科学家揭开絮凝机制新奥秘，为饮用水安全和污水处理提供坚实保障

当我们打开水龙头，清澈水流涌出的背后，事实上是许多科研人员和技术人员辛勤努力的成果。

在这其中，混凝技术作为守护我们饮用水的“第一道防线”，其重要性不言而喻。

但是，混凝处理也有其未解之谜和待优化空间。

一般来讲，混凝技术主要是通过混凝剂的水解，使水中的污染物与这些水解产物相互接近并发生作用，从而达到去除污染物的目的。

但在这一连串的复杂过程中，此前人们的理解主要还停留在污染物与水解产物相互接近的阶段。

而对于混凝过程的其他关键环节，比如絮凝体的生长与破碎、有机物与水解产物的微观相互作用等，还缺乏深入的了解。

这就像是看一部精彩的电影，只关注了主角与反派的高潮对决，却忽略了其心路历程与最终结局。

混凝过程同样如此，每个阶段都有其独特的意义和作用，而我们对于这些阶段的忽视，无疑限制了混凝工艺在去除天然有机物方面的性能优化。

基于这样的背景和原因，中国科学院生态环境研究中心俞文正研究员和团队开展了一项研究。

图 | 俞文正（来源：俞文正）

该课题旨在揭开混凝过程第一和第三阶段的神秘面纱，从微观的角度去观察、分析、理解这些阶段中所发生的每一个细微变化。

通过探究絮体的生长破碎过程、以及有机物与水解产物之间的相互作用，该团队想要解决的问题是：如何突破现有的混凝机制，进一步提升混凝工艺在去除天然有机物方面的效率、以及揭示其后面的深层机制。

概括来说，该团队希望通过这次研究，能够更全面、更深入地了解混凝工艺，为饮用水安全或污废水处理提供更加坚实的保障。

俞文正表示：“这项研究从课题确定到最终成功，是一个漫长且充满挑战的过程。”

2009-2010 年，作为一名访问博士生的他，来到英国伦敦大学学院。

在那里，一次偶然的实验观察引发了他的好奇心。

在进行絮体形成的实验时，他发现快速搅拌会导致在线 pH 采集数据出现波动。

后来，他获得玛丽居里国际引进学者的资助，再次前往位于英国伦敦的帝国理工学院从事科研工作。

当时，除了完成玛丽居里学者计划中的课题内容之外，他也在继续探索絮凝机制。

那时，他开始思考这种 pH 的变化，是否与絮体表面的官能团和水中的氢氧根等发生交换有关？

这个疑问成为了后续研究的起点。后来，他增大了溶液中的絮体浓度，并避免加入缓冲溶液，以确保能够真实地反映溶液中 H+ 或 OH- 浓度的变化。

同时，俞文正在前导师的帮助之下，与当时的现任导师协商一致，在帝国理工学院搭建一套实验装置，以用于实时地监测和记录各种数据。

后来，他终于观察到一些有趣的现象：在絮凝过程中，除了在加入絮凝剂的瞬间会让溶液 pH 发生突变之外，在后续的慢速搅拌过程中 pH 并不会发生变化。

然而，如果增大搅拌速率，pH 却会逐渐下降。这让俞文正兴奋不已，它证明了自己的猜想是正确的：即絮体表面的官能团，确实在与水中的氢氧根等发生交换，从而导致了 pH 的变化。

回到中国之后，他决心深入研究上述课题。俞文正让自己课题组的两名硕士生和一名直博生，分别研究了不同官能团的小分子有机物对于絮体微结晶过程的影响、以及絮体表面与代表性有机物络合的机制。

通过这些实验，课题组逐渐揭示了絮凝机制的奥秘。后来，他们确定了有机物官能团在不同结构之下吸附絮体表面的机制，为混凝理论的发展提供了新视角。

最终，相关论文以《建立用三价金属凝聚去除天然有机物的分子尺度理论》（Towards a molecular-scale theory for the removal of natural organic matter by coagulation with trivalent metals）为题发在 Nature Water[1]。

该团队的直博生刘梦洁是第一作者，耶鲁大学教授梅纳赫姆·以利米勒（Menachem Elimelech）和俞文正担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Water）

论文投稿过程中：

审稿人高度认可了该团队在揭示三价金属的命运、及其在混凝过程中与天然有机物相互作用上所进行的一系列实验。

并认为这些实验既为当前混凝机制提供了重要且有趣的补充，也在推动混凝理论的发展上做出了显著贡献。

同时，审稿人特别赞扬了课题组从官能团层面扩展了混凝理论的做法。

审稿人不仅强调了铝沉淀中 η-H2O 和 η-OH 官能团的重要性，并认为该团队揭示了天然有机物物种在混凝过程中的选择性受其官能团影响的背后机制。

（来源：Nature Water）

总的来说，这项关于混凝理论的研究有助于帮助水处理学者和工程师更全面、更深入地了解混凝工艺，能为饮用水安全和污废水处理提供更加坚实的保障。

想象一下，对于那些忙碌的污水处理厂来说，在污泥再循环的过程中，老的絮体经过多次破碎，其吸附能力大打折扣。

然而，有了这项成果的指导，工程师们可以巧妙利用老化混凝剂的吸附潜力，通过添加新型混凝剂，将破碎的絮体重新连接起来，给它们注入新的生命力。

这样，不仅能够最大限度地提高絮体的吸附能力，还能有效防止絮体破碎的不可逆性，让污水处理更高效、更环保。

同时，这项成果为新型混凝剂的开发提供了重要的理论指导。

在实验室里，科学家们可以针对混凝水解产物表面的活性基团进行深入研究，通过优化这些基团的结构和性质，开发出更高效、更环保的混凝剂。

这些新型混凝剂将如同水处理领域的“神兵利器”，为水质改善提供强有力的支持。

此外，从官能团这一新角度出发，可以更深入地探讨不同原水混凝效率的差异。

这意味着，在未来的水处理实践中，工程师们可以根据原水的特性，有针对性地选择适合的混凝剂和处理方法，从而达到最佳的混凝效果。

这种精准施策的方式，将大大提高水处理的效率和效果，为水资源的可持续利用贡献力量。

最后，这项成果还将为改变原水中的天然有机物物质提供新的思路。

通过预氧化、预氯化等处理方式，可以增加溶解性有机物中的羧基和酚类基团，从而提高其对混凝剂的亲和力。

这样一来在混凝过程中，这些有机物将更容易被去除，从而改善水质。这种方法不仅简单易行，而且效果显著。

图 | 俞文正（来源：俞文正）

在后续计划上：

首先，针对混凝过程发生得太快的问题，该团队计划采用原位实时跟踪技术，来捕捉混凝过程中的关键环节。

这项技术能够实时观察并记录混凝过程中的动态变化，从而揭示中间水解产物的结构、以及水解产物与有机物的反应机制。

其次，针对天然有机物的复杂性问题，课题组将进一步深入研究天然有机物中其他官能团与絮凝体的亲和性。

除了羟基、醇羧基、酚羟基和苯环外，他们还将关注胺基、硝基等官能团在混凝过程中的作用。

通过滴定实验等手段，其将量化这些官能团与絮凝体的亲和性，从而更全面地了解天然有机物在混凝过程中的行为。

与此同时，课题组还将围绕解决当前研究中的不确定因素展开，通过采用新技术、新方法，进一步深入探究混凝过程的机理和天然有机物在混凝过程中的行为。

参考资料：

1.Liu, M., Graham, N., Gregory, J. et al. Towards a molecular-scale theory for the removal of natural organic matter by coagulation with trivalent metals. Nat Water 2, 285–294 (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00212-x

运营/排版：何晨龙