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        糌粑改性絮凝劑的制備與應(yīng)用研究

        2021-10-18 12:09:00熊健楊衛(wèi)春臧鵬程張娜李偉
        應(yīng)用化工 2021年9期
        關(guān)鍵詞:糌粑透光率絮凝劑

        熊健,楊衛(wèi)春,臧鵬程,張娜,李偉

        (西藏大學(xué) 理學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

        絮凝作為水處理中的重要一步,絮凝劑自身性能對整個水處理過程起著很大的影響,但傳統(tǒng)無機(jī)絮凝劑因其腐蝕性大、殘留高等缺點,使得新型絮凝劑研究成為熱點之一。目前關(guān)于含淀粉改性絮凝劑的報道,主要集中在常見的一類農(nóng)作物及其加工產(chǎn)品如玉米[1]、芋頭[2]等[3],而其它非常見農(nóng)作物的報道卻少見。青稞的二次加工產(chǎn)品糌粑,含有淀粉、葡聚糖等多種羥基化合物[4],使得其具有制備改性絮凝劑的可能。本文探究了一種糌粑改性絮凝劑的制備方法,為促進(jìn)糌粑的應(yīng)用推廣與改性絮凝劑的制備方向提供一種新的思路,以實現(xiàn)凈水目的。

        1 實驗部分

        1.1 材料與儀器

        糌粑粉,由日喀則江孜縣地區(qū)青稞自制;2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨,化學(xué)純;氫氧化鈉、硫酸、無水乙醇、硝酸銀均為分析純。

        DF-101S數(shù)顯集熱式磁力攪拌器;90-2型磁力攪拌器;UV-1200紫外可見分光光度計;DZF-6020真空干燥箱;UPT-II-20T優(yōu)普超純水機(jī)。

        1.2 糌粑改性絮凝劑的制備

        取食用糌粑粉5 g,無水乙醇40 mL置于雙頸燒瓶中,在攪拌條件下回流、水浴加熱至55 ℃,再加入0.75 g 2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨(簡稱GTA)和0.2 g的氫氧化鈉,反應(yīng)4 h。抽濾,將抽濾后所得的固體,用索氏提取器、無水乙醇溶劑回流至無氯離子檢出,后用真空恒溫干燥箱干燥,研磨成粉末備用,使用時將制備完的糌粑改性絮凝劑配制為0.002 5 g/mL的溶液。

        1.3 實驗方法

        實驗中的用水為高嶺土模擬水樣,濃度為 1 g/L,每次實驗取250 mL。絮凝劑加入以后,高速攪拌2 min,慢速攪拌5 min,靜置10 min后取上清液,用紫外可見分光光度計于波長550 nm[5]處測定其透光率,以透光率大小表征絮凝劑效果,標(biāo)準(zhǔn)物為去離子水。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 絮凝劑制備過程探究

        2.1.1 反應(yīng)時間 采用1.3節(jié)中的實驗步驟,在保持除反應(yīng)時間外其它因素不變的情況下,分別制備出反應(yīng)時間為1,2,3,4,5 h的絮凝劑,對應(yīng)編號為S1、S2、S3、S4、S5。絮凝實驗結(jié)果見圖1。

        圖1 反應(yīng)時間對絮凝劑絮凝效果的影響

        由圖1可知,反應(yīng)時間為1 h的S1絮凝劑絮凝效果不夠理想,處理后水樣透光率為20%左右;反應(yīng)時間為2 h時的S2絮凝劑,絮凝效果明顯優(yōu)于S1絮凝劑,透光率可達(dá)80%左右,當(dāng)反應(yīng)時間為3 h時,絮凝劑的絮凝效果達(dá)最大值,水樣透光率可達(dá)90.7%。增加反應(yīng)時間至3 h后,S4、S5絮凝劑的絮凝效果與S3基本無明顯變化,但較S3絮凝劑的絮凝效果相比略微有所變化。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是淀粉的糊化程度,淀粉的糊化程度越高,分子伸展越完全,對絮凝劑的改性也越有利[6]。綜上所述,改性絮凝劑的制備時間應(yīng)不小于3 h,進(jìn)一步結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益考慮,糌粑絮凝劑的最佳制備時間為3 h。

        2.1.2 改性劑用量 在溫度為55 ℃,反應(yīng)時間為3 h條件下,改變2,3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨加入的質(zhì)量,分別為0.25,0.50,0.75,1.00,1.25 g,制備糌粑絮凝劑M1、M2、M3、M4、M5探究GTA用量對絮凝劑制備的影響。

        由圖2可知,當(dāng)GTA的加入量為0.25 g時,M1絮凝劑的絮凝效果非常不理想,基本無絮凝作用,此時改性劑與糌粑相比,改性劑明顯不足;增加GTA的用量,M2糌粑絮凝劑絮凝效果明顯增優(yōu),GTA與糌粑的質(zhì)量比為0.15時,制備的絮凝劑達(dá)到最佳。當(dāng)質(zhì)量比≥0.15時,M3、M4、M5絮凝劑的絮凝效果基本不再變化,此時的改性劑較糌粑粉絕對過量,再僅通過增大GTA與糌粑質(zhì)量比的方式來提高絮凝劑效果意義不大。因此,本文選用0.15為最佳質(zhì)量比。

        圖2 GTA用量對絮凝劑制備的影響

        2.1.3 反應(yīng)溫度 采用1.2節(jié)中的最佳條件,利用單因素變量的原理,探究反應(yīng)溫度分別為45,50,55,60,65 ℃對糌粑絮凝劑的制備影響,對應(yīng)編號為T1、T2、T3、T4、T5。

        由圖3可知,當(dāng)反應(yīng)溫度在45 ℃時T1絮凝劑對雜質(zhì)的去除率僅有50%;增加反應(yīng)溫度至 50 ℃ 時,絮凝劑對雜質(zhì)的去除率可達(dá)80%;將反應(yīng)溫度提高到55 ℃時,去除率再次增加,達(dá)90%;若再增加反應(yīng)溫度,T4、T5絮凝劑的絮凝效果較T3明顯降低,甚至低于T2絮凝劑,從中可以得出,反應(yīng)溫度不高時對絮凝劑的制備有促進(jìn)作用。但溫度升至較高時,可能導(dǎo)致GTA分解與淀粉糊化[7],糊化會使淀粉支鏈發(fā)生斷裂,而糌粑改性絮凝劑制備時,GTA與糌粑中淀粉的反應(yīng)主要發(fā)生在支鏈上,因此溫度較高時制備的絮凝劑效果不優(yōu),高溫(≥60 ℃)對糌粑絮凝劑的制備非常不利。

        圖3 反應(yīng)溫度對絮凝劑制備的影響

        綜合以上探究,可以得出糌粑絮凝劑的最佳制備條件:GTA與糌粑的質(zhì)量比為0.15,反應(yīng)時間為3 h,反應(yīng)溫度為55 ℃。

        2.2 絮凝條件探究

        絮凝劑絮凝效果探究部分,采用單因素控制變量法,分別對絮凝濃度、作用溫度、水樣初始pH以及靜置平衡時間進(jìn)行探究,最后在非最佳作用條件下,對絮凝劑的絮凝效果進(jìn)行實驗,驗證其用于實際環(huán)境下的可能性。模擬水樣濃度,每次實驗用水量,絮凝劑的配制濃度,使用方式均與前文無異。

        2.2.1 絮凝濃度 取制備好的絮凝劑溶液,依次加入0.5,1,1.5,2,2.5,3 mL至模擬水樣中,高速攪拌2 min再慢速攪拌5 min,靜置10 min后取上層清液測定,結(jié)果見圖4。

        圖4 不同絮凝濃度對絮凝效果的影響

        由圖4可知,在低濃度添加量時,絮凝劑用量明顯不足,絮凝劑對雜質(zhì)去除率低于50%。而當(dāng)用量為10~20 mg/L時,絮凝劑的絮凝效果最好,透光率到達(dá)一平臺值,約為90%。因為處理后模擬水樣電位越接近零,絮凝效果越好,所以當(dāng)用量>20 mg/L時,過量的絮凝劑使模擬水樣的電位開始反向增加,由原來的負(fù)電位變?yōu)檎娢籟8],導(dǎo)致絮凝劑的絮凝效果出現(xiàn)減弱。根據(jù)對絮凝劑的用量探究結(jié)果,為使數(shù)據(jù)更有說服力,在接下來的實驗中采用最佳絮凝濃度的中間值15 mg/L。

        2.2.2 作用溫度 在水浴攪拌的條件下,調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度分別為20,30,40,50,60,70,80 ℃,探究不同作用溫度對絮凝劑絮凝效果的影響。

        由圖5可知,在50 ℃左右時,絮凝效果達(dá)最大值,而作用溫度在50 ℃之前時,絮凝劑的絮凝效果隨溫度升高而增強(qiáng),但溫度從20 ℃升高到50 ℃,模擬水樣透光率僅從87%提高到了91%,可見在低溫下(≤50 ℃),溫度升高,絮凝劑絮凝效果有增強(qiáng)的趨勢,但是變化率并不大,從經(jīng)濟(jì)效益上來講,通過提高溫度增強(qiáng)糌粑改性絮凝劑絮凝效果的方法不可?。粚嶒炃鞍攵慰芍?,水溫增高對絮凝效果有一定的促進(jìn)作用,但如果進(jìn)一步增加溫度達(dá)50 ℃以后,過高的水溫卻可能導(dǎo)致絮凝劑變性,使得最終溫度對絮凝的促進(jìn)作用不足以抵消絮凝劑變性所帶來的負(fù)面影響,溫度超過50 ℃以后絮凝劑的絮凝效果出現(xiàn)降低,且溫度越高這一趨勢越明顯;對比圖3與圖5可以發(fā)現(xiàn),絮凝劑的最佳作用溫度與其制備溫度基本呈現(xiàn)一致性規(guī)律,但作用溫度對絮凝的影響沒有制備溫度對絮凝劑的影響大。因此可以得出,絮凝劑的作用溫度在50 ℃以下都較優(yōu)。

        圖5 不同作用溫度對絮凝劑絮凝效果的影響

        2.2.3 水樣初始pH 在室溫下,用硫酸與氫氧化鈉調(diào)節(jié)模擬水樣的初始pH值,探究水樣不同初始pH值對絮凝劑絮凝效果的影響。

        由圖6可知,該絮凝劑對水樣初始pH≥5的模擬水樣絮凝效果都較為理想,而pH為4時,絮凝效果驟減,模擬水樣透光率在該實驗組內(nèi)最低。高嶺土模擬水樣Zeta電位總體呈負(fù)電位,且pH值對高嶺土模擬水樣的電位有很大的影響[9]。在pH≤7時,pH值越大高嶺土水樣電位的絕對值就越大,再結(jié)合實驗1.3.1節(jié)可以得知,pH≤7時,酸性越強(qiáng)所需的絮凝劑就越少,而在該實驗過程中,絮凝濃度皆為15 mg/L,所以,酸性越低,絮凝劑過量的值就越大,處理后的模擬水樣透光率也就越低,但是pH在1~3之間卻出現(xiàn)反常,這主要是因為強(qiáng)酸性模擬水樣中含大量氫離子,可以中和部分糌粑改性絮凝劑,使得絮凝效果減弱[10],也就是原本過量的絮凝劑有部分被中和,使得實際有效絮凝劑濃度降低,同時在實驗過程中發(fā)現(xiàn),強(qiáng)酸強(qiáng)堿下的模擬水樣在不做任何處理時,有沉降現(xiàn)象發(fā)生,透光率較其它pH值下的模擬水樣有肉眼可見的提高,綜上原因?qū)е聀H在酸性條件下絮凝效果反常,且在pH=4時出現(xiàn)明顯的拐點。綜上,在采用最佳條件下制備的糌粑改進(jìn)絮凝劑,處理pH≥5的水樣都可得到較好的效果。

        圖6 水樣初始pH值對絮凝劑絮凝效果的影響

        2.2.4 靜置平衡時間 高嶺土模擬水樣在添加絮凝劑攪拌過程中,能發(fā)現(xiàn)模擬水樣中很快出現(xiàn)絮狀絮體,停止攪拌后即開始沉淀,沉淀完全后絮體在燒杯底部,固液兩相界限分明,但是在絮凝效果不佳的情況下,絮體顆粒較小且絮凝不徹底,僅憑肉眼難以區(qū)分絮體是否沉淀完全,因此,本部分實驗將探究絮體沉淀完全所需的最大時間。

        根據(jù)前文實驗過程與結(jié)論得知,若采用前文絮凝劑的添加量,在常溫與pH=7時,進(jìn)行絮凝實驗,絮凝劑對污水雜質(zhì)的去除率可達(dá)90%左右,并且沉降過程較快,不利于對后續(xù)實驗展開。為探究出靜置時間對絮凝過程的影響,故此處將攪拌速度減小,減少絮凝劑與模擬水樣充分作用的可能性。實驗在20 min前,每隔5 min測定1次水樣透光率,20 min后減小測定頻率。

        由圖7可知,絮凝劑處理后的模擬水樣,其透光率在前30 min時,隨靜置時間增加而增加,變化率隨時間增加而減小,在30 min后透光率呈緩慢上升趨勢,但變化不大。因此,可以得出,在絮凝劑處理完模擬水樣后,糌粑改性絮凝劑對高嶺土模擬水樣中雜質(zhì)去除作用在30 min時達(dá)最大,若繼續(xù)增加靜置時間,僅靠重力作用,對模擬水樣透光率基本無影響。同時,結(jié)合該實驗過程與結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)攪拌速度對絮凝劑絮凝效果有一定的影響,但具體影響情況還有待進(jìn)一步研究。

        圖7 靜置平衡時間對絮凝效果的影響

        2.3 實際應(yīng)用可能性的探究

        從上述兩部分實驗與結(jié)論可以得出,糌粑絮凝劑的最佳作用環(huán)境溫度為55 ℃,在常溫下雖也有較好的絮凝作用,但仍有一定影響,同時從經(jīng)濟(jì)效益考慮,絮凝劑的投加量不再采用最佳絮凝濃度的平均值,而采用最小值。綜上,為驗證絮凝劑在常規(guī)條件下同樣具有優(yōu)秀的絮凝效果,故采用在室溫下、pH=7的模擬水樣中,加入制備溫度為55 ℃、時間為 3 h、GTA∶糌粑(質(zhì)量)=0.15的絮凝劑,并采用 10 mg/L 的絮凝濃度,在充分?jǐn)嚢璧臈l件下,進(jìn)行3組平行實驗,結(jié)果見表1。

        表1 實際應(yīng)用可能性平行實驗

        由表1可知,采用最佳制備條件下的糌粑改性絮凝劑,在非最佳作用條件下也能具有優(yōu)良的絮凝效果,對處理后的高嶺土模擬水樣透光率可達(dá)99%以上,且效果非常穩(wěn)定。

        3 結(jié)論

        通過GTA與糌粑反應(yīng),制備的糌粑改性絮凝劑,絮凝效果總體而言非常理想。實驗表明制備的最佳條件為:反應(yīng)時間3 h,反應(yīng)溫度55 ℃,GTA與糌粑質(zhì)量比為0.15,除增加溫度會導(dǎo)致制備效果變差外,增加反應(yīng)時間、增加改性劑與淀粉質(zhì)量比,均不會對制備結(jié)果有太大影響;絮凝劑作用的最佳條件為:絮凝濃度10~20 mg/L,作用溫度50 ℃以下,作用環(huán)境pH≥5,在與實際水樣較為接近的常溫、中性環(huán)境條件下,絮凝劑仍然有優(yōu)良的絮凝效果。

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