PFS聯合CPAM處理印染廢水的研究

田陳聃

(福建師范大學閩南科技學院，福建泉州362300)

印染行業廢水排放在整個工業廢水排放中占很大比例。據統計，每天國內印染企業廢水排放高達300～400萬噸，即每加工100m織物將產生3～5噸廢水。印染廢水具有水量大、有機污染物含量高、色度深、堿性大、水質變化大等特點，屬難處理的工業廢水［1］。目前常用的印染廢水處理方法有:(1)生化法。它受pH、溫度、染料種類等影響很大，加之污泥膨脹、聚膠團易解體等因素，易使生化效果不好，不能達標排放。(2)吸附法。主要是利用活性炭之類的吸附劑。吸附染料等物質，也易受水中的懸浮物、高分子污染物、油脂等影響，且吸附劑用量大、費用高。(3)物化法。主要有中和法、凝聚法及O3或Cl2氧化法等，其中中和法的缺點是局限性大，O3氧化法設備造價高，Cl2氧化法毒性大，易造成二次污染。而絮凝法因投資費用低、處理容量大、脫色率高而被廣泛應用于印染廢水的處理［2］。本實驗采用的是物理化學處理法中的絮凝法，這種方法是有效而又經濟的廢水處理脫色技術之一，具體方法為:在印染廢水中投入混凝劑，在廢水里形成膠團，與廢水中的膠狀物質發生電中和，形成絮粒沉降。聚合硫酸鐵是一種較新型的無機高分子絮凝劑，它在水溶液中存在著多種絡合離子，以OH—為架橋形成多核絡合離子，變成較大的無機高分子化合物［3］。與其他各種絮凝劑相比，聚合硫酸鐵具有生產成本低、凈化過程投加量少、適用pH范圍廣、雜質(濁度COD、懸浮物等)去除率高、殘留物濃度低、礬花沉降速度快、脫色效果好等特點［4］，正在逐步取代堿式硫酸鋁等無機絮凝劑，應用于工業廢水、城市污水、工業用水以及生活飲用水等的凈化處理［5］。陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)是一種具有多種活潑基團的線型高分子化合物，可以與多種物質反應形成氫鍵，尤其是它能絮凝帶負電荷的膠體，產生除濁、脫色、吸附、粘合等效果。它可以適用于處理許多行業的有機膠體含量較高的廢水，例如染色、建筑、冶金、造紙、食品、選礦、水產加工與發酵煤粉和油田等行業。混凝沉淀不但可以去除廢水中的粒徑細小的懸浮顆粒，而且能夠去除色度、油分、微生物、氮和磷等富營養物質、重金屬以及有機物等。本文利用絮凝劑聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)助凝劑混凝聯合使用對印染廢水的脫色率與COD的去除率進行測定和比較。

1 實驗部分

1.1 試劑和原料

聚合硫酸鐵(PFS，上海華藍化學科技有限公司)，0.25mol·L－1的重鉻酸鉀(1/6K2Cr2O7)標準液，硫酸亞鐵銨［(NH4)2Fe(SO4)2］，亞鐵靈指示劑，直接海軍蘭染料(天津化工采購供應站加工出品)，直接紅染料(天津市大港染料有限公司)，直接黑染料(天津市大港染料有限公司)，硫酸－硫酸銀溶液，0.5 mol·L－1硫酸溶液，濃硫酸和氨水。

1.2 儀器與設備

CL－1A型磁力攪拌器(鄭州長城科工貿有限公司)，可見光分光光度計龍尼柯(上海儀器有限公司)，DRT－TW型調溫電熱套(鄭州長城科工貿有限公司)，pHS－3C精密pH計(上海雷磁儀器廠)，JJ－4六聯電動攪拌器(國華電器有限公司)，電子天枰(梅特勒－托利多儀器上海有限公司)，KQ5200E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.3 廢水的配制

準確稱取一定量的直接海軍蘭、直接黑和直接紅三種染料，然后分別將其配成溶度為100mg·L－1的染料溶液作為本課題的模擬廢水。

1.4 標準曲線的測定

1.4.1 直接海軍蘭染料

在最大吸收波長為562nm條件下，測定配制好的具有不同質量濃度的直接海軍蘭染料的吸光度，記錄數據，然后根據測定的吸光度繪制其標準曲線，得到下列表示染料廢水的質量濃度與吸光度之間關系的表達式:

式中:y為吸光度;x為直接海軍蘭染料的質量濃度(mg·L－1)。

1.4.2 直接黑染料

在最大吸收波長為673nm條件下，測定配制好的具有不同質量濃度的直接黑染料的吸光度，記錄數據，然后根據測定的吸光度繪制其標準曲線，得到下列表示染料廢水的質量濃度與吸光度之間關系的表達式:

式中:y為吸光度;x為直接黑染料的質量濃度(mg·L－1)。

1.4.3 直接紅染料

在最大吸收波長為413nm條件下，測定配制好的具有不同質量濃度的直接紅染料的吸光度，記錄數據，然后根據測定的吸光度繪制其標準曲線，得到下列表示染料廢水的質量濃度與吸光度之間關系的表達式:

式中:y為吸光度;x為直接紅染料的質量濃度(mg·L－1)。

1.5 絮凝實驗

1.5.1 絮凝實驗一

取200mL質量濃度為100mg·L－1的染料廢水溶液倒入250mL燒杯中，并調節不同的pH值2～10，然后將不同pH值的染料廢水溶液放在聯動攪拌器上快速攪拌2min，轉速為200rad·s－1，接著往溶液中加入相同質量濃度的絮凝劑，再快速攪拌2分鐘，后再慢速攪拌10分鐘后，將處理后的染料廢水分均靜置30分鐘，然后取上清液進行吸光度測定，并記錄數據，借著應用標準曲線根據方程進行脫色率計算。

其中:C0為染料廢水的初始質量濃度(mg·L－1);C為測試樣品中染料廢水的質量濃度(mg·L－1)。

1.5.2 絮凝實驗二

取200mL質量濃度為100mg·L－1的染料廢水溶液倒入250mL燒杯中，并調節相同pH值，然后將染料廢水溶液放在聯動攪拌器上快速攪拌2min，轉速為200rad·s－1，接著往溶液中加入不同質量濃度的絮凝劑，再快速攪拌2min，后再慢速攪拌10min后，將處理后的染料廢水分均靜置30min，取上清液測定吸光度值，取上清液測定吸光度值，記錄數據，應用標準曲線根據方程計算脫色率。

1.6 絮凝實驗后各指標的測定

1.6.1 吸光度的測定

靜置30min后取用移液管將各溶液中上清液析出用可見光分光光度計測定吸光度值，準確記錄數值。

1.6.2 脫色率的測定

將靜置后的溶液中測定其吸光度，記錄下數據后，將其吸光度值代入公式(1－4)可計算出各其脫色率。

1.6.3 pH 的測定

靜置30min后測完吸光度數值，然后用移液管移取上清液于100ml小燒杯中，用pH計測出絮凝后各染料廢水的pH值并記錄該pH值。

1.6.4 COD的測定采用重鉻酸鉀法

先取20mL水樣，加入10mL重鉻酸鉀，插上回流裝置，再加入30mL硫酸－硫酸銀溶液，加熱回流2h。冷卻后，用90.00mL蒸餾水沖洗冷凝管，取下圓底燒瓶。等溶液冷卻后，滴入3滴亞鐵靈指示液，然后用配好的硫酸亞鐵銨標準溶液進行滴定測試(現象:溶液由黃色－藍綠色－紅褐色)，記錄硫酸亞鐵銨的用量;同時準備空白樣本，記錄滴定空白樣本時消耗的硫酸亞鐵銨標準溶液的用量。

式中，C—硫酸亞鐵銨標準溶液的濃度，mol·L－1;

V—水樣體積，mL;

V0—滴定空白時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量，mL;

V1—滴定水樣時硫酸亞鐵銨標準溶液的用量，mL;

8—氧(1/2)摩爾質量，g·moL－1.

(C×8×1 000)/V相當于硫酸亞鐵銨對O2的滴定度TO2/(NH4)2Fe(SO4)2，即

2 結果與討論

2.1 pH值對印染廢水脫色性能的影響

圖1 pH對直接紅染料脫色率%的影響

圖2 pH對直接黑染料脫色率%的影響

由圖1、圖2可知，當pH=8時，聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)助凝劑聯合使用時，其脫色效果最佳，可達95%以上。這是由于加入了陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)可以加快絮凝沉降速度，它主要是依靠高分子的增稠作用接團體內部結合力，使之致密化，明顯增加脫色效果［7］。又從圖1、2可看出，聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑對染料廢水的脫色效果最佳，可達90%以上，其脫色率先會隨著pH值的增大而增大，增大到一定范圍內脫色率又隨著pH值的增加而減小(或趨于平緩);這是由于pH值太小，聚鐵的高價多核配離子會轉變成鐵離子而失去凝集作用;pH值太高，會使PES的解離程度下降，對絮凝效果產生影響［6］。當pH=6時，陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)對染料廢水的脫色效果較佳，最高可達85%以上。

因此，可說明當聚合硫酸鐵(PFS)聯合陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用的效果明顯優于聚合硫酸鐵(PFS)單獨絮凝效果和陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨絮凝效果。

圖3 絮凝劑投加量對直接蘭脫色率的影響

圖4 絮凝劑投加量對直接黑脫色率的影響

2.2 絮凝劑投加量對印染廢水脫色性能的影響

將水樣的pH值調節到最佳范圍內，投加不同質量濃度的絮凝劑。由圖3、圖4可知，當PFS的質量濃度為100mg·L－1，CPAM 的質量濃度為5mg·L－1時，聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)助凝劑聯合使用的效果最佳，可達97%。其脫色率隨著絮凝劑的質量濃度的增加而增加，當絮凝劑的質量濃度達到最佳范圍后，其脫色率隨著絮凝劑質量濃度的增加而減少(或趨于平緩);又從圖3、圖4可知，聚合硫酸鐵(PFS)聯合陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用的效果明顯優于聚合硫酸鐵(PFS)單獨絮凝效果和陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨絮凝效果。這是由于聚合硫酸鐵(PFS)單獨使用時生成的絮凝體粒徑小，陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)是助凝劑，效果一般;而聚合硫酸鐵(PFS)與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)聯用時生成的絮凝體體積大，這是因為加入助凝劑后廢水中礬花大且沉降快，助凝劑也可用以調節和改善混凝的條件和改善絮凝體的結構，利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用，使細小松散的絮凝體變得粗大而緊密［8］。

2.3 絮凝劑投加量對印染廢水COD的影響

圖5 絮凝劑投加量對直接紅COD的影響

圖6 絮凝劑投加量對直接黑COD的影響

由圖5、圖6可知，當聚合硫酸鐵(PFS)的質量濃度為100mg·L－1，對于染料廢水的COD去除率效果最佳，其最高去除率可達80%;絮凝劑的濃度降低或者是升高，都影響染料廢水處理的效果。其分析的原因如下:若投藥量不足，水中雜質得不到充分的與絮凝劑接觸，不能凝聚結大，一部分未被絮凝，致使濁度較高;投加量過大，雖增加多核鐵離子的數量，但架橋作用所必須的粒子表面吸附活性點少了，架橋變得困難，同時，又由于粒子相互排斥而出現分散穩定現象使所形成的絮凝體重新變成穩定的膠體［6］。

又從圖5、圖6可知，PFS的質量濃度為100mg·L－1，CPAM的質量濃度為5mg·L－1時聚合硫酸鐵(PFS)聯合陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用時的COD去除率最高可達85%左右，明顯高于聚合硫酸鐵(PFS)單獨使用時與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨使用時的COD去除率;這是因為聚合硫酸鐵(PFS)本身具有對混凝性能優良、礬花沉降速度快、凈水效果優良、出水水質好、無重金屬物質殘留、對COD、BOD及色度的去除率高、脫色效果好等特點。再與助凝劑陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用，由于陽離子聚丙烯酰胺對污水中的膠體微粒具有很強的電性中和及吸附作用，有助于沉降和過濾脫水。當加入聚合硫酸鐵(PFS)后，廢水中的膠體由于電中和的作用而脫穩形成細小的礬花，再加入陽離子型PAM，可以進一步中和膠體表面的負電荷，并且發揮吸附架橋作用，使得礬花體積增大易于快速下沉，達到良好的脫色效果［9－10］。因而兩種絮凝劑混合使用，其效果可大大提高。

3 結論

通過以上實驗數據可知，將絮凝劑聚合硫酸鐵(PFS)聯合助凝劑陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用時對印染廢水的脫色效果和COD的去除率高，其脫色效果和COD的去除率明顯高于聚合硫酸鐵(PFS)單獨使用時的效果與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨使用時的效果。當pH=8左右，PFS絮凝劑投加量為100mg·L－1時，CPAM助凝劑的投加量為5mg·L－1，其脫色率最高可達95%以上，其COD去除率最高可達85%以上。說明絮凝劑聚合硫酸鐵和助凝劑陽離子型聚丙烯酰胺配合使用可提高對廢水中COD的去除率，加快廢水中膠體的絮凝和沉降速度，縮短靜置時間，提高了廢水凈化速率，對未來的經濟和環境帶來可觀的影響。

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