高效复合絮凝剂的研制及应用

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：非淡泊无以明志，非宁静无以致远。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了高效复合絮凝剂的研制及应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

利用钢铁酸洗废液制备聚合硫酸铁高分子絮凝剂，与有机高分子阳离子絮凝剂复合，制备一种高效复合絮凝剂并应用于印染废水的初级处理。结果表明，在最优条件下，该产品对印染废水的脱色率达91.3%，浊度和COD的去除率分别达89.3%和69.1%。实现了钢铁酸洗废液资源化利用和提高印染废水处理效率的目的。
0.引言
染料、印染行业所排放的废水具有浓度高、酸碱性强、色度高、COD高、成分复杂、难降解物质多等特点，是当前工业污水治理的难点之一，也是制约当前染料、纺织行业生存和可持续发展的关键问题。染料废水处理技术可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理法等。考虑到废水处理效率和处理成本等因素，采取化学混凝法对染料、印染废水进行治理是国内外重点研究方向之一。
混凝技术的关键是混凝剂的性能和混凝条件的选择。目前普遍使用的铝盐絮凝剂存在铝毒、余铝后沉淀等问题。聚合铁盐絮凝剂(PFS)以其产生的矾花大、沉降快、pH值适用范围广、能耗少、效果好、无毒、价廉等优点，倍受水处理界的青睐。有机高分子絮凝剂具有很好的架桥絮凝性能，但价格相对较高，且残存单体或分解产物可能有毒。印染废水是一种复杂、稳定的分散体系，单一的絮凝剂往往无法获得满意的处理效果。因而，研制一种无机/有机高分子的复合型絮凝剂，既发挥无机高分子的吸附电中和作用又充分发挥有机高分子的架桥作用，两者的协同效应对提高絮凝效果、减少用量并扩大使用范围具有重要的意义。
本实验以钢铁酸洗废液为原料，制备一种铁基无机高分子絮凝剂，既解决了钢铁厂酸洗废液资源化利用问题，又降低了水处理剂企业的生产成本。同时与一种有机阳离子高分子絮凝剂进行复配，制备一种复合絮凝剂，用于印染废水的治理，为工业废弃物的资源化、无害化处理开辟新途径。
1.试验部分
1.1仪器
UV-754分光光度计；NDJ-1旋转式黏度计；JJ-6AB六联同步自动升降搅拌机；pHS-2酸度计；SGZ-200B液体浊度仪；COD快速测试仪；电子分析天平；四口反应瓶；恒温水浴锅等。
1.2原料及规格
环氧氯丙烷(AR级)；二甲胺(40%，CP级)；交联剂；氢氧化钠(AR级)；盐酸(AR级)；常州某钢铁厂钢铁酸洗废液(亚铁酸10%～12%，以Fe2O3计，H2SO43%～5%)；印染工业废水(取自常州武进纺织工业园污水处理厂，颜色来源主要以活性染料为主，呈蓝褐色)。
1.3聚合硫酸铁絮凝剂(PFS)制备
以钢铁酸洗废液为原料，用强氧化剂氯酸钠氧化，将亚铁离子氧化为三价铁离子，再经水解聚合，静置熟化制得。

制备流程：钢铁酸洗废液→净化→成分检测→配料搅拌→氧化聚合(50℃)2h→盐基度调节→熟化→出料。
生产中不同批次的钢铁酸洗废液中Fe2+和硫酸的组成有较大变化，为稳定生产，通过补加铁和酸原料，对物料进行调整。投料时控制SO42-/Fe(摩尔比)为1.3～1.5，按此摩尔比制得不同盐基度的PFS。聚合硫酸铁的性能取决于铁含量和盐基度，尤其是盐基度。盐基度越高，其分子聚合度m值越大，形成的羟基络合物就具有更多的正电荷和更大的表面积，形成的矾花就越大，越易沉淀、分离，净水性能也就越佳。
1.4有机阳离子高分子絮凝剂(PED)的制备
在装有搅拌器、冷凝回流装置的反应瓶中加入计量的二甲胺，用冰水浴降温至10℃以下，边搅拌边缓慢滴加环氧氯丙烷。环氧氯丙烷与二甲胺的摩尔比控制在1.5∶1，温度维持在10～20℃，滴加完毕后再滴入计量的交联剂(约为单体量的2%～3%)，然后升温至50～60℃，反应6h，降温静置，减压蒸馏分离残留单体，出料得黏稠清澈溶液。
1.5复合絮凝剂的配制
将上述聚硫酸铁絮凝剂和阳离子高分子絮凝剂按一定比例复配，见表1。由于聚合硫酸铁的pH值与阳离子高分子絮凝剂有差异，混合过程中会产生凝聚现象。因此复合时先将阳离子絮凝剂的pH值调至与聚合硫酸铁相接近，然后加入聚合硫酸铁搅匀，于一定温度下恒温反应一定时间，即得复合絮凝剂(PFS-PED)。

1.6废水脱色处理工艺
待处理的印染废水分别置于六联搅拌机上→调节pH=3～11，加计量絮凝剂混合(160r/min，30s)→絮凝(40r/min，5min)→静置沉降(5～60min)→取液面2cm下的清液测试。分别考察不同絮凝剂的絮凝效果。
1.7絮凝剂质量及水质检测
(1)溶液pH值：用精密pH计测试；
(2)有机高分子絮凝剂含固量：烘干法，105℃烘4h。

(3)有机高分子絮凝剂黏度：用NDJ-1旋转式黏度计测试(20℃)；
(4)聚合硫酸铁铁含量：重铬酸钾法测试；
(5)聚合硫酸铁盐基度：NaOH返滴定法，B=([OH]/3[Fe])×100%；
(6)废水COD：用COD快速测试仪测试；
(7)浊度：用浊度仪测试，根据浊度的变化计算浊度去除率；
(8)脱色率：用分光光度计测试溶液λmax处吸光度值变化。

式中：A0为原样吸光度；
n0为原样稀释倍数；
A1为处理后试样的吸光度；
n1为处理后试样的稀释倍数。
2.结果与讨论
2.1絮凝剂质量检测结果
2.1.1聚合硫酸铁(PFS)指标(见表2)

2.1.2有机阳离子高分子絮凝剂质量指标(见表3)

2.2絮凝剂用量对脱色效果的影响
取1.5各样品，调节处理印染废水pH=7.0，按1.6工艺对印染废水进行脱色处理。快速混合(160r/min，30s)，慢速混凝(40r/min，5min)，静置沉降30min后，取液面2cm下的清液进行测试。各药剂投料量与脱色率之间的关系见图1。

由图1可见，各絮凝剂的脱色效率随着投料量的增加而增加。当投料量达80mg/L时，增加投料量对脱色效果影响不明显。从絮凝效果看，用量为120mg/L时，3号样脱色率最高，为92%，2号、4号和5号样为90%，1号样最低，为75%。可见，阳离子高分子絮凝剂与复合型絮凝剂均显示出较高的脱色效果，用量以80～100mg/L为宜。
2.3絮凝时间对脱色效果的影响(见图2、表4)
取1.5各样品，调节处理印染废水pH=7.0，投药量固定为80mg/L，按1.6工艺对印染废水进行脱色处理。快速混合(160r/min，30s)，慢速混凝(40r/min，5min)，静置沉降5～60min后，取液面2cm下的清液进行测试。

随着絮凝时间的增加，各絮凝剂的絮凝效果呈上升趋势，在20min前上升速度较快，到20～30min上升速度减小，絮凝时间达30min后，基本达到平衡。因此实际絮凝的时间以30min为宜。
由表4可见，1号样絮体形成速度慢，絮体较小并且松软，所以沉降的速度较慢；2号样絮体形成速度较慢，絮体大且松软，沉降速度慢，且有漂浮物。3、4和5号样形成絮体速度快，絮体大且实，沉降的速度快，其中3号样沉降最快。综合絮凝性能及生产成本，4号样较为适宜。
2.4pH值对絮凝效果的影响
投药量固定为80mg/L，调节印染废水pH值，按1.6工艺对印染废水进行脱色处理。快速混合(160r/min，30s)，慢速混凝(40r/min，5min)，静置沉降30min后，取液面2cm下的清液进行测试。考察pH值对絮凝剂絮凝效果的影响，结果见图3。

由图3可见，各絮凝剂在不同的pH值条件下均存在合理的pH值使用范围，pH值在6～8之间性能最优。其中1号、2号样絮凝效果受pH值影响较大。3号、4号样受pH值影响较小，工艺适应范围宽，pH值适用范围为5～9。
2.5加料方式对絮凝效果的影响
按4号样的比例(即PFS∶PED=3∶1)，考察不同的絮凝剂加料方式对絮凝效果的影响。6号样先加PFS，慢速搅拌3min时加PED；7号样为先加PED，慢速搅拌3min时加PFS。再考察不同投药量对絮凝效果的影响，结果见图4。

由图4可见，复合絮凝剂配比相同，但采用不同的投料方式处理印染废水，4号复配样效果最好，6号次之，7号较差。随着絮凝剂用量的增加，在不同浓度下，三个样品的絮凝效果基本趋于一致。可见4号复配絮凝剂在复配过程中可产生协同作用，充分发挥了无机高分子絮凝剂的电中和作用和有机高分子阳离子絮凝剂的架桥卷扫作用，在较低投料量下(60mg/L)就能显示较好的絮凝效果。7号样比6号样絮凝效果差一些，因为7号样有机高分子阳离子絮凝剂表面电荷相对较少，开始时电中和效应不如6号样，但增加投料量后，两者絮凝性能基本一致。
2.6最优工艺条件下染料废水处理效果
根据上述结果，选择最优絮凝剂及絮凝工艺(4号样，絮凝剂用量80mg/L，pH=7.0，絮凝时间30min)，对上述印染废水进行脱色处理，脱色后水质有关指标见表5。

由表5可见，该复合絮凝剂对印染废水具有较理想的脱色效果(脱色率达91.3%)，同时对浊度和COD的去除率分别达89.3%和69.1%。在实际应用时，该复合絮凝剂可用于印染废水的初级处理，先大幅度降低废水的色度、浊度和COD，再结合生化处理等方法进行深度处理，实现达标排放，提高废水处理效率。
3.结论
(1)复配型絮凝剂PFS∶PED的最佳复合比例为3∶1，用量80～100mg/L，pH值适用范围5～9，絮凝时间30min。处理印染废水时絮凝速度快，絮体大且质地紧密，沉降速度较快；
(2)该产品以钢铁酸洗废液为原料制备无机高分子铁基絮凝剂，与有机高分子阳离子絮凝剂复配使用，具有良好的脱色性能、去COD和去浊效果，达到以废治废、循环经济效果，具有很好的推广价值。