生物炭基絮凝劑的制備及其在污泥脫水中的應用

范詩琳 許赟濃 仇安 鄧黛青

摘要：以淀粉為原材料，NaOH為催化劑，生物炭為微波熱敏源，水為受熱源，加入醚化劑，用微波醚化制備生物炭基絮凝劑。以相對黏度為指標，考察各因素對生物炭基絮凝劑的影響，通過正交試驗，最終確定了合成的最佳工藝參數(shù)。研究結果表明：生物炭與淀粉摩爾比為1，陽離子醚化劑與淀粉摩爾比為0.4，NaOH與陽離子醚化劑摩爾比為2，水的百分含量25%，微波加熱時間為60s時，其相對黏度為88.474，取代度為0.294。pH為7，快速攪拌20s，緩慢攪拌40s，絮凝劑投加量為200mg/L，污泥含水率為76.08%。

關鍵詞：生物炭;絮凝劑;微波;污泥脫水

Abstract：A kind of carbon based flocculant was prepared by microwave semi-dry method with starch as a raw material，carbon as microwave thermistor，NaOH as catalyst and water as heat source，join etherification agent.Taking relative viscosity as the index， investigate the every factors and orthogonal experiment on carbon based flocculant preparation， finally determine the optimum parameters of synthesis. The results showed that the molar ratio of biochar to starch was 1， the molar ratio of cationic etherification agent to starch was 0.4， the molar ratio of NaOH to cationic etherification agent was 2，the content of water was 25%，the microwave heating time was 60s， the relative viscosity of the product was 88.474 and the degree of substitution was 0.294. At pH of 7， rapid stirring 20s，slow stirring 40s， flocculant dosage of 200mg/L，sludge water content of 76.08%.

Key words：Carbon;Flocculant;Microwave;Sludge dewatering

我國城鎮(zhèn)污水處理中，污泥的處理處置費用約占污水處理廠全部建設費用的20%-50%，甚至高達70%[1]。由于污泥含水率大，這大大增加了污泥處理處置的成本;且國內普遍使用的聚丙烯酰胺類污泥脫水藥劑難生物降解，易產生二次污染，為此如何實現(xiàn)污泥減量化、無害化、資源化，從源頭減少污泥產生量，提升污泥處理處置能力是當務之急。

生物炭取材生物質資源，合成簡單，材料來源廉價。它具有多孔結構，表面官能團具有絮凝性能[2];它作為微波介電固相反應的引發(fā)劑，能有效地吸收微波能量，變電磁能為化學能，引發(fā)淀粉陽離子醚化反應[3];而微波半干法工藝適當比例的水分避免了干法工藝造成的產品不均勻、質量不穩(wěn)定、反應效率低的問題，且微波能量易被炭吸收。本文以生物炭為微波熱敏源，研究微波半干法工藝[4]制備生物炭基絮凝劑的最優(yōu)工藝參數(shù)，及其在污泥脫水中的應用，獲得能有效地降低污泥含水率的生物炭基絮凝劑污泥脫水藥劑，以期為同類型藥劑的開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

木薯淀粉;生物炭;3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨;氫氧化鈉，分析純;75%乙醇，自制。

普通微波爐;坩堝;烏氏黏度計;磁力攪拌器;HH-1恒溫水浴鍋。

1.2 污泥來源

杭州七格污水處理廠混合污泥。

1.3 生物炭基絮凝劑的制備

將稱取一定量的淀粉與生物炭于坩堝內混勻，往NaOH水溶液中加入陽離子醚化劑攪拌均勻，將混合物液迅速噴灑到混合物上;充分混合后加蓋，置于微波爐中，加熱反應設定時間;反應結束后起初產物，冷卻至室溫;將得到的產品用75%的乙醇溶液洗滌，放入100℃烘箱烘干至恒質量，粉碎后即得生物炭基絮凝劑。

1.4 相對黏度測定

將生物炭基絮凝劑配成0.5%的糊化液，用烏氏黏度計測定其30℃下的相對黏度。

1.5 污泥含水率的測定

將0.5%的生物炭基絮凝劑糊化液預處理污泥，用抽濾的方法測定污泥含水率。

2 實驗結果與討論

2.1 生物炭基絮凝劑的單因素實驗結果

取木薯淀粉3g，以生物炭與淀粉摩爾比為1，陽離子醚化劑與淀粉摩爾比0.2，NaOH和醚化劑摩爾比為1，水的百分含量25%的條件下，微波加熱120s為基準條件，考察各工藝參數(shù)對生物炭基絮凝劑相對黏度的影響。

2.1.1 生物炭與淀粉摩爾比的影響

分析圖1，在微波半干法合成生物炭基淀粉絮凝劑的過程中，生物炭的含量對絮凝劑黏度影響較大。隨生物炭的加入量增加絮凝劑的相對黏度迅速降低，可能原因是微量的生物炭提高了微波能量的轉化率，高溫使淀粉分子鏈部分斷裂，導致產物相對黏度下降。而過多的生物炭會覆蓋在淀粉表面阻止淀粉反應。因此，加入微量的生物炭，可改善淀粉絮凝劑的相對黏度。

2.1.2 醚化劑與淀粉摩爾比的確定

分析圖2，隨醚化劑與淀粉摩爾比的增加，產物相對黏度先增大后減小，當醚化劑與淀粉摩爾比為0.4時，產物相對黏度達到最大值。淀粉具有固定數(shù)目的羥基，醚化劑用量較少時淀粉與醚能夠接觸充分完全反應迅速，但醚化劑用量增加，會有大量的醚不能參與反應，而且已接枝上的醚會增加空間位阻，使醚化劑分子與羥基相互碰撞發(fā)生反應的概率變小導致反應速率變慢。故陽離子醚化劑與淀粉摩爾比為0.4時，產物具有較高的黏度。

2.1.3 NaOH與醚化劑摩爾比的影響

分析圖3，隨NaOH與陽離子醚化劑摩爾比的增加，產物相對黏度先增大后迅速減小?？赡苁且驗榉磻w系中淀粉羥基因NaOH的存在變成負氧離子使得親核能力增大，從而顯著地提高了產物的相對黏度。但當NaOH過量加入時，過量的堿加速了陽離子淀粉的水解導致產物相對黏度下降。因此，NaOH與醚化劑的摩爾比為3時，產物具有較高的黏度。

2.1.4 反應體系中水的百分比的影響

分析圖4，體系含水量低于30%時，產物的相對黏度較穩(wěn)定;體系含水率在30%-40%時，產物的相對黏度變化較大，在水的百分含量為35%時，相對黏度達到最大值。水和生物炭作為微波介電加熱固相反應的引發(fā)劑，少量的水能有效地吸收微波能量，引發(fā)淀粉的陽離子醚化反應[3]，但是體系的含水量不斷上升，會加速醚化劑在堿性條件下的水解和陽離子淀粉的分解，導致產物相對黏度下降。因此，水量過多不利于反應的進行。故體系含水量最佳值為35%。

2.1.5 微波加熱時間對絮凝劑相對黏度的影響

分析圖5，隨著微波加熱時間的變長，產物的相對黏度的變化趨勢是下降的。在微波、生物炭和水的協(xié)同作用下，輻射時間增加，反應體系迅速升溫，淀粉大分子鏈極易斷裂，反應較快，但是若輻射時間繼續(xù)延長會使淀粉糊化甚至發(fā)黃烤焦，造成大分子鏈降解，因此產品相對黏度反而下降。故微波加熱時間取60s為宜。

2.2 正交試驗結果

在單因素的基礎上，設計五因素四水平L16（45）正交試驗，因素水平表見表1，L16（45）正交試驗結果見表2。

由表2可知，影響生物炭基絮凝劑相對黏度的主次因素和較優(yōu)水平為C3D2B4A2E1，即NaOH與陽離子醚化劑摩爾比為2，水的百分含量25%，陽離子醚化劑與淀粉摩爾比為0.4，生物炭與淀粉摩爾比為1，微波加熱時間為60s。

2.3 產品分析

陽離子淀粉絮凝劑相對黏度（30℃，0.5%）為88.474。采用凱氏定氮法測定產物含氮量為2.45%（原木薯淀粉含氮量為0.3%），換算成生物炭基絮凝劑取代度為0.294。

2.4 生物炭基絮凝劑的污泥脫水性能

以生物炭與淀粉摩爾比為3，醚與淀粉摩爾比為0.4，NaOH與醚摩爾比為2，水含量25%，反應時間100s制備樣品。在pH為7，快速攪拌20s，緩慢攪拌40s，絮凝劑投加量為200mg/L預處理污泥，污泥含水率為76.08%。

3 結論

（1）在微波半干法合成陽離子淀粉絮凝劑中加入生物炭制備生物炭基絮凝劑，為陽離子淀粉絮凝劑的合成提供了一種新思路，但是生物炭基絮凝劑反應機理有待進一步的研究以獲得更廣闊的應用前景。

（2）通過正交試驗確定了生物炭基絮凝劑的最佳制備工藝條件：NaOH與陽離子醚化劑摩爾比為2，水的百分含量25%，陽離子醚化劑與淀粉摩爾比為0.4，生物炭與淀粉摩爾比為1，微波加熱時間為60s。

（3）生物炭基絮凝劑的取代度為0.294，微波加熱的時間僅需60s，說明微波法加熱生物炭基絮凝劑的合成反應迅速而有效。

（4）生物炭基絮凝劑預處理污泥，脫水后污泥的含水率可降至76.08%。

參考文獻

[1]陳世朋，張景來.污水處理中的污泥脫水技術研究進展[J].污染防治技術，2006（01）：23-26.

[2]呂宏虹，宮艷艷，唐景春，等.生物炭及其復合材料的制備與應用研究進展[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2015，34（8）：1429-1431.

[3]王琛，陳杰镕，宗剛，等.微波干法制備陽離子淀粉絮凝劑及其應用[J].化工進展，2003，22（11）：1217-1218.

[4]尹訓蘭.微波半干法陽離子淀粉的制備及性能研究[D].山東：山東農業(yè)大學，2013：15-16.

收稿日期：2020-06-10

基金項目：浙江省大學生科研創(chuàng)新活動計劃資助項目（編號：2019R409014）

作者簡介：范詩琳（1998-），女，本科在讀。