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[化学品] 阳离子瓜尔胶改性絮凝剂的絮凝性能研究

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发表于 2012-6-30 14:15:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
2009年第12期(总第133期)
黎丽华1,何东保2(1.广西电力工业勘察设计研究院,广西 南宁 530023;2.武汉大学资源与环境科学学院,湖北 武汉 430072)

 【摘 要】 以硝酸铈铵(CAN)为引发剂,采用水溶液聚合
法,制备了阳离子瓜尔胶与丙烯酰胺的接枝共聚物(pAm-g-CG40)。将制得的接枝共聚物作为阳离子絮凝剂,应用于生活污水的净化处理。结果表明,pAm-g-CG40具有良好的絮凝效果,其絮凝作用优于阴离子聚丙烯酰胺(APAM)。而且,在与聚合铁(PFS)复合作用时,可大大提高其絮凝作用,更加有效地去除污水的浊度。
  【关键词】 阳离子瓜尔胶;丙烯酰胺;接枝共聚;絮凝
 
1 引言
  20世纪70年代以来,对天然高分子改性絮凝剂的研究与开发目前一直呈上升趋势。目前,研究较多的天然改性絮凝剂包括淀粉类[1-2]、壳聚糖类[3]接枝共聚改性絮凝剂等。但是,将丙烯酰胺接枝到阳离子瓜尔胶上,并将所制得的共聚物作为絮凝剂,用于城市污水处理的研究尚未见报道。
因此,本实验以硝酸铈铵为引发剂,引发丙烯酰胺和阳离子瓜尔胶(CG40)进行接枝聚合反应制得pAAm-g-CG40。研究了其在不同反应条件下的接枝共聚规律,及其在废水处理中的絮凝性能。
 
2 实验部分
2.1  原料和试剂
  阳离子瓜尔胶CG40(工业级,上海高维化学有限公司);丙烯酰胺AM(分析纯,湖北大学化工厂);硝酸铈铵CAN(化学纯,中国医药集团上海化学试剂公司);对苯二酚(分析纯,河南焦作市化工厂三厂),其余的试剂均为分析纯。
2.2  接枝共聚物pAAm-g-CG40的制备
  将1gCG40分散于40 ml蒸馏水中,倒入装有搅拌器、温度计和氮气管的三口烧瓶中。在氮气保护下,搅拌,升温至预定反应温度,再加入一定浓度的CAN溶液20ml以引发CG40产生多糖自由基。约10min后,逐滴加入一定浓度的单体水溶液40 ml。反应至预定时间后,加入少量阻聚剂对苯二酚终止反应[4],停止搅拌,切断N2。产物冷却至室温后用乙醇进行沉淀、过滤,在低于50℃的真空干燥器中干燥至恒重,得接枝共聚粗产物。
2.3  接枝共聚粗产物的提纯
  将粗产物在60∶40(体积比)[5]的乙二醇和醋酸混合溶剂中浸泡24h后,过滤。将滤液倒入乙醇中看是否有均聚物PAM沉淀出来[6]。此过程反复操作多次,直至滤液在乙醇中无沉淀产生为止。将提纯后的接枝共聚物再次置于真空干燥器中干燥。接枝率(G%)和接枝效率(GE%)由以下公式计算[4]:
  接枝率(G%)=(W2-W0)/W0×100%
  接枝效率(GE%)=(W2-W0)/(W1-W0)×100%
  式中,W0、W1和W2分别为CG40、接枝共聚粗产物、接枝共聚物的质量(g)。
2.4  絮凝沉降实验
  絮凝实验在JJ-4型六联电动搅拌机上进行,以浊度去除率来反映絮凝效果,采用SZD-1型散光浊度仪(上海自来水厂)测定浊度。实验所用废水样取自武汉水质净化厂,原水水质为:浊度21.4 NTU,pH值:7.51。
  分别在500 ml的烧杯中倒入400 ml水样,打开搅拌机,加入定量絮凝剂,快速搅拌(约150 r/min)1 min后,将转速调低至20~30 r/min继续搅拌10 min。然后停止搅拌,静置20 min,用针筒抽取水面下30 mm处的水样进行浊度测定[7-8]。
 
3 絮凝实验结果与讨论
3.1  最佳剂量的确定
  分别取pAAm-g-CG40 2.5、5.0、7.5、10.0、12.5和15.0 mg/L进行絮凝实验,其结果如图1所示。

     图1  pAAm-g-CG40浓度对剩余浊度的影响
  由图1可以看出,随着pAAm-g-CG40用量的增加,剩余浊度逐渐减小。在pAAm-g-CG40浓度达到10 mg/L时,剩余浊度降至最低值 7.9 NTU。但是若继续增大pAAm-g-CG40的浓度,剩余浊度反而开始上升。
  这主要是因为:阳离子聚合物的絮凝机理是电荷中和和吸附架桥作用[9],当pAAm-g-CG40的浓度较低时,只能中和颗粒表面部分的负电荷,降低部分的ζ电位,因此絮凝效果非常低。当pAAm-g-CG40的浓度增大时,颗粒表面电荷被中和的量也增大,ζ电位进一步降低,同时参与架桥的大分子也增多,絮凝效果增大。当pAAm-g-CG40的浓度增大到一定值时,废水中颗粒表面的电荷正好被中和,ζ电位降到零,这种状态就是所谓的“等电状态”,同时也是最佳絮凝状态,此时的pAAm-g-CG40的浓度即为最佳投入量[10-11]。如果pAAm-g-CG40过量,则架桥作用所必需的颗粒表面吸附活性点被pAAm-g-CG40所包裹,并且颗粒由带负电荷转为带正电荷,由于同性电荷之间的相互排斥作用,使得颗粒复稳,因此剩余浊度就相应地有所回升[12]。
3. 2  最佳pH值的确定
  采用1.0 mM HCl 和1.0 mM NaOH溶液调节废水pH值,取pAAm-g-CG40浓度为10 mg/L,则pH值对pAAm-g-CG40絮凝效果的影响如图2所示。从图2中可以看出,在酸性条件下,pAAm-g-CG40的絮凝效果不理想,随着pH值的上升,效果显著提高;当pH值为7.32时剩余浊度降到最低值,说明此时絮凝效果最好,也符合国家水质排放标准;而pH值继续增大时,剩余浊度又增大,其絮凝效果再次变差。所以,pAAm-g-CG40絮凝剂较适合处理pH=6.5~8.5范围内的废水。

    图2  pH值对pAAm-g-CG40絮凝效果的影响
3. 3 pAAm-g-CG40与其它絮凝剂的比较
  实验选用了阴离子PAM(APAM)、阳离子絮凝剂PDMDAAC(聚二甲基二烯丙基氯化铵)与pAAm-g-CG40进行了絮凝效果的比较,比较结果如表1所示。从表1中可以看出,pAAm-g-CG40的絮凝效果与PDMDAAC近似,而优于APAM。虽然pAAm-g-CG40的效果没有PDMDAAC好,但pAAm-g-CG40是由天然多糖改性而成,具有无毒、可生物降解的优势。此外,通过比较可知,阳离子絮凝剂对于含负电荷颗粒的废水的处理效果明显好于阴离子型的高分子絮凝剂,这与H.Xiao等的研究结论一致[10]。
表1 共聚物pAAm-g-CG40与阴离子PAM(APAM)、阳离子絮凝剂PDMDAAC絮凝效果的比较
         pAAm-g-CG40        PDMDAAC        APAM
剩余浊度
(NTU)        7.9        7.1        10.9
3. 4  pAAm-g-CG40与聚合铁(PFS)的复合絮凝作用
  实验中,先在各水样中投加22.5 mg/L PFS,搅拌1 min后,再加入不同量的pAAm-g-CG40(投加量与图1中相同),两者复合絮凝效果如图3所示。与图1相比较可以看出,pAAm-g-CG40配合PFS使用,其絮凝效果较单一使用pAAm-g-CG40或PFS明显改善。剩余浊度分别从单独使用pAAm-g-CG40时的7.9 NTU和单独使用PFS时的5.8 NTU下降至1.4 NTU。
  阳离子絮凝剂pAAm-g-CG40分子链上带有正电荷,虽然具有一定的压缩微小颗粒表面双电层的作用,但其主要功能是“吸附架桥”作用[13]。所以,一般应先加入无机絮凝剂PFS,再加入pAAm-g-CG40。首先,加入的PFS可以通过静电作用吸附表面带负电荷的颗粒,压缩其双电层,从而使颗粒间的静电斥力得以降低,并在范德华力的作用下相互凝聚,形成较小的初始絮体;由于聚合铁降低了体系的斥力,所以当投加pAAm-g-CG40后,使得它能够在体系中得到较充分的伸展,其长链结构便可以在相距较远的初始絮体之间“架桥”,颗粒逐渐变大,最终形成粗大的絮凝体,沉淀下来,强化了除浊效果[11]。
  实验表明,将有机、无机絮凝剂配合使用,可充分利用无机絮凝剂的电荷中和和有机絮凝剂的吸附架桥作用,从而使总絮凝效果得以提高[13]。

图3   pAAm-g-CG40与聚合铁(PFS)的复合絮凝效果
 
4 结论
  (1)采用水溶液自由基聚合方法,以硝酸铈铵为引发剂,成功制备了阳离子瓜尔胶CG40与聚丙烯酰胺AM的接枝共聚物pAAm-g-CG40,并通过红外谱图证实了接枝的发生。
  (2)絮凝实验表明,接枝共聚物pAAm-g-CG40对于城市污水具有较好的絮凝能力。其最佳剂量为10 mg/L,最佳pH值为7左右。与无机絮凝剂PFS复合作用,效果要优于单独使用其中任一种絮凝剂的效果。
  阳离子瓜尔胶-丙烯酰胺接枝共聚物是由阳离子瓜尔胶半刚性主链和柔性的聚丙烯酰胺支链以化学键紧密结合,形成体积庞大、刚柔相济的网状大分子。由于其结构特点,它与聚丙烯酰胺相比,具有絮凝能力强、分子链稳定性增加、适应范围广等特点。因此,是一类应用前景良好、价廉物美的新型絮凝剂[12]。
 
参考文献
[1]赵彦生,李万捷,沈敬之等.淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物的合成与性能[J].水处理技术,1994,20(6):370-373.
[2]唐宏科,陈均志,刘相平.阳离子型聚丙烯酰胺接枝淀粉絮凝剂的制备及其在造纸中的初步应用研究[J].造纸化学品,2003,(1):15-18.
[3]王峰,李义久,倪亚明.丙烯酰胺接枝共聚壳聚糖絮凝剂的合成及絮凝性能研究[J].工业水处理,2003,23(12):45-47.
[4]张健,谢续明,张黎明等.丙烯酰胺与二(烯丙基)十二胺在羧甲基纤维素上的接枝共聚物合成与表征[J].高分子学报,2002,(1):1-6.
[5]田大听,米远祝,王辉等.用焦磷酸络锰(Ⅲ)引发丙烯酰胺接枝魔芋粉合成增稠剂[J].高分子材料科学与工程,2002,18(5):167-170.
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[11]盛雪芹.天然高分子改性絮凝剂的制备及性能评价[D].大连海事大学硕士毕业论文,2003:32-35.
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【作者简介】:黎丽华(1977-),女,硕士,广西桂林人,主要从事环境影响评价、环境保护设计等工作。
发表于 2013-2-4 10:03:28 | 显示全部楼层
楼主,这个东东在碱性环境下能用否?
发表于 2013-3-18 11:52:24 | 显示全部楼层
reply?thank有
 楼主| 发表于 2013-3-18 20:21:55 | 显示全部楼层
阳离子瓜尔胶,非离子瓜尔胶,阴离子瓜尔胶在pH值小于9的时候,其使用效果影响不大。瓜尔胶原粉,α-瓜尔胶在碱性水溶液中才比较容易分散溶胀,不至于抱团。瓜尔胶的水溶液浓度在1.25%以下为应用浓度,大于1.5%浓度容易产生胶凝。
发表于 2014-8-16 08:39:48 | 显示全部楼层
阿梁:COPY别人的东西在这干吗拾人口舌。鄙视!
发表于 2021-2-25 09:56:47 | 显示全部楼层
可以试用25%PEI(聚乙烯亚胺)原液来和瓜尔胶粉对比一下助留助滤效果。
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