熱改性凹土復合聚丙烯酰胺絮凝劑在受污河水處理中的應用

馬喜君，劉黎華

( 1.淮陰工學院生化學院，江蘇 淮安 223003； 2.江蘇省凹土資源利用重點實驗室，江蘇 淮安 223003)

混凝沉淀法是目前水處理技術中最常用的物理處理方法。聚丙烯酰胺(PAM)是目前使用最為廣泛的人工合成有機高分子混凝劑，它的混凝效果在于對膠體表面具有強烈的吸附作用，在膠粒之間形成橋聯，廣泛用于污水的沉淀處理和污泥的脫水。優點在于其官能團多、分子量高、穩定性好、吸附架橋能力強、絮凝效果好，同時投加量少、使用范圍廣、具有產生的污泥少等優點。PAM單獨使用絮凝效果一般，通常都是和無機混凝劑復配使用，而且PAM成本較高，其水解、降解產物有毒，在水中的殘留會對人類的健康帶來一定的潛在風險。

凹凸棒石黏土(簡稱凹土)是一種鋁鎂硅酸鹽礦物，屬稀有非金屬礦產資源。凹土具有獨特的纖維狀晶體結構及優越的膠體、吸附、催化和充填等物化性能，在廢水處理中具有廣泛的應用[1-3]。基于凹土特殊的性能，利用凹土復合PAM，提高PAM的絮凝性能，降低PAM的使用成本，可以達到PAM與無機混凝劑的復配效果。利用凹土所具有的選擇性吸附有害物及各種有機和無機污染物[4-5]的功能，凹土復合PAM開發新型的復合絮凝劑，可用于處理高色度、高COD廢水，也可以利用凹土的陽離子可交換性可用于處理含重金屬廢水[6]。本文在合成凹土復合聚丙烯酰胺絮凝劑的基礎上，對受污河水的COD和濁度的去除效果進行了討論，為新型絮凝劑產品的研發提供了一定的借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

凹土購自江蘇盱眙玖川科技有限公司，其他化學試劑均為分析純，購買后直接使用。廢水水樣取自學校附近河水。

1.2 實驗方法

1.2.1 凹土改性

采用熱改性，一方面脫除水分，增大有效比表面積；另一方面活化吸附中心，提高其吸附效果。稱取一定量經預處理后的凹土，分別在馬弗爐中經不同溫度(100℃、200℃、300℃、400℃、500℃)烘培1h，冷卻至室溫，研磨，過325目篩，密封保存。

1.2.2 復合絮凝劑的制備

將一定量的熱改性凹凸棒土溶于去離子水中，超聲振蕩30min后得懸濁液，隨后加入一定量丙烯酰胺，超聲振蕩3min，在氮氣氣氛中攪拌，在35℃下加入一定量的N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺，過硫酸鉀引發聚合反應，制得凹土復合PAM絮凝劑產品。

1.3 分析方法

1.3.1 FT-IR分析

用Nicolet NEXUS 670 FT-IR紅外光譜儀分析復合絮凝劑的組成。

1.3.2 受污河水COD，濁度的測定

實驗采用的受污河水初始COD為45.5 mg/L，濁度為2.5NTU，pH值為7.2。取受污河水700mL，加入一定量的復合絮凝劑，攪拌時間5min，靜止沉淀時間30min，取上清液測定COD和濁度。COD采用重鉻酸鉀快速消解分光光度法，濁度采用YZD-1B型液體濁度儀測量。

2 結果與討論

2.1 復合絮凝劑的FT-IR分析

圖1為改性凹土復合PAM絮凝劑的FT-IR分析圖。復合絮凝劑的FT-IR中，νN-H伸縮振動吸收位于3430 cm-1，酰胺羰基特征吸收峰νC=O位于1661 cm-1，1618 cm-1為δN-H彎曲振動吸收。在1100 cm-1、900 cm-1附近出現兩個顯著的新吸收峰，為Si-O的不對稱和對稱伸縮振動吸收峰，是硅酸鹽的特征峰[7-8]，說明復合絮凝劑中凹土的存在。在1000 cm-1附近有Si-O-C振動。說明凹土與聚丙烯酰胺單體發生了接枝聚合，并不是簡單的復配。

圖1 改性凹土復合PAM絮凝劑的FT-IR

2.2 凹土熱改性溫度對復合絮凝劑絮凝效果的影響

圖2為熱改性溫度對復合絮凝劑絮凝效果的影響曲線。COD去除率隨著改性溫度的升高先增后降。在400℃左右時，COD的去除率最大，達到37.8%，主要是因為隨改性溫度的升高，凹土經歷了外表面吸附水、孔道吸附水和部分結晶水的脫出過程。凹土中的有機質及部分礦物質分解，使原先雜亂堆積的針棒狀纖維變得疏松多孔，孔隙容積和比表面積大大增加，其吸附性能也大大增強。當溫度超過400℃時，因結晶水的大量脫出，會使凹凸棒土結構發生變形甚至破壞，其比表面積會降低，吸附絮凝性能下降，導致COD的去除率也隨之下降。

2.3 熱改性凹土投加量對復合絮凝劑絮凝效果的影響

圖3為熱改性凹土投加量對復合絮凝劑絮凝效果的影響圖。隨改性凹土投加量的增加，復合絮凝劑的絮凝效果先增高后降低，凹土的的最佳投加量為0.5%。凹土與PAM復合，形成了以凹土為核的局部高分子體系，絮凝效果增強。當凹土投加量增大時，凹土團聚增強，分散性變差，導致絮凝效果減弱。

2.4 復合絮凝劑投加量對受污河水濁度的影響

圖4為復合絮凝劑投加量對受污河水濁變的影響圖。復合絮凝劑的加入，導致受污河水雜質懸浮顆粒迅速絮凝沉降，致使污水濁度下降。在投加量為50mg/L時，絮凝效果最好，隨后絮凝劑的增加使濁度去除率減小，符合DLVO理論，與常規混凝劑的混凝機理類似。

圖2 凹土熱改性溫度對復合絮凝劑絮凝效果的影響

圖3 改性凹土投加量對復合絮凝劑絮凝效果的影響

圖4 復合絮凝劑投加量對受污河水濁度的影響

2.5 凹土、PAM、復合混凝劑處理受污河水效果比較

由圖5、圖6可以看出，復合絮凝劑與改性凹土和聚丙烯酰胺單獨使用相比較，復合絮凝劑具有COD去除率高、濁度去除率高、投加量少的優點，復合絮凝劑對受污河水COD的去除率達到45.6%，濁度的去除率達到66.3%。復合絮凝劑、PAM、凹土單獨使用時的絮凝效果，隨投加量的增加趨勢基本一致，但出現了COD，濁度去除率最優點不同的情況。單獨使用凹土時，投加量200mg/L時，受污河水濁度去除率最大為35.4%；單獨使用PAM時，投加量150mg/L時，受污河水濁度去除率最大為37.7%；復合絮凝劑投加量50mg/L時，受污河水濁度去除率最大為66.3%。說明復合絮凝劑中凹土與PAM協同效應顯著，處理效果得到大幅度提升，相應的COD去除效果實驗也具有相似的規律。

圖5 受污河水濁度去除比較

3 結論

通過熱改性凹土復合PAM制備新型絮凝劑，研究結果表明：

1)熱改性溫度在400℃時，復合絮凝劑的絮凝效果最佳。

圖6 受污河水COD去除比較

2)熱改性凹土的投加量在0.5%時，復合絮凝劑的絮凝效果最佳。

3)復合絮凝劑中凹土和PAM協同效應顯著，復合絮凝劑投加量50mg/L時，受污河水的COD和濁度的去除效果最好。

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