王香愛，張洪利,葛子龍

(渭南師范學院 化學與生命科學學院，陜西 渭南 714000)

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(TA)：自制；聚合三氯化鋁(PAC)：工業(yè)品，玉米淀粉：工業(yè)品，NaOH：AR，無水甲醇：AR，HCl：AR，無水乙醇：AR，西安化學試劑廠，高嶺土：CP，河北紅鑫礦產(chǎn)品加工廠。

JJ-1精密增力攪拌器：上海雷磁儀器廠；PB-10型pH計：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；WGZ-1數(shù)字濁度儀：上海珊科儀器廠；Acculab電子分析天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海一恒科技有限公司；秒表：上海秒表星鉆秒表有限公司。

1.2 陽離子淀粉的合成

1.2.1 反應機理[6]

其中，反應式(1)和(2)為陽離子淀粉的生成反應，反應式(3)和(4)為陽離子化試劑和陽離子淀粉在堿性條件下的水解反應[7]。

1.2.2 陽離子淀粉的制備

稱取一定量氫氧化鈉于500 mL的燒杯中，加水進行溶解，冷卻后加入醚化劑(CTA)并攪拌均勻，反應10 min后加入100 g玉米淀粉在室溫下攪拌1 h，在熱水浴中預干燥至淀粉含水量降至約14%，壓碎混合均勻，置于一密閉容器中放置到恒溫烘箱中，在溫度60～70 ℃下反應4 h，得到干的白色固體粗產(chǎn)品，再用質(zhì)量分數(shù)80%乙酸溶液浸泡，過濾，洗滌，真空干燥得白色粉末狀季銨型高取代度陽離子淀粉。

1.2.3 陽離子淀粉的表征

用IRPRESTIGE-21(200VCE)型紅外光譜儀對陽離子淀粉進行了表征，結果見圖1。

σ/cm-1圖1 陽離子淀粉的紅外光譜圖

由圖1可以看出，在3 426 cm-1有O—H的吸收峰，1 014 cm-1有醚鍵的吸收峰，1 220 cm-1為C—N吸收峰，表明淀粉已接上了陽離子基團。

1.3 陽離子淀粉復合絮凝劑對高嶺土懸浮液的絮凝實驗

1.3.1 配置ρ(陽離子淀粉)=1 g/L溶液

準確稱取1 g陽離子淀粉于小燒杯中，加100 mL蒸餾水使其溶解，轉入1 000 mL的容量瓶中，用少量的蒸餾水洗滌小燒杯數(shù)次，將洗滌液一并轉入1 000 mL的容量瓶中，然后用蒸餾水稀釋到刻度，搖勻，待用。

1 3.2 配置ρ(聚合三氯化鋁)=1 g/L的溶液

用相同的方法配置1 g/L的聚合三氯化鋁溶液。

1.3.3 絮凝性能的測定

在2 L的燒杯中,分別加入高嶺土5 g,加水1 L,攪拌均勻后按一定質(zhì)量配比加入陽離子淀粉溶液和聚合三氯化鋁溶液，調(diào)整變速攪拌器以120 r/min的轉速快速攪拌10 min，轉速降至30 r/min繼續(xù)慢攪15 min，記錄沉降時間，取上清液測其濁度。

2 結果與討論

單獨使用PAC對高嶺土懸浮液進行絮凝處理，最佳條件：PAC用量為100 mg/L，沉降時間為4 h，pH = 7。在此條件下，高嶺土懸浮液的濁度降為40。

2.1 陽離子淀粉復合絮凝劑的添加量對高嶺土懸浮液的絮凝性能的影響

取7個2 L的燒杯，分別加入高嶺土5 g,加水1 L，攪拌均勻。固定陽離子淀粉溶液的用量5 mg，pH=7,沉降時間30 min,改變m(PAC)∶m(陽離子淀粉)。不同配比的陽離子淀粉復合絮凝劑對高嶺土懸浮液絮凝性能的影響見表1。

表1 聚合三氯化鋁和陽離子淀粉的配比對高嶺土懸浮液的絮凝性能的影響

由表1可以看出,濁度值隨m(PAC)∶m(陽離子淀粉)的比例增大而減小,當m(PAC)∶m(離子淀粉)=10∶1時,濁度降為最小27,當加入量繼續(xù)增大時,濁度值有所回升。一方面，陽離子淀粉的架橋作用使得污水雜質(zhì)吸附在其活性基團上形成卷掃作用,從而攜帶其它的雜質(zhì)顆粒一同下沉；另一方面PAC具有高的正電荷，當ρ(PAC)在一定范圍內(nèi)增加時，其正電荷增多使得污水中的負離子可以被充分中和，有助于復合絮凝劑快速、充分地同膠體物質(zhì)碰撞、脫穩(wěn)、凝聚、絮凝效果增加,但質(zhì)量濃度過高時絮凝效果反而下降,這是由于顆粒表面被過多的絮凝體所飽和，顆粒表面已無吸附空位，而使絮凝劑失去架橋作用，同時由于高分子吸附膜的空間位阻效應，使顆粒間互相排斥，顆粒又重新處于穩(wěn)定分散狀態(tài)，從而絮凝效果下降。m(PAC)∶m(陽離子淀粉)的最佳配比為 10∶1。

2.2 沉降時間對陽離子淀粉復合絮凝劑的絮凝性能的影響

取7個2 L的燒杯，分別加入高嶺土5 g,加水1 L,攪拌均勻。固定陽離子淀粉的用量5 mg，m(PAC)∶m(陽離子淀粉)=10∶1，pH=7,改變沉降時間。沉降時間對陽離子淀粉復合絮凝劑的絮凝性能的影響見表2。

表2 沉降時間對陽離子淀粉復合絮凝劑的絮凝性能的影響

由表2 可以看出隨著沉降時間的延長,濁度值由大變小,這是因為陽離子淀粉和PAC均帶有正電荷，通過靜電吸引和吸附，將水中的粒子凝聚成絮體。所以聚體達到一定體積后沉降，時間的延長有利于絮凝劑充分與膠體物質(zhì)碰撞所以濁度減小。當沉降時間為30 min時，懸浮液的濁度降至最小值22.5，再延長沉降時間，濁度值反而增大。這是由于當沉降時間過長時，陽離子淀粉和PAC所帶的正電荷與懸浮液中微粒所帶的負電荷達到靜電平衡[7]，使絮團表面缺少相應的吸附點,同時，由于空間位阻作用和架橋吸附不穩(wěn)定的膠粒會重新分散到溶液中，所以濁度值反而增大。最佳沉降時間為 32 min。

2 3 pH值對陽離子淀粉復合絮凝劑的絮凝效果的影響

取7個2 L的燒杯，分別加入高嶺土5 g,加水1 L,攪拌均勻。固定陽離子淀粉的用量5 mg，m(PAC)∶m(陽離子淀粉)=10∶1，沉降時間32 min，改變pH(用1 mol/L的NaOH或H2SO4調(diào)節(jié)pH)。pH值對陽離子淀粉復合絮凝劑的絮凝效果的影響見表3。

表3 pH值對陽離子淀粉復合絮凝劑的絮凝性能的影響

表3看出，隨著pH的增加，濁度值由大變小，pH =9時濁度值最小為3.1，當pH>9時，濁度值增大。即在弱堿性條件下，陽離子淀粉復合絮凝劑的絮凝效果較好。這是因為一方面聚合鋁鹽是從Al3+鹽到Al(OH)3之間的一系列亞穩(wěn)態(tài)物，一般是三鋁到十三鋁的羥基絡合物，只要條件稍有變化，就會出現(xiàn)脫穩(wěn)現(xiàn)象，即產(chǎn)生絮凝。許多學者認為Al13([Al13O4(OH)24(H2O)12]7+)帶有高的正電荷和較強的架橋能力，在絮凝過程中較穩(wěn)定，是聚合氯化鋁混凝的有效成分。而聚合三氯化鋁在強酸性條件下以單體形式Al3+存在，在強堿性條件下則生成Al(OH)3沉淀，均降低了聚鋁的有效成分Al13([Al13O4(OH)24(H2O)12]7+)[8]。另一方面，pH值過低時,體系中正電荷增多，會排斥陽離子淀粉的正電荷,導致絮凝效果下降；pH過高時,體系中負電荷增多，會中和陽離子淀粉的正電荷，而且陽離子淀粉在堿性條件下水解為3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨[6]而部分失效,甚至使已經(jīng)形成的絮體重新變成膠體[9],失去絮凝效果。pH=9時效果最好。

3 結 論

以自制的陽離子淀粉與聚合三氯化鋁復配使用對高嶺土懸浮液的絮凝處理，最佳實驗條件為：陽離子淀粉為用量為5 mg/L,m(PAC)∶m(陽離子淀粉)=10∶1，沉降時間為32 min，pH=9。在該條件下，高嶺土懸浮液的濁度值可降至3.1。

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