李金遠 李書進

(1.常州大學環(huán)境與安全工程學院 江蘇常州 213164； 2. 常州工學院土木建筑工程學院 江蘇常州 213002)

0 引言

由于我國人口眾多，人均淡水資源稀缺，水污染嚴重成為制約發(fā)展的難題。而在工業(yè)用水中，污垢的形成是亦成為除去管道與機械設備遭侵蝕之外的又一大難題[1]。

我國對阻止水處理中污垢產(chǎn)生的藥劑研究開發(fā)始于上世紀七八十年代，在近半世紀的發(fā)展過程中，先后經(jīng)歷了天然產(chǎn)物阻垢劑、含磷聚合有機物阻垢劑等發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的天然聚合物藥劑用量較多，成本較高，但綠色環(huán)保；而高分子含磷類阻垢劑處理成本較低，但不能有效地抑制金屬垢物和磷酸鹽的產(chǎn)生，以及解決例如氧化鐵沉淀等問題[2]。尤其是隨著我國對環(huán)境保護的重視，含磷阻垢劑的發(fā)展與使用受到了限制。因此，開發(fā)低磷或無磷的新型綠色阻垢劑已成為國內(nèi)外水處理劑研究的重要課題。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試劑：水楊酸鈉工業(yè)級，丹寧酸AR級，木質素磺酸鈉工業(yè)級。

儀器：KDM-3型攪拌恒溫電熱套，KZC-Ⅱ型快速阻垢性能測試儀。

實驗樣本：pH為8，總硬度為15 mmol/L,Ca2+質量濃度為120 mg/L的模擬電廠廢水。

1.2 實驗方法

本實驗是將水楊酸鈉、單寧和木質素磺酸鈉進行復配，以確定所組成的新型綠色型阻垢分散劑中的各組分的構成及最佳工業(yè)條件。

具體實驗方法為：先將水楊酸鈉溶于適量的水中，緩慢加熱至50～60 ℃。再依次加入丹寧酸和木質素磺酸鈉，攪拌1～2 h，待其充分溶解后，反應熟化一晝夜，即可得到該藥劑[3]。

1.3 Ca2+測定方法

(1)測定原理。在堿性條件下(pH=12～14)鎂生成沉淀，而鈣與EDTA(乙二胺四乙酸二鈉)生成穩(wěn)定的絡合物。

(2)測定步驟。取水樣置于250 mL三角瓶中，稀釋至l00 mL，滴加硼砂溶液，使pH值在12～14范圍內(nèi)，滴加2～3滴鈣指示劑，用EDTA標準溶液滴定至藍色，即為終點到達，記錄用量。鈣離子濃度用下式計算[4]：

式中，V為滴定水樣消耗EDTA標準溶液的體積，mL；C(EDTA)為EDTA標準溶液的濃度，mol/L；V1為所取水樣的體積，mL。

2 結果與討論

2.1 正交實驗分析

為了考察各組分(水楊酸鈉、 丹寧酸、木質素磺酸鈉)對Ca2+去除效果的優(yōu)劣，以及確定藥劑合成最佳的工藝條件，選擇室溫為常溫，以各組分，即水楊酸鈉、丹寧酸、木質素磺酸鈉為實驗因素，采用3因素3水平正交試驗 L9(33)， 正交實驗因素分析與試驗結果見表 1、表 2。

表1 因素水平設計

表 2 正交試驗結果

2.2 極差分析

把由正交試驗得出的 9 組Ca2+去除率作為分析指標，進行極差分析，依照 3 個因素的極差計算結果K1～K3(每個因素在對應水平下的實驗數(shù)據(jù)指標之和)和K*1～K*3(K1～K3的平均值)，可以判斷每個因素即藥劑組分對阻垢試驗的影響[5]。如表2 所示，水楊酸鈉的投加量對Ca2+去除效果的影響最大，其次是木質素磺酸鈉和丹寧酸的含量。此外，極差分析結果還得出了去除效果的最優(yōu)水平，即選擇質量比為45%的水楊酸鈉，30%丹寧酸和35%的木質素磺酸鈉(其余為水)。

表 2 可以看出，各因素對Ca2+去除效果影響的主次順序為：水楊酸鈉>木質素磺酸鈉>丹寧酸。進一步分析出最優(yōu)水平時的水楊酸鈉質量比為45%，丹寧酸為30%，木質素磺酸鈉為35%。

圖1～圖3分別為水楊酸鈉、丹寧酸、木質素磺酸鈉含量極差與鈣離子濃度的關系曲線圖。

圖1 水楊酸鈉含量極差與鈣離子濃度關系

圖2 丹寧酸含量極差與鈣離子濃度關系

圖3 木質素磺酸鈉含量極差與鈣離子濃度關系

由圖1可得，隨著水楊酸鈉含量的增加，Ca2+濃度愈小，所以最優(yōu)含量為45%；圖2可得，隨著丹寧酸含量的增加，Ca2+濃度先增加后減少，丹寧酸最優(yōu)的質量比為30%；圖3可得，隨著木質素磺酸鈉含量的增加，Ca2+濃度越來越小，因此木質素磺酸鈉的最佳質量比為35%。

2.3 正交實驗方差分析

利用方差分析來進一步估算誤差的大小，對各個因素的影響程度進行精確估算，彌補直觀分析帶來的不確定性[6]。方差分析結果中 Source為方差來源；DF 為自由度；Seq 為校正平方和；Variance為方差。

表3 方差分析

從表3可以看出[7]：P表示的是假設該組內(nèi)平均值相等成立的概率，越小說明該因素對試驗指標的影響越顯著。P(水楊酸鈉質量比)最小，表明該因素投加量對Ca2+影響大[8]。

由F值分析，F(xiàn)(水楊酸鈉質量比)遠遠大于另外兩個，說明其影響力較丹寧酸和木質素磺酸鈉大[9]。

綜合分析的結果，選擇質量比為45%的水溶性水楊酸鈉，30%丹寧酸和35%的木質素磺酸鈉作為最優(yōu)組合[10]。

3 結論

(1)去除模擬電廠廢水Ca2+的阻垢分散劑最優(yōu)配比為：45%的水楊酸鈉，30%丹寧酸和35%的木質素磺酸鈉。

(2)水處理降低Ca2+濃度，其中水楊酸鈉和木質素磺酸鈉的影響大，丹寧酸的影響相對較小。

(3)首先采用單因素分析法，并進行預實驗，確定出各影響因素大致范圍，再采用正交實驗法確定藥劑的最佳質量比的方法是可行的。