA具有良好的酸稳定性,它能用高浓度HCl溶液再生。FSMAA在模拟实际废水中对MB的吸附能力及再生能力与在超纯水中相比几乎没有差别。（4）选择实验室模拟结晶紫（CV）废水为应用对象,考察了交联型聚丙烯酰胺基磁性水凝胶FSAA对CV的吸附行为和性能。结果显示,FSAA对CV的去除能力显著高于Fe3O4@Si O2,并且在较宽p H值范围内（p H=4.0-10.0）都保持在较高水平。FSAA的吸附动力学和等温线能分别用拟二级模型和Langmuir模型来描述。由于具有三维网状结构、良好溶胀性能及大量功能化官能团,带正电荷的染料分子能快速进入FSAA内部,并通过氢键结合、静电相互作用、疏水相互作用等与FSAA表面和内部的吸附位点结合,吸附5 min后就能达到平衡吸附容量的50%以上,20 min后则能达到平衡吸附容量的80%以上。当温度为298.15 K时,FSAA对CV的最大吸附容量为2106.37 mg/g。此外,再生实验证明FSAA具有优越的稳定性和再生能力,它能用高浓度HCl溶液有效再生,5次吸附-解吸循环中,再生率始终高于97%。由于竞争吸附的影响,FSAA在模拟实际废水中对CV的去除率略低于超纯水,但这种降低保持在可接受的范围内。（5）选择实验室模拟CV废水、MB废水、铜离子（Cu（II））废水和镍离子（Ni（II））废水为应用对象,分别考察了功能增强型壳聚糖基磁性复合纳米粒子FSCAA在一元污染物体系、二元污染物体系和模拟实际废水体系中对阳离子染料和重金属离子的吸附行为和性能。在一元体系中,FSCAA对阳离子染料表现出极强吸附能力,温度为318.15 K时它对CV和MB的最大吸附容量分别达到2330.17和1044.06mg/g,远高于报道过的其他吸附剂。此外,FSCAA对重金属离子表现出与p H无关的高吸附能力,在较宽的p H范围内（p H＞3）,它对Cu（II）的去除率均高于86%,对Ni（II）的去除率均高于75%,因此FSCAA可用于处理各种不同p H值的重金属离子废水。红外光谱和X射线光电子能谱分析表明阳离子染料在FSCAA上的吸附机理主要包括静电相互作用和氢键结合,而重金属离子在FSCAA上的吸附机理主要包括螯合效应、阳离子交换及静电相互作用。此外,再生过程对FSCAA的结构和化学性质几乎没有影响,在5次吸附-解吸循环后,仍分别有93%及90%以上的阳离子染料吸附能力及重金属离子吸附能力得以保留。在二元体系中,FSCAA具有同时吸附阳离子染料和重金属离子的能力。在Cu（II）的存在下吸附MB,吸附容量比小于1,且随着Cu（II）浓度增加而降低。在MB的存在下吸附Cu（II）,低Cu（II）浓度（10 mg/L）和高Cu（II）浓度（＞100 mg/L）时,吸附容量比接近于1。此外,在较低的溶液p H值下,MB的存在对FSCAA吸附Cu（II）的影响相对较小。在模拟实际废水体系中,FSCAA仍然表现出良好的吸附目标污染物能力和再生能力。以上这些优越的特性表明,FSCAA有望成为一种高效吸附剂,用于处理含有阳离子染料和重金属离子的实际废水。