阳离子淀粉复合絮凝剂对高岭土悬浮液的絮凝处理*

王香爱，张洪利,葛子龙

(渭南师范学院 化学与生命科学学院，陕西 渭南 714000)

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(TA)：自制；聚合三氯化铝(PAC)：工业品，玉米淀粉：工业品，NaOH：AR，无水甲醇：AR，HCl：AR，无水乙醇：AR，西安化学试剂厂，高岭土：CP，河北红鑫矿产品加工厂。

JJ-1精密增力搅拌器：上海雷磁仪器厂；PB-10型pH计：北京赛多利斯仪器系统有限公司；WGZ-1数字浊度仪：上海珊科仪器厂；Acculab电子分析天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科技有限公司；秒表：上海秒表星钻秒表有限公司。

1.2 阳离子淀粉的合成

1.2.1 反应机理[6]

其中，反应式(1)和(2)为阳离子淀粉的生成反应，反应式(3)和(4)为阳离子化试剂和阳离子淀粉在碱性条件下的水解反应[7]。

1.2.2 阳离子淀粉的制备

称取一定量氢氧化钠于500 mL的烧杯中，加水进行溶解，冷却后加入醚化剂(CTA)并搅拌均匀，反应10 min后加入100 g玉米淀粉在室温下搅拌1 h，在热水浴中预干燥至淀粉含水量降至约14%，压碎混合均匀，置于一密闭容器中放置到恒温烘箱中，在温度60～70 ℃下反应4 h，得到干的白色固体粗产品，再用质量分数80%乙酸溶液浸泡，过滤，洗涤，真空干燥得白色粉末状季铵型高取代度阳离子淀粉。

1.2.3 阳离子淀粉的表征

用IRPRESTIGE-21(200VCE)型红外光谱仪对阳离子淀粉进行了表征，结果见图1。

σ/cm-1图1 阳离子淀粉的红外光谱图

由图1可以看出，在3 426 cm-1有O—H的吸收峰，1 014 cm-1有醚键的吸收峰，1 220 cm-1为C—N吸收峰，表明淀粉已接上了阳离子基团。

1.3 阳离子淀粉复合絮凝剂对高岭土悬浮液的絮凝实验

1.3.1 配置ρ(阳离子淀粉)=1 g/L溶液

准确称取1 g阳离子淀粉于小烧杯中，加100 mL蒸馏水使其溶解，转入1 000 mL的容量瓶中，用少量的蒸馏水洗涤小烧杯数次，将洗涤液一并转入1 000 mL的容量瓶中，然后用蒸馏水稀释到刻度，摇匀，待用。

1 3.2 配置ρ(聚合三氯化铝)=1 g/L的溶液

用相同的方法配置1 g/L的聚合三氯化铝溶液。

1.3.3 絮凝性能的测定

在2 L的烧杯中,分别加入高岭土5 g,加水1 L,搅拌均匀后按一定质量配比加入阳离子淀粉溶液和聚合三氯化铝溶液，调整变速搅拌器以120 r/min的转速快速搅拌10 min，转速降至30 r/min继续慢搅15 min，记录沉降时间，取上清液测其浊度。

2 结果与讨论

单独使用PAC对高岭土悬浮液进行絮凝处理，最佳条件：PAC用量为100 mg/L，沉降时间为4 h，pH = 7。在此条件下，高岭土悬浮液的浊度降为40。

2.1 阳离子淀粉复合絮凝剂的添加量对高岭土悬浮液的絮凝性能的影响

取7个2 L的烧杯，分别加入高岭土5 g,加水1 L，搅拌均匀。固定阳离子淀粉溶液的用量5 mg，pH=7,沉降时间30 min,改变m(PAC)∶m(阳离子淀粉)。不同配比的阳离子淀粉复合絮凝剂对高岭土悬浮液絮凝性能的影响见表1。

表1 聚合三氯化铝和阳离子淀粉的配比对高岭土悬浮液的絮凝性能的影响

由表1可以看出,浊度值随m(PAC)∶m(阳离子淀粉)的比例增大而减小,当m(PAC)∶m(离子淀粉)=10∶1时,浊度降为最小27,当加入量继续增大时,浊度值有所回升。一方面，阳离子淀粉的架桥作用使得污水杂质吸附在其活性基团上形成卷扫作用,从而携带其它的杂质颗粒一同下沉；另一方面PAC具有高的正电荷，当ρ(PAC)在一定范围内增加时，其正电荷增多使得污水中的负离子可以被充分中和，有助于复合絮凝剂快速、充分地同胶体物质碰撞、脱稳、凝聚、絮凝效果增加,但质量浓度过高时絮凝效果反而下降,这是由于颗粒表面被过多的絮凝体所饱和，颗粒表面已无吸附空位，而使絮凝剂失去架桥作用，同时由于高分子吸附膜的空间位阻效应，使颗粒间互相排斥，颗粒又重新处于稳定分散状态，从而絮凝效果下降。m(PAC)∶m(阳离子淀粉)的最佳配比为 10∶1。

2.2 沉降时间对阳离子淀粉复合絮凝剂的絮凝性能的影响

取7个2 L的烧杯，分别加入高岭土5 g,加水1 L,搅拌均匀。固定阳离子淀粉的用量5 mg，m(PAC)∶m(阳离子淀粉)=10∶1，pH=7,改变沉降时间。沉降时间对阳离子淀粉复合絮凝剂的絮凝性能的影响见表2。

表2 沉降时间对阳离子淀粉复合絮凝剂的絮凝性能的影响

由表2 可以看出随着沉降时间的延长,浊度值由大变小,这是因为阳离子淀粉和PAC均带有正电荷，通过静电吸引和吸附，将水中的粒子凝聚成絮体。所以聚体达到一定体积后沉降，时间的延长有利于絮凝剂充分与胶体物质碰撞所以浊度减小。当沉降时间为30 min时，悬浮液的浊度降至最小值22.5，再延长沉降时间，浊度值反而增大。这是由于当沉降时间过长时，阳离子淀粉和PAC所带的正电荷与悬浮液中微粒所带的负电荷达到静电平衡[7]，使絮团表面缺少相应的吸附点,同时，由于空间位阻作用和架桥吸附不稳定的胶粒会重新分散到溶液中，所以浊度值反而增大。最佳沉降时间为 32 min。

2 3 pH值对阳离子淀粉复合絮凝剂的絮凝效果的影响

取7个2 L的烧杯，分别加入高岭土5 g,加水1 L,搅拌均匀。固定阳离子淀粉的用量5 mg，m(PAC)∶m(阳离子淀粉)=10∶1，沉降时间32 min，改变pH(用1 mol/L的NaOH或H2SO4调节pH)。pH值对阳离子淀粉复合絮凝剂的絮凝效果的影响见表3。

表3 pH值对阳离子淀粉复合絮凝剂的絮凝性能的影响

表3看出，随着pH的增加，浊度值由大变小，pH =9时浊度值最小为3.1，当pH>9时，浊度值增大。即在弱碱性条件下，阳离子淀粉复合絮凝剂的絮凝效果较好。这是因为一方面聚合铝盐是从Al3+盐到Al(OH)3之间的一系列亚稳态物，一般是三铝到十三铝的羟基络合物，只要条件稍有变化，就会出现脱稳现象，即产生絮凝。许多学者认为Al13([Al13O4(OH)24(H2O)12]7+)带有高的正电荷和较强的架桥能力，在絮凝过程中较稳定，是聚合氯化铝混凝的有效成分。而聚合三氯化铝在强酸性条件下以单体形式Al3+存在，在强碱性条件下则生成Al(OH)3沉淀，均降低了聚铝的有效成分Al13([Al13O4(OH)24(H2O)12]7+)[8]。另一方面，pH值过低时,体系中正电荷增多，会排斥阳离子淀粉的正电荷,导致絮凝效果下降；pH过高时,体系中负电荷增多，会中和阳离子淀粉的正电荷，而且阳离子淀粉在碱性条件下水解为3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵[6]而部分失效,甚至使已经形成的絮体重新变成胶体[9],失去絮凝效果。pH=9时效果最好。

3 结 论

以自制的阳离子淀粉与聚合三氯化铝复配使用对高岭土悬浮液的絮凝处理，最佳实验条件为：阳离子淀粉为用量为5 mg/L,m(PAC)∶m(阳离子淀粉)=10∶1，沉降时间为32 min，pH=9。在该条件下，高岭土悬浮液的浊度值可降至3.1。

[ 参 考 文 献 ]

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