高效有机絮凝剂合成机理及其水处理中的应用研究

姜金国

(菏泽市生态环境局鄄城县分局,山东 菏泽 274699)

淡水资源是人类生存最宝贵的资源之一。根据联合国2018年发布的《世界水资源开发》,人类对水的需求以每年1%的速度稳步增长,目前世界上近一半的人口生活在缺水地区。此外,自20世纪末以来,世界工业发展迅速,工业废水的排放进一步使稀缺的淡水资源紧张。目前,污水处理根据作用机理分为物理法、化学法和生物降解法。其中,物理法主要针对污水中的悬浮固体,化学法主要针对水中的胶体颗粒和可溶性物质,而生物降解方法主要依靠微生物的降解来净化污水。絮凝法结合了物理和化学处理方法,是目前公认的最佳经济效果和处理效果。丙烯酰胺(AM)是一种阳离子单体,具有很强的吸附和桥接能力。DMC(甲基丙烯氧基乙基三甲基氯化铵)是一种有机阳离子单体,其聚合物具有很强的吸附和桥接能力。作为一种广泛使用的无机水处理剂,聚合氯化铝(PAC)具有良好的浊度去除率和脱色率、相同浊度去除率的低添加量和低铝残留率等优点[1-5]。因此,本文选择AM、DMC和PAC制备有机絮凝剂,聚合引发过程简单,产品无毒无害。

1 有机絮凝剂研究现状

1.1 有机絮凝剂制备方法

1.1.1 合成聚合物型有机絮凝剂

合成聚合物型有机絮凝剂是一种常见的有机絮凝剂制备方法,也是目前应用最为广泛的方法之一。这种方法通过聚合反应,将单体聚合成高分子链,再对高分子链进行化学修饰,最终制得具有良好絮凝效果的有机絮凝剂,聚合物型有机絮凝剂具有以下特点。(1)分子量大:聚合物型有机絮凝剂的分子量一般在几千到数十万不等,具有较好的絮凝效果;(2)稳定性好:由于聚合物型有机絮凝剂的分子链结构较为稳定,具有较好的耐水性和耐盐性,可以适用于多种水质条件;(3)效果稳定:聚合物型有机絮凝剂在水中的絮凝效果稳定可靠,能够长时间保持水质清洁。

对于聚合物型有机絮凝剂的制备,通常采用自由基聚合反应、阳离子聚合反应等方法。具体来说,首先需要选择适合的单体,并将其聚合成高分子链,然后再对高分子链进行化学修饰,例如引入阳离子基团或羧基等。化学修饰可以提高高分子链的水溶性和絮凝效果,同时还可以控制有机絮凝剂的分子量、分子量分布和带电性等性质,从而实现有机絮凝剂的定制化制备。需要注意的是,合成聚合物型有机絮凝剂的制备需要严格控制反应条件和化学结构,以保证絮凝效果和水质安全性。

1.1.2 提取天然有机絮凝剂

提取天然有机絮凝剂是一种常见的有机絮凝剂制备方法。相对于合成聚合物型有机絮凝剂,天然有机絮凝剂具有可再生、环保、无毒等特点,因此受到越来越多的关注。天然有机絮凝剂的来源主要包括植物、动物和微生物等。其中,植物中的多糖类物质,如木聚糖、果胶等,具有良好的絮凝性能,可以通过热水提取或酸碱水解等方法进行提取。动物中的胶原蛋白、明胶等也是常见的天然有机絮凝剂,可以通过酸、碱或酶解等方法提取。另外,微生物中的多糖类物质如葡聚糖、菌胶等也具有很好的絮凝性能,可以通过发酵等方法进行提取。

不同的天然有机絮凝剂在水处理中具有不同的应用效果。例如,木聚糖在pH值为3～4的条件下表现出较好的絮凝效果;果胶可以与金属离子形成络合物,从而加强其絮凝效果;而胶原蛋白的结构稳定性较差,容易被热水或酸碱条件破坏,因此在使用时需要注意调节条件。此外,天然有机絮凝剂的使用量也需要根据具体情况进行调节,一般需要根据水质、悬浮物浓度、pH值等因素进行适当调整。提取天然有机絮凝剂是一种可持续的、环保的有机絮凝剂制备方法,具有广泛的应用前景。不同种类的天然有机絮凝剂具有不同的结构和性质,因此需要在具体应用中进行合理的选择和调节。

1.2 有机絮凝剂作用机理

有机絮凝剂的主要作用机理是带电的有机高分子与悬浮在水中的颗粒相互作用,形成一种类似于桥的结构,使颗粒间相互连接,最终形成大的凝聚物。有机絮凝剂的作用过程主要包括吸附、桥连接和沉淀三个步骤。

1.2.1 吸附

有机絮凝剂中的带电高分子与水中的颗粒相互作用,形成吸附层。由于有机高分子分子链上带有许多离子基团,它们可以与颗粒表面带电荷的区域相互吸附,形成一层有机高分子的覆盖层。这层覆盖层的形成可以阻止颗粒之间的碰撞和凝聚,从而起到稳定分散的作用。

1.2.2 桥连接

有机絮凝剂在吸附后,会发生分子间相互作用,形成桥连接,使不同颗粒之间相互连接。桥连接的形成是通过高分子链的交叉作用来实现的,一般是由于高分子的带电基团在颗粒表面形成电荷吸引相互吸附,从而形成桥连接。这种桥连接作用会使得颗粒之间距离减小,颗粒之间的吸引力增强,从而使得颗粒形成更紧密的聚集。

1.2.3 沉淀

随着颗粒间桥连接的增强,聚集的颗粒逐渐变得越来越大,最终达到沉淀的条件,从而沉淀到水底。这个过程是由于颗粒之间相互作用力的增强而导致的,随着颗粒之间的距离缩小和连接的增强,聚集成的颗粒体积增大,密度也增加,最终形成沉淀物。

2 高效有机絮凝剂制备

2.1 材料选择及制备过程

2.1.1 试剂

聚合氯化铝(PAC)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯氧基乙基三甲基氯化铵(DMC)、过硫酸钾、盐酸和碳酸氢钠,所有试剂均为化学纯(AR),蒸馏水(DI水)。

2.1.2 絮凝剂的合成

在四颈烧瓶中,以1∶5,1∶9,2∶8,3∶7,4∶6的体积比例混合PAC和DMC+AM,DMC/AM的体积比例为1∶1,然后吹入氮气30 min以除去烧瓶中的氧气。在氮气保护下,在搅拌的同时加入不同比例的过硫酸钾引发剂。聚合反应在水浴中在50 ℃的恒温下进行2 h,然后在干燥箱中在60 ℃的恒温条件下干燥产物。干燥后的产品用粉碎机粉碎,成功制备了新型有机聚合物(PAC-AM/DMC)。将PAC-AM/DMC溶解在一定量的纯水中以供以后使用。PAC-AM/DMC合成原理如图1所示。

图1 单因素实验影响

2.2 最优实验配比

为了探讨最佳絮凝效果的条件,建立了单因素实验。研究了DMC与AM单体的比例、引发剂的含量、絮凝时间对絮凝剂处理模拟污水的影响。如图2(a),当DMC和AM单体比例达到80%时,浊度去除率达到最大值。因为单体的优异吸附桥接作用和阳离子对沉淀的吸附作用已达到最佳容量。即使改变比例,也很难获得更好的水处理能力。图2(b)显示,当引发剂质量分数为0.1%时,处理效果最好。当引发剂添加量不足时,聚合反应不够完全,导致水处理能力低。但自由基引发剂加入量过多后,反应速率过快,导致内爆反应大量放热破坏聚合物结构,导致处理能力下降。图2(c)显示,当反应时间为3 h时,处理效果最好。随着反应时间的增加,聚合反应逐渐进行,聚合物的分子量逐渐增加,直到反应变得稳定。然后随着时间的增加,聚合反应趋于终止,聚合物中没有发生新的变化。

图2 红外光谱

2.3 PAC-AM/DMC合成机理

2.3.1 红外分析

PAC-AM/DMC及其絮体的表征和分析,可以客观地反映其聚合机理和物理化学特性,也可以支持合成实验的结果。表征主要集中在对PAC-AM/DMC的分子结构的讨论和分析,这为后续的混凝评价实验提供了更好的理论基础。

图2显示了PAC-AM/DMC和PAC的红外光谱。根据红外分析,3 428 cm-1处的吸收峰是-OH的拉伸振动峰,1 666 cm-1处吸收峰是C的拉伸振动峰值C=O。这些吸收峰是丙烯酰胺聚合物的典型特征吸收峰,可以在絮凝剂的红外光谱上看到。在絮凝剂光谱中,有C=C拉伸振动峰值位于1 633 cm-1,与C部分重叠C=O拉伸振动峰值。C-O拉伸振动峰值在1 182 cm-1,该峰值仅出现在PAC-AM/DMC的红外光谱中。这表明,交换到PAC胶体颗粒稳定层的过硫酸盐离子被热分解以引发AM单体的聚合,PAM链末端以离子键的形式与SO42-连接,从而有机和无机组分通过SO42-的桥接作用连接在一起。上述分析证明,PAC-AM/DMC中的有机和无机组分以离子键的形式连接。

2.3.2 Zeta电位

如图3所示,随着PAC-AM/DM絮凝剂用量的增加,溶液体系的Zeta电位也在增加。当不添加絮凝剂时,Zeta电位为负,表明污水颗粒带负电。絮凝剂增加到8 mg/L后,溶液系统的电位由负变为正。这也表明,PAC-AM/DM具有正电荷,带正电荷的基团可以更好地中和颗粒电荷。这使得悬浮颗粒的Zeta电位下降不稳定。在这种情况下,颗粒更容易聚集并沉淀在一起,从而有助于改善絮凝效果。可以看出,PAC-AM/DMC在污水处理中比复合絮凝剂更好、更有效。

图3 Zeta电位

通过红外光谱可以推断,PAC-AM/DMC反应过程中的成键、断键以及官能团变化;通过Zeta电位实验能够发现,PAC-AM/DMC表面电荷情况,用以佐证反应进程,因此,我们推断PAC-AM/DMC的反应机理如图4所示。

图4 PAC-AM/DMC合成原理

3 有机絮凝剂在水处理中的应用

3.1 实验设计和方法

PAC-AM/DMC絮凝剂是一种新型的水处理化学品,具有高效、环保等优点,本实验采用PAC-AM/DMC和模拟水样为原料,絮凝剂加入含有COD和悬浮物的模拟水样中,通过定量分析的方法,测定了COD和悬浮物的去除率,并监测了pH值和浊度的变化。在实验操作后,通过定量分析的方法,测定了COD和悬浮物的去除率。具体数据如表1所示。

表1 COD和悬浮物的去除率

由表1数据可以看出,仅自来水处理的COD和悬浮物去除率均为0,而加入PAC-AM/DMC絮凝剂后,COD去除率和悬浮物去除率分别提高到了67.5%和91.2%。这表明PAC-AM/DMC絮凝剂在水处理中具有明显的去除污染物的效果,尤其是对悬浮物的去除率较高,说明该絮凝剂具有较强的絮凝作用。

在实验操作中,还监测了pH值和浊度的变化。具体数据如表2所示。由上表数据可以看出,仅自来水处理的pH值和浊度均无明显变化,而加入PAC-AM/DMC絮凝剂后,pH值略有下降,浊度显著下降。这说明PAC-AM/DMC絮凝剂在水处理中能够有效地降低水体的浊度,并对水体的pH值产生一定的影响。这可能是由于PAC-AM/DMC絮凝剂的添加导致水体中的一些离子浓度发生了变化,进而影响了水体的pH值。

表2 pH值和浊度的变化

综合上述实验结果可以得出结论,PAC-AM/DMC絮凝剂具有较强的去除污染物的能力,在水处理中具有潜在的应用前景。不过,在实际应用中还需要进一步优化合成工艺和调整使用量,以达到最佳的处理效果。同时,还需要进一步研究PAC-AM/DMC絮凝剂的稳定性、安全性等问题,为其广泛应用提供更多的保障。

4 结语

本研究以AM、DMC和PAC为原料,采用水热合成法成功合成了一种高效有机絮凝剂,并探究了其在水处理中的应用。实验结果表明,PAC-AM/DMC能够有效去除水中的COD和悬浮物,去除率分别提高到了67.5%和91.2%。同时,还能显著降低水体的浊度,略微降低水体的pH值。因此,该絮凝剂在水处理中具有潜在的应用前景,但还需要进一步优化合成工艺和使用量,以达到最佳的处理效果。