基于壳聚糖/透明质酸钠聚电解质复合物的两阶段协同絮凝技术，用于在浑浊环境中快速实现水下水质澄清

《Journal of Water Process Engineering》：Two-stage synergistic flocculation based on chitosan/sodium hyaluronate polyelectrolyte complexes for rapid underwater visual clarification in turbid environments

　　

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  开发了CTS-SH复合物，用于在浑水中实现快速絮凝。
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  该复合物显著提升了絮体的生长速度与结构稳定性。
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  与单独使用CTS相比，这种协同体系可将沉降时间缩短68.01%。
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  在CTS/SH协同体系中，絮体尺寸比单独使用CTS时增大约103倍。
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  在真实水样中，2.5–7.5分钟内即可识别出清晰的缺陷轮廓。

引言

水坝中水下结构的完整性对于确保其安全稳定运行至关重要[1]、[2]。目前，配备光学传感器的水下机器人已成为检测水下坝体表面的主流方法之一[3]。然而，在浑水环境中，悬浮颗粒对光线的强烈散射和吸收会导致图像质量严重下降，表现为对比度降低、颜色失真以及结构细节丢失等问题[4]、[5]。尽管人们通过优化光学系统及采用图像增强算法来提升成像质量，但这类方法的效能仍受水体固有光学特性的限制，因此难以在复杂的浑水环境中发挥作用[8]。因此，从源头改善水环境，而非在成像环节进行补偿，才是更为根本且有效的解决方案。

絮凝技术通过调控粒子间的相互作用来去除胶体及悬浮颗粒，从而从源头改善水的光学特性，是一种极具前景的方法[9]、[10]。近几十年来，由于天然多糖类絮凝剂具有生物相容性、环保性以及结构可调控性等优点，越来越多的研究关注这类材料[11]、[12]。壳聚糖（CTS）作为一种典型的阳离子多糖，可通过电荷中和与聚合物桥接作用促使颗粒聚集[13]。然而，单组分CTS絮凝仍存在诸多局限性，比如分子量相对较低且结构受限，导致形成的絮体体积小、结构松散，稳定性差，且絮凝过程耗时较长[14]、[15]。这些缺陷使得其在对时间要求较高的水下检测场景中难以得到应用。

为克服这些限制，先前的研究表明，带相反电荷的多糖可通过静电作用与氢键形成聚电解质复合物（PECs）[16]。这类复合物能够促进更大、更致密且更稳定的絮体形成，从而显著提升絮凝效果[17]、[18]、[19]、[20]。在各类CTS的阴离子对应物中，透明质酸（SH）——一种富含羧基和羟基的阴离子多糖——表现出了极高的应用价值[21]、[22]。它们可通过静电作用轻松形成稳定的聚电解质复合物[23]。这类复合物具有优异的结构稳定性与成网能力，已在组织工程和药物递送等生物医学领域得到广泛应用[24]、[25]、[26]、[27]。在之前的研究中，CTS/SH协同体系已在常规水处理中实现了更低的残留浊度[20]。但对于浑水环境下的水下视觉检测而言，首要目标是将浊度迅速降至光学检测阈值，而非追求最低的残留浊度。目前尚不清楚CTS/SH协同体系是否能够满足这一特定应用需求。

本研究提出了一种基于CTS-SH聚电解质复合物的两阶段协同絮凝策略，旨在快速降低浑度，从而实现水下视觉检测。与传统主要依靠颗粒直接聚集的絮凝方法不同，所提出的策略采用分层组装机制：首先通过CTS的作用使颗粒发生不稳定化，形成初级絮体，随后再将这些絮体整合到CTS-SH构成的三维网络中。本研究将CTS-SH聚电解质复合物的应用范围从常规水处理拓展到了用于水下视觉检测的快速浊度降低领域，同时阐明了自组装的CTS-SH网络在促进分层絮体生长及加速水质净化方面的作用。为验证该策略的有效性，我们在模拟浑水条件下系统评估了仅使用CTS与CTS/SH协同体系的絮凝性能，并通过显微技术及光谱分析方法研究了絮体形成的结构特征与相互作用机制。最后，我们利用专门设计的实验系统在真实水环境中评估了该策略在提升水下光学检测性能方面的效果。

章节要点

材料

高岭土由上海源恩生物科技有限公司（中国）提供。CTS（脱乙酰度≥95%）、SH（分子量：200 kDa–400 kDa）以及腐殖酸（HA）则购自阿拉丁生物化学技术有限公司（中国）。此外，盐酸（HCl，分析级）与氢氧化钠（NaOH，分析级）由国药集团化学试剂有限公司（中国）供应。

水质参数

图1a展示了研究地点，即SX大坝的下游河段。采样工作及水下机器人检测均在该区域开展。

CTS添加量与慢速搅拌时间的优化

当系统中仅使用CTS时，我们测试了不同添加量及不同慢速搅拌时间下的絮凝效果。如图3a所示，在模拟浑水条件（浊度100 NTU，UV₂₅₄值为0.148 cm^?1）下，不添加CTS时，悬浮液的浊度在30分钟后仍保持在100 NTU，这说明仅靠自然沉降无法在短时间内使浑水变清。在低剂量CTS（4和4.5 mg/L）作用下，浊度仅略有下降，分别为93.01 NTU

结论

本研究将絮凝技术引入浑水条件下的水下缺陷检测，并开发出了CTS/SH协同絮凝方案。具体而言，首先加入CTS进行预絮凝，然后在第二阶段再加入CTS与SH，以进一步增强絮凝效果。实验结果表明，在模拟浑水条件下，采用这种协同絮凝方案仅需2.45 ± 0.14分钟即可使溶液达到

CRediT作者贡献说明

傅嘉伟：撰写——初稿、验证、软件应用、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理。李俊杰：撰写——审稿与编辑、项目监督、资源协调、项目管理、资金获取、正式分析、概念构思。徐航：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号：2022YFB4703401）以及水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心开放研究基金（编号：GJGCZX-JJ-202513）的支持。

Jiawei Fu|Junjie Li|Hang Xu