陳 瑞 朱升干

（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310012）

淀粉與丙烯酰胺單體經(jīng)接枝共聚反應(yīng)獲得的淀粉接枝共聚物，是使用綠色環(huán)保、廉價(jià)的淀粉代替部分丙烯酰胺，將其作為絮凝劑應(yīng)用于廢水處理，表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性能，具有低成本、無(wú)污染、無(wú)毒、可生物降解的優(yōu)點(diǎn)，是目前天然高分子絮凝劑重點(diǎn)發(fā)展方向之一[1-3]。

近年來(lái)將淀粉基高分子絮凝劑應(yīng)用于廢水處理，已有不少成果[4-6]，然而廢水是一種極為復(fù)雜的分散體系，單一絮凝劑往往無(wú)法滿足處理的需要。實(shí)踐證明無(wú)機(jī)-有機(jī)絮凝劑之間復(fù)配表現(xiàn)出優(yōu)于單一絮凝劑的效果[7]。目前關(guān)于單一絮凝劑處理廢水的研究報(bào)道較多，而關(guān)于淀粉基高分子絮凝劑與無(wú)機(jī)絮凝劑復(fù)配處理廢水報(bào)道相對(duì)較少。本文采用淀粉接枝共聚物與聚合氯化鋁復(fù)配處理高嶺土懸濁液，利用圖像拍攝分析技術(shù)分析絮體平均粒徑，并利用正交實(shí)驗(yàn)篩選出各因素對(duì)濁度去除率與絮體粒徑的最佳工藝條件，從而為淀粉接枝共聚物與PAC絮凝劑復(fù)配處理廢水過(guò)程提供一定的指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚合氯化鋁，工業(yè)級(jí)；鹽酸、氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；高嶺土，分析純，上海五四化學(xué)試劑有限公司；淀粉接枝丙烯酰胺共聚物，分子量>200萬(wàn)，自制。

1.2 高嶺土廢水配置

取一定量的高嶺土，配置成10 g/L的懸濁液。絮凝實(shí)驗(yàn)使用的高嶺土廢水是將懸濁液進(jìn)行稀釋?zhuān)瞥蓾舛葹?00 mg/L的廢水溶液。

1.3 絮凝實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 濁度去除率測(cè)定方法

絮凝實(shí)驗(yàn)采用自制的帶控速控溫裝置與攪拌裝置的反應(yīng)釜中進(jìn)行，取一定量廢水于反應(yīng)釜中，利用鹽酸與氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)廢水pH值，加入一定量的絮凝劑，在500 r/min快攪2 min，在200 r/min慢攪10 min。將廢水靜置沉降30 min，吸取液面下3 cm處上清液，廢水濁度去除率按國(guó)標(biāo)GB13200-1991用731型分光光度計(jì)測(cè)定。

1.3.2 絮體平均粒徑的檢測(cè)

在理想狀態(tài)下，根據(jù)雷諾數(shù)Re≤2的層流區(qū)的固體顆粒沉降理論[8-9],相同介質(zhì)條件下的同種顆粒會(huì)因?yàn)榱讲町惗a(chǎn)生不同的沉降速度。將上述配好的體系轉(zhuǎn)移到配有四個(gè)取樣口的直徑為10 cm，高為120 cm的柱子里，使絮凝體進(jìn)行緩慢沉降。采用圖片攝像技術(shù)，利用光學(xué)數(shù)碼相機(jī)在固定條件下對(duì)絮體進(jìn)行連續(xù)拍攝，并運(yùn)用配有圖像標(biāo)尺的圖形處理軟件Image-Pro Plus6.0軟件對(duì)絮體大小進(jìn)行測(cè)定[10]，獲得的絮體粒徑數(shù)據(jù)按從大到小順序排列，取前50個(gè)絮體求得平均粒徑。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 因素的確定

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定以下4個(gè)因素為考察因素：

（1）聚合氯化鋁PAC用量對(duì)廢水處理效果的影響：PAC具有很好的絮凝效果，其水解形成多核羧基絡(luò)合物，可吸附廢水中膠體顆粒，起粘附卷掃作用，且其可與水中膠?；驊腋∥锇l(fā)生電中和作用導(dǎo)致顆粒脫穩(wěn)而沉降。通過(guò)化學(xué)鍵合和吸附架橋作用形成絮體。選用水平為15、20、25、30 mg/L。

（2）淀粉接枝丙烯酰胺共聚物（St-g-PAM）用量對(duì)廢水處理效果的影響：有機(jī)高分子絮凝劑具有很高的分子量，在水中線狀或分枝狀伸展，其一端與膠粒表面發(fā)生吸附，另一端則與另一個(gè)表面有空位的膠粒吸附，發(fā)生吸附架橋作用而發(fā)生絮凝。當(dāng)St-g-PAM用量超過(guò)一定量時(shí)，膠粒表面沒(méi)有空位，已完全被吸附的高分子物質(zhì)覆蓋，則高分子絮凝劑起的是保護(hù)作用而影響絮凝效果。選用水平為 4、6、8、10 mg/L。

（3）廢水pH值對(duì)廢水處理效果的影響：復(fù)配絮凝劑在不同pH值下絮凝效果不同，pH值對(duì)混凝效果的好壞起著關(guān)鍵性的作用，合適的酸堿環(huán)境可以很好發(fā)揮絮凝劑的絮凝性能。一般來(lái)說(shuō)，聚合氯化鋁絮凝劑一般在6～8之間具有較好的絮凝效果，而淀粉基高分子絮凝劑適應(yīng)的pH值范圍很廣。同時(shí)，廢水中顆粒表面的電荷（ζ電位）會(huì)隨pH值的改變而改變。選用水平為5.5、6.5、7.5、8.5。

（4）混凝溫度對(duì)廢水處理效果的影響：隨著溫度升高，廢水中化學(xué)反應(yīng)速度加快，水的粘性降低，分子之間擴(kuò)散速度增加，從而有利于絮凝與沉降，且聚合氯化鋁水解需要吸熱，溫度升高，可加快絮凝劑的水解與有機(jī)絮凝劑的吸附架橋作用。但溫度過(guò)高，會(huì)使分子的布朗運(yùn)動(dòng)過(guò)快，使絮體的水合作用增加，架橋作用減弱，位阻效應(yīng)增加，會(huì)導(dǎo)致已凝聚的絮體再次破碎，不利于混凝作用。選用水平為 15、25、35、45 ℃。

本文按4因素4水平安排實(shí)驗(yàn)，選用L16(45)正交實(shí)驗(yàn)表確定實(shí)驗(yàn)方案，因素水平確定見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)以濁度去除率與絮體平均粒徑作為指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平Table1 Factors and levels of the orthogonal experiment

由表3可知，以濁度去除率為指標(biāo)的最佳工藝條件為：A3B3C2D2，即PAC用量為25 mg/L、Stg-PAM用量為8 mg/L、pH值為6.5、混凝溫度為25℃。根據(jù)R值可得各個(gè)因素對(duì)濁度去除率的影響大小順序?yàn)椋篈>B>C>D。其中PAC用量與Stg-PAM用量影響很顯著，pH值與混凝溫度影響相對(duì)較弱。

由表4可知，以絮體平均粒徑為指標(biāo)的最佳工藝條件為：A3B3C3D2，即PAC用量為25 mg/L、St-g-PAM用量為8 mg/L、pH值為7.5、混凝溫度為25℃。根據(jù)R值可得各個(gè)因素對(duì)絮體平均粒徑的影響大小順序?yàn)椋篈>B>D>C。其中PAC用量影響很顯著，St-g-PAM用量、pH值與混凝溫度影響相對(duì)較弱。

2.2 最佳工藝確定與討論

以濁度去除率與絮體平均粒徑為指標(biāo)，分析獲得兩者最佳工藝條件，兩者的差異在于pH值的不同，由上述分析可以看出，pH值在選擇的水平范圍內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小。綜合考慮各方面因素，采用以濁度去除率為指標(biāo)的最佳工藝條件;A3B3C2D2，即PAC用量為25 mg/L、St-g-PAM 用量為8 mg/L、pH值為6.5、混凝溫度為25℃，在此基礎(chǔ)上，做重復(fù)實(shí)驗(yàn)，濁度去除率為98.89%，絮體平均粒徑為1.211 mm，濁度去除率優(yōu)于正交實(shí)驗(yàn)的16組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而絮體平均粒徑稍好于正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table2 Results of the orthogonal experiment

表3 各因素對(duì)濁度去除率的影響Table3 Effect of factors on the removal rate of turbidity

表4 各因素對(duì)絮體平均粒徑的影響Table4 Effect of factors on the average particles of floes

St-g-PAM是高分子聚合物，溶于水后有較多的活性吸附位點(diǎn)，具有很好的吸附架橋作用，可捕獲廢水中顆粒形成大而密實(shí)的絮體顆粒。PAC在水中水解形成多核羧基絡(luò)合物，具有粘附卷掃與電中和效應(yīng)，其與St-g-PAM復(fù)配，可有效的提高絮凝效果。但從正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，絮體粒徑大不代表濁度去除率高，這可能是由于網(wǎng)捕效應(yīng)的存在[9,11]，即適宜形態(tài)的絮體在重力沉降過(guò)程中，不斷卷掃水中膠粒與細(xì)微顆粒過(guò)程。故絮體粒徑大小對(duì)網(wǎng)捕作用影響很大，絮體粒徑的控制可有效的發(fā)揮絮凝過(guò)程中的網(wǎng)捕沉降作用，從而提高絮凝效果。

3 結(jié)論

（1）采用淀粉接枝共聚物與聚合氯化鋁復(fù)配處理高嶺土懸濁物，并利用圖像拍攝分析技術(shù)對(duì)絮體平均粒徑分析。實(shí)驗(yàn)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)獲得了最佳的高嶺土廢水處理工藝：PAC用量為25 mg/L、St-g-PAM用量為8 mg/L、pH值為6.5、混凝溫度為25℃，在此條件下，濁度去除率為98.89%，絮體平均粒徑為1.211。

（2）各因素對(duì)濁度去除率的影響大小順序?yàn)椋篜AC用量>St-g-PAM用量>pH值>混凝溫度，對(duì)絮體平均粒徑的影響大小順序?yàn)椋篜AC用量>St-g-PAM用量>混凝溫度>pH值。其中PAC用量與St-g-PAM用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著，pH值與混凝溫度影響較弱。

（3）大的絮體粒徑不代表高的濁度去除率，絮體粒徑大小對(duì)網(wǎng)捕作用影響很大，絮體粒徑大小的控制可有效的發(fā)揮絮凝過(guò)程中絮凝劑的網(wǎng)捕沉降作用，提高廢水處理效果。

[1]刁靜茹，常青，王娟.淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物的水解特性及絮凝性能研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31(1)：57-59.

[2]楊?lèi)?ài)麗，蔣文舉.淀粉接枝丙烯酰胺共聚物與聚氯化鋁復(fù)合絮凝劑的合成 [J].高分子材料科學(xué)與工程，2008，24(7)：52-55.

[3]Jiraprasertkul W， Nuisin R， Jinsart W，et al.Synthesis and characterization of cassava starch graft poly(acrylic acid)and poly [(acrylic acid)-co-acrylamide]and polymer flocculants for wastewater treatment[J].Journal of Applied Polymer Science，2006，3(102)：2915–2928.

[4]Abdel-Aal S E， Gad Y H，Dessouki A M.Use of rice straw and radiation-modified maize starch/acrylonitrile in the treatment of wastewater[J].Journal of Hazardous Materials，2006，129(1-3)：204-215.

[5]周娟，趙艷芳，陶忠良，等.丙烯酰胺接枝木薯淀粉的合成及橡膠廢水的絮凝處理[J].化工環(huán)保，2010,30(4)：348-351.

[6]唐宏科，周鵬剛.陽(yáng)離子淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物絮凝劑的制備及其絮凝性能[J].化工環(huán)保，2006，26(3)：246-249.

[7]石健，畢大冬，張躍.不同pH值條件下天然高分子絮凝劑處理廢水的效果研究 [J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，6(4)：51-53.

[8]Duncan J Shaw.Colloid and surface chemistry[M].4thedition.Woburn,M A:Butterworth-Heinemann，1992：33-37.

[9]黃兢，楊朝暉，孫珮石，等.微生物絮凝劑與聚合氯化鋁復(fù)配的響應(yīng)面優(yōu)化[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué) ，2008，28(11)：1014-1019.

[10]Nasser M S，James A E.Effect of polyacrylamide polymers on floc size and rheologicalbehaviourofkaolinite suspensions[J].Colloids and Surfaces A，2007，1-3（301）：311-322.

[11]徐曉軍.化學(xué)絮凝劑作用原理 [M].北京:科學(xué)出版社，2005：189-194.