混凝是保障饮用水安全、降低水质健康风险、保证后续处理工艺稳定运行的重要技术。随着水质标准不断提高，以及微污染问题越来越受关注，为实现对颗粒物和天然有机物的高效去除，强化混凝成为提升混凝效率的最有效方法之一。长久以来，铝盐在水处理工艺中被广泛使用，其在颗粒物表面或有机物附近原位水解产生的有效形态（Al13及Al(OH)3等）是影响混凝效率的关键因素。Al13
（[AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+，Al137+）具有高正电荷和强聚集能力，被认为是最有效的铝活性物种，但混凝过程中尤其颗粒物表面原位Al13如何检测尚不明确。原位Al13的含量受溶液pH显著影响，最佳pH范围一般为弱酸性，而天然水以及常见的含藻水源水pH通常呈中性甚至碱性。因此，如何在中性及碱性条件下强化原位Al13等铝活性物种生成并高效去除污染物是饮用水处理技术发展的难题之一。基于此，本论文开展了以下研究工作：
      创建了基于表面增强拉曼（SERS）技术的颗粒物表面原位Al13鉴定方法。通过拉曼分析检测高纯固体、溶液中的Al13发现，635 cm-1处的特征峰不易受环境中共存物质（如单体铝）的干扰，可作为有效识别Al13的主要证据，300和987 cm-1处的特征峰可作为Al13识别的辅助证据。Al13-Cln因可有效避免阴离子干扰且特征峰明显而被选为理想的Al13检测源。以Ag溶胶和金核/二氧化硅壳（Au/SiO2）结构颗粒物为SERS基质，实现了颗粒物表面Al13的鉴定，信号峰的信噪比得到明显改善。使用密度泛函理论（DFT）对Al13的几何结构进行优化和频率计算。基于计算结果，结合最小二乘拟合方法，阐明了Al13结构中化学键的振动模式与特征峰的匹配关系。
      构建了铁铝共水解强化混凝体系，即在Al盐混凝之前加入少量Fe盐进行预水解。系统考察了铁铝共水解体系在碱性pH下对模拟天然水体的净化作用。与单独Al盐体系相比，铁铝共水解体系加快了絮体的生长速率，证实Fe盐和Al盐具有协同混凝效应，铁铝比（RFe:Al）和时间间隔（TI）为关键影响因素。当RFe:Al为1:10，TI为10 s时，浊度去除率达到73.4%，显著高于单独Al体系（45.9%）。同时铁铝共水解体系可以更好地耐受高碱度水体环境，在一定碱度范围（1.0~2.0×10-3）均可实现超过70%的浊度去除率。采用新建立的SERS表征方法结合X射线光电子能谱等，进一步定性研究了铁铝共水解过程原位生成的铝形态，并通过Al-Ferron逐时络合比色法对原位铝形态进行定量解析，提出了Fe盐预水解调控颗粒物表面微环境pH，从而促进原位Al13产生的铁铝共水解机制。
      在此基础上，揭示了铁铝共水解体系与腐殖酸（HA）的形态匹配与高效去除机制。结果发现共水解体系对浊度、溶解性有机碳（DOC）、254 nm处的紫外吸收（UV254）、不同分子量HA和荧光参数（FI）的去除效果明显优于单独铝体系。铁铝共水解去除HA过程调控需要统筹考虑RFe:Al和TI的交互影响，从而实现Fe盐和Al盐最佳的协同效应，尤其TI的调控可进一步减少Fe盐的投加量。HA中三个荧光峰peak α、β及γ削减的难易程度为：peak γ > peak β > peak α，其分别代表了分子量及聚合度由高到低且携带不同官能团的有机物。深入探讨了不同铝形态与不同腐殖酸组分的匹配机制，发现AlCl3对于芳香结构HA的去除具有至关重要的作用，在保证一定量AlCl3的前提下，Al(OH)3促进了各荧光峰的去除。在铁铝共水解过程中，一方面HA与单体Al发生络合而去除；另一方面Fe预水解及与HA络合释放的H+降低了微环境pH，促进了Al盐原位水解产生Al(OH)3有效形态，进而实现了HA的高效去除。以上海某水库水为原水，在较低剂量下实现了对碱性水体（pH = 8.8）的有效处理，并有效降低残余Al浓度，对指导强化混凝工艺具有重要参考意义。