高效有機絮凝劑合成機理及其水處理中的應用研究

姜金國

(菏澤市生態環境局鄄城縣分局,山東 菏澤 274699)

淡水資源是人類生存最寶貴的資源之一。根據聯合國2018年發布的《世界水資源開發》,人類對水的需求以每年1%的速度穩步增長,目前世界上近一半的人口生活在缺水地區。此外,自20世紀末以來,世界工業發展迅速,工業廢水的排放進一步使稀缺的淡水資源緊張。目前,污水處理根據作用機理分為物理法、化學法和生物降解法。其中,物理法主要針對污水中的懸浮固體,化學法主要針對水中的膠體顆粒和可溶性物質,而生物降解方法主要依靠微生物的降解來凈化污水。絮凝法結合了物理和化學處理方法,是目前公認的最佳經濟效果和處理效果。丙烯酰胺(AM)是一種陽離子單體,具有很強的吸附和橋接能力。DMC(甲基丙烯氧基乙基三甲基氯化銨)是一種有機陽離子單體,其聚合物具有很強的吸附和橋接能力。作為一種廣泛使用的無機水處理劑,聚合氯化鋁(PAC)具有良好的濁度去除率和脫色率、相同濁度去除率的低添加量和低鋁殘留率等優點[1-5]。因此,本文選擇AM、DMC和PAC制備有機絮凝劑,聚合引發過程簡單,產品無毒無害。

1 有機絮凝劑研究現狀

1.1 有機絮凝劑制備方法

1.1.1 合成聚合物型有機絮凝劑

合成聚合物型有機絮凝劑是一種常見的有機絮凝劑制備方法,也是目前應用最為廣泛的方法之一。這種方法通過聚合反應,將單體聚合成高分子鏈,再對高分子鏈進行化學修飾,最終制得具有良好絮凝效果的有機絮凝劑,聚合物型有機絮凝劑具有以下特點。(1)分子量大:聚合物型有機絮凝劑的分子量一般在幾千到數十萬不等,具有較好的絮凝效果;(2)穩定性好:由于聚合物型有機絮凝劑的分子鏈結構較為穩定,具有較好的耐水性和耐鹽性,可以適用于多種水質條件;(3)效果穩定:聚合物型有機絮凝劑在水中的絮凝效果穩定可靠,能夠長時間保持水質清潔。

對于聚合物型有機絮凝劑的制備,通常采用自由基聚合反應、陽離子聚合反應等方法。具體來說,首先需要選擇適合的單體,并將其聚合成高分子鏈,然后再對高分子鏈進行化學修飾,例如引入陽離子基團或羧基等。化學修飾可以提高高分子鏈的水溶性和絮凝效果,同時還可以控制有機絮凝劑的分子量、分子量分布和帶電性等性質,從而實現有機絮凝劑的定制化制備。需要注意的是,合成聚合物型有機絮凝劑的制備需要嚴格控制反應條件和化學結構,以保證絮凝效果和水質安全性。

1.1.2 提取天然有機絮凝劑

提取天然有機絮凝劑是一種常見的有機絮凝劑制備方法。相對于合成聚合物型有機絮凝劑,天然有機絮凝劑具有可再生、環保、無毒等特點,因此受到越來越多的關注。天然有機絮凝劑的來源主要包括植物、動物和微生物等。其中,植物中的多糖類物質,如木聚糖、果膠等,具有良好的絮凝性能,可以通過熱水提取或酸堿水解等方法進行提取。動物中的膠原蛋白、明膠等也是常見的天然有機絮凝劑,可以通過酸、堿或酶解等方法提取。另外,微生物中的多糖類物質如葡聚糖、菌膠等也具有很好的絮凝性能,可以通過發酵等方法進行提取。

不同的天然有機絮凝劑在水處理中具有不同的應用效果。例如,木聚糖在pH值為3～4的條件下表現出較好的絮凝效果;果膠可以與金屬離子形成絡合物,從而加強其絮凝效果;而膠原蛋白的結構穩定性較差,容易被熱水或酸堿條件破壞,因此在使用時需要注意調節條件。此外,天然有機絮凝劑的使用量也需要根據具體情況進行調節,一般需要根據水質、懸浮物濃度、pH值等因素進行適當調整。提取天然有機絮凝劑是一種可持續的、環保的有機絮凝劑制備方法,具有廣泛的應用前景。不同種類的天然有機絮凝劑具有不同的結構和性質,因此需要在具體應用中進行合理的選擇和調節。

1.2 有機絮凝劑作用機理

有機絮凝劑的主要作用機理是帶電的有機高分子與懸浮在水中的顆粒相互作用,形成一種類似于橋的結構,使顆粒間相互連接,最終形成大的凝聚物。有機絮凝劑的作用過程主要包括吸附、橋連接和沉淀三個步驟。

1.2.1 吸附

有機絮凝劑中的帶電高分子與水中的顆粒相互作用,形成吸附層。由于有機高分子分子鏈上帶有許多離子基團,它們可以與顆粒表面帶電荷的區域相互吸附,形成一層有機高分子的覆蓋層。這層覆蓋層的形成可以阻止顆粒之間的碰撞和凝聚,從而起到穩定分散的作用。

1.2.2 橋連接

有機絮凝劑在吸附后,會發生分子間相互作用,形成橋連接,使不同顆粒之間相互連接。橋連接的形成是通過高分子鏈的交叉作用來實現的,一般是由于高分子的帶電基團在顆粒表面形成電荷吸引相互吸附,從而形成橋連接。這種橋連接作用會使得顆粒之間距離減小,顆粒之間的吸引力增強,從而使得顆粒形成更緊密的聚集。

1.2.3 沉淀

隨著顆粒間橋連接的增強,聚集的顆粒逐漸變得越來越大,最終達到沉淀的條件,從而沉淀到水底。這個過程是由于顆粒之間相互作用力的增強而導致的,隨著顆粒之間的距離縮小和連接的增強,聚集成的顆粒體積增大,密度也增加,最終形成沉淀物。

2 高效有機絮凝劑制備

2.1 材料選擇及制備過程

2.1.1 試劑

聚合氯化鋁(PAC)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯氧基乙基三甲基氯化銨(DMC)、過硫酸鉀、鹽酸和碳酸氫鈉,所有試劑均為化學純(AR),蒸餾水(DI水)。

2.1.2 絮凝劑的合成

在四頸燒瓶中,以1∶5,1∶9,2∶8,3∶7,4∶6的體積比例混合PAC和DMC+AM,DMC/AM的體積比例為1∶1,然后吹入氮氣30 min以除去燒瓶中的氧氣。在氮氣保護下,在攪拌的同時加入不同比例的過硫酸鉀引發劑。聚合反應在水浴中在50 ℃的恒溫下進行2 h,然后在干燥箱中在60 ℃的恒溫條件下干燥產物。干燥后的產品用粉碎機粉碎,成功制備了新型有機聚合物(PAC-AM/DMC)。將PAC-AM/DMC溶解在一定量的純水中以供以后使用。PAC-AM/DMC合成原理如圖1所示。

圖1 單因素實驗影響

2.2 最優實驗配比

為了探討最佳絮凝效果的條件,建立了單因素實驗。研究了DMC與AM單體的比例、引發劑的含量、絮凝時間對絮凝劑處理模擬污水的影響。如圖2(a),當DMC和AM單體比例達到80%時,濁度去除率達到最大值。因為單體的優異吸附橋接作用和陽離子對沉淀的吸附作用已達到最佳容量。即使改變比例,也很難獲得更好的水處理能力。圖2(b)顯示,當引發劑質量分數為0.1%時,處理效果最好。當引發劑添加量不足時,聚合反應不夠完全,導致水處理能力低。但自由基引發劑加入量過多后,反應速率過快,導致內爆反應大量放熱破壞聚合物結構,導致處理能力下降。圖2(c)顯示,當反應時間為3 h時,處理效果最好。隨著反應時間的增加,聚合反應逐漸進行,聚合物的分子量逐漸增加,直到反應變得穩定。然后隨著時間的增加,聚合反應趨于終止,聚合物中沒有發生新的變化。

圖2 紅外光譜

2.3 PAC-AM/DMC合成機理

2.3.1 紅外分析

PAC-AM/DMC及其絮體的表征和分析,可以客觀地反映其聚合機理和物理化學特性,也可以支持合成實驗的結果。表征主要集中在對PAC-AM/DMC的分子結構的討論和分析,這為后續的混凝評價實驗提供了更好的理論基礎。

圖2顯示了PAC-AM/DMC和PAC的紅外光譜。根據紅外分析,3 428 cm-1處的吸收峰是-OH的拉伸振動峰,1 666 cm-1處吸收峰是C的拉伸振動峰值C=O。這些吸收峰是丙烯酰胺聚合物的典型特征吸收峰,可以在絮凝劑的紅外光譜上看到。在絮凝劑光譜中,有C=C拉伸振動峰值位于1 633 cm-1,與C部分重疊C=O拉伸振動峰值。C-O拉伸振動峰值在1 182 cm-1,該峰值僅出現在PAC-AM/DMC的紅外光譜中。這表明,交換到PAC膠體顆粒穩定層的過硫酸鹽離子被熱分解以引發AM單體的聚合,PAM鏈末端以離子鍵的形式與SO42-連接,從而有機和無機組分通過SO42-的橋接作用連接在一起。上述分析證明,PAC-AM/DMC中的有機和無機組分以離子鍵的形式連接。

2.3.2 Zeta電位

如圖3所示,隨著PAC-AM/DM絮凝劑用量的增加,溶液體系的Zeta電位也在增加。當不添加絮凝劑時,Zeta電位為負,表明污水顆粒帶負電。絮凝劑增加到8 mg/L后,溶液系統的電位由負變為正。這也表明,PAC-AM/DM具有正電荷,帶正電荷的基團可以更好地中和顆粒電荷。這使得懸浮顆粒的Zeta電位下降不穩定。在這種情況下,顆粒更容易聚集并沉淀在一起,從而有助于改善絮凝效果。可以看出,PAC-AM/DMC在污水處理中比復合絮凝劑更好、更有效。

圖3 Zeta電位

通過紅外光譜可以推斷,PAC-AM/DMC反應過程中的成鍵、斷鍵以及官能團變化;通過Zeta電位實驗能夠發現,PAC-AM/DMC表面電荷情況,用以佐證反應進程,因此,我們推斷PAC-AM/DMC的反應機理如圖4所示。

圖4 PAC-AM/DMC合成原理

3 有機絮凝劑在水處理中的應用

3.1 實驗設計和方法

PAC-AM/DMC絮凝劑是一種新型的水處理化學品,具有高效、環保等優點,本實驗采用PAC-AM/DMC和模擬水樣為原料,絮凝劑加入含有COD和懸浮物的模擬水樣中,通過定量分析的方法,測定了COD和懸浮物的去除率,并監測了pH值和濁度的變化。在實驗操作后,通過定量分析的方法,測定了COD和懸浮物的去除率。具體數據如表1所示。

表1 COD和懸浮物的去除率

由表1數據可以看出,僅自來水處理的COD和懸浮物去除率均為0,而加入PAC-AM/DMC絮凝劑后,COD去除率和懸浮物去除率分別提高到了67.5%和91.2%。這表明PAC-AM/DMC絮凝劑在水處理中具有明顯的去除污染物的效果,尤其是對懸浮物的去除率較高,說明該絮凝劑具有較強的絮凝作用。

在實驗操作中,還監測了pH值和濁度的變化。具體數據如表2所示。由上表數據可以看出,僅自來水處理的pH值和濁度均無明顯變化,而加入PAC-AM/DMC絮凝劑后,pH值略有下降,濁度顯著下降。這說明PAC-AM/DMC絮凝劑在水處理中能夠有效地降低水體的濁度,并對水體的pH值產生一定的影響。這可能是由于PAC-AM/DMC絮凝劑的添加導致水體中的一些離子濃度發生了變化,進而影響了水體的pH值。

表2 pH值和濁度的變化

綜合上述實驗結果可以得出結論,PAC-AM/DMC絮凝劑具有較強的去除污染物的能力,在水處理中具有潛在的應用前景。不過,在實際應用中還需要進一步優化合成工藝和調整使用量,以達到最佳的處理效果。同時,還需要進一步研究PAC-AM/DMC絮凝劑的穩定性、安全性等問題,為其廣泛應用提供更多的保障。

4 結語

本研究以AM、DMC和PAC為原料,采用水熱合成法成功合成了一種高效有機絮凝劑,并探究了其在水處理中的應用。實驗結果表明,PAC-AM/DMC能夠有效去除水中的COD和懸浮物,去除率分別提高到了67.5%和91.2%。同時,還能顯著降低水體的濁度,略微降低水體的pH值。因此,該絮凝劑在水處理中具有潛在的應用前景,但還需要進一步優化合成工藝和使用量,以達到最佳的處理效果。