新型自来水絮凝剂的研制及其絮凝性能研究

Posted 2023-01-12 絮凝

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以聚合硅酸铝铁(PSAF)、壳聚糖(CTS)和改性蒙脱石(MM)为主要原料制备了新型复合自来水絮凝剂(PCMM)，其体积配比为V(w=0.1%的PSAF)∶V(w=0.001%的CTS)∶V(w=0.5%的MM)=25∶7∶8。在室温、中性条件下，原水的浊度去除率最高的可达到99%以上，铝离子降低率可达到70.7%。结果表明，在对汉江水的絮凝处理中，PCMM比聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合硫酸铝铁等絮凝剂具有更优的去浊性能。
絮凝是水处理中净化水质的常用手段和方法。聚合氯化铝(PAC)是我国目前用量最大的自来水絮凝剂，但是PAC在水处理中易产生二次污染[2-4]。PAC水解后产生的铝离子通过饮用水进入人体会导致贫血、脱发和大脑痴呆等多种疾病[5，6]，危害人体健康。西方发达国家饮用水水质标准中铝的许可含量≤0.1mg/L，而我国自来水中的铝含量≤0.2mg/L。因此，研制一种二次污染小、絮凝效果好的新型环保型饮用水处理絮凝剂是目前饮用水处理领域亟待解决的重要课题。
聚合硅酸铝铁(PSAF)是一种新型的无机高分子混凝剂，它同时具有电中和及吸附架桥作用。该混凝剂克服了聚铝矾花生成慢、矾花轻、处理后水样残余铝浓度较高和聚铁残余色度大、稳定性较差的缺点，已成为无机高分子混凝剂研究的一个热点。壳聚糖(CTS)来源广泛、性能优良、无毒、易于生物降解，可用作吸附剂、絮凝剂，是一种有发展前景的水处理材料。我国蒙脱石资源丰富，而改性蒙脱石具有更好的吸附性能，在水处理领域具有广泛应用前景。
本文以聚合硅酸铝铁、壳聚糖和改性蒙脱石(MM)为主要原料，复合制备出一种新型饮用水絮凝剂(以下简称PCMM)。PCMM能显著降低出水中铝离子的含量，与传统絮凝剂相比，PCMM饮用水絮凝剂具有质优、价廉和环保等三大特点。因此，它在我国自来水处理领域具有重要的推广应用价值。
1.实验部分
1.1主要仪器与试剂
85-2型恒温磁力搅拌器(常州国华电器有限公司)，JJ-4A型六联同步自动升降搅拌机(上海常思工贸有限公司)，HACH2100P型便携式浊度仪(美国哈希公司)，BS223S型分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)，FLAN6000型电感耦合等离子体质谱仪(美国PE公司)，GFJO4A型高速分散机(上海涂料工业机械厂)，pHS-25型酸度计(上海理达仪器厂)，FN101-3A型电热鼓风干燥箱(湘潭市三星仪器有限公司)，1810-C型石英自动三重纯水蒸馏器(江苏省金坛市康华电子仪器制造厂)。
聚合硅酸铝铁(PSAF，工业一级，南京市化学工业总公司精细化工厂产)，壳聚糖(CTS，自制)，冰醋酸(分析纯，湖北大学化工厂产)，天然蒙脱石(质量分数73%，湖北钟祥产)，聚合硫酸铁(PFS，工业一级，南京市化学工业总公司精细化工厂)，聚合氯化铝(PAC，工业一级，南京市化学工业总公司精细化工厂)，铝的单元素标准溶液(100mg/L，国家标准物质中心)。
1.2原水水质
湖北省武汉市汉江水，原水浊度为50～230NTU，水温为10～40℃，pH为6～8。
1.3工作液的配制
常温、常压下称取一定量粉状壳聚糖，以冰醋酸和蒸馏水为溶剂，配制质量分数为0.001%的CTS工作液。将按4mmolAlCl3与1g天然蒙脱石定量混合配制而成的铝交联剂，滴加入到蒙脱石悬浊液中，在转速为200r/min的搅拌机上搅拌2h，静置水解1d。将此液体状铝交联蒙脱石烘干研细后，便得到铝交联蒙脱石絮凝剂粉末，使用时再与水配制成质量分数为0.5%的工作液。分别将PAFC、PSAF、PAC、PFS与蒸馏水按一定质量比混合搅拌5min，配制质量分数为0.1%的工作液。
1.4实验方法
将原水加入JJ-4A型六联同步自动升降搅拌机的烧杯中，加入适量的絮凝剂，以120r/min的速度快速搅拌2min，40r/min的速度慢速搅拌10min，静置沉淀25min后，取距液面2～3cm处的清液测其浊度及铝离子浓度。采用HACH2100P型便携式浊度仪测定，采用FLAN-6000型电感耦合等离子体质谱仪和铝的单元素标准溶液测定。
2.结果与讨论
2.1各组分最佳配比的确定
取浊度为200NTU、铝离子质量浓度为0.31mg/L的原水，快搅速度为120r/min，慢搅速度为40r/min。改变各组分的添加量，做正交实验。正交实验因素水平及实验结果分别见表1、表2所示。

由表1和表2可确定各组分液体的最佳体积比为：V(w=0.1%的PSAF)∶V(w=0.001%的CTS)∶V(w=0.5%的MM)=25∶7∶8。2.2处理不同浊度原水时确定PCMM投加量在20℃中性水质条件下，分别取浊度为50～230NTU不等的原水，在120r/min快速搅拌2min，40r/min慢速搅拌10min，沉淀25min等条件下，通过改变PCMM的投加量来确定处理不同浊度原水时PCMM的最佳投加量，结果如图1示。

由图1可知，随原水浊度增大，须相应增加PCMM的投加量，才能达到降低原水浊度的目的。原水浊度较小时，对不同浊度原水，PCMM都有相应的最佳投加量，PCMM投加量过低或者过高，都会导致浊度去除率的降低。因为过量PCMM会对出水的透明度造成负面影响，增加出水中悬浮物的浓度。
2.3pH值的影响
在不同酸碱度条件下，投加不同量的PCMM对浊度去除率的影响，结果如图2所示。

2.4温度对浊度去除率的影响
絮凝剂投加量为8.4mL/L，pH为7，温度对浊度去除率的影响如图3所示。

从图3可知，原水温度在10～40℃之间变化时，随温度升高，浊度去除率降低，但都不低于80%；铝离子去除率也降低，但也都不低于50%。
2.5与其他絮凝剂效果对比
用PCMM、PAFC、PAC、PFS分别处理相同水质的原水。不同絮凝剂下沉降速度的结果表明，投加PCMM产生的絮体较粗大，形成速度快且矾花密实，沉降速度快。这说明PCMM吸附架桥作用得到了进一步改善，见图4所示。

2.6PCMM复合絮凝机理探讨
PSAF中的聚铁、铝离子中起架桥作用的—OH与硅氧基团之间进一步形成氢键，在原有的链状结构中还会生成支链。由于硅聚合体、桥联聚合体和多种铝、铁离子水解体等多种动态反应平衡的存在环状大分子端与氢氧根之间络合作用，使PSAF具有优良的除浊效果。
壳聚糖因其线性分子链上含有多个羟基(—OH)和氨基(—NH2)，易与水中H+合成阳离子聚电解质，在水中主要发生鳌合、电中和及吸附架桥作用。鳌合作用主要去除含有空d轨道的金属离子，电中和作用用于去除有机污染物中COD、SS，吸附架桥作用有助于提高无机/有机复合絮凝剂的整体吸附性能。
天然蒙脱石经钠化并加入铝交联剂后，使其层间域中引入聚合交联柱并取代了原先存在的可交换阳离子，从而导致蒙脱石的混层结构转变为层柱状二维分子筛型结构，使其粒径变得更小，比表面得更大，层间域进一步开放撑大，使其吸附范围进一步扩大，吸附性能更好。所以，改性后的蒙脱石较天然蒙脱石的吸附效果更好。PCMM中起主要吸附作用的MM与主要起架桥作用的CTS与主要起电中和作用的PSAF复合使用，可起到“协同增效、优势互补"的作用，从而使PCMM整体絮凝吸附性能大大提高。
作为絮凝剂本身，PCMM的含铝量要远远低于聚合氯化铝。而且壳聚糖和改性蒙脱石都对水中的铝离子等金属离子都具有较好的吸附、鳌合作用，因此PCMM的“低铝"特性使其在水处理过程中较传统絮凝剂的二次污染大大减少。
3.结论
本文研究的新型复合絮凝剂PCMM，以聚合硅酸铝铁(PSAF)、壳聚糖(CTS)和改性蒙脱石(MM)为主要组分，其体积配比为V(w=0.1%的PSAF)∶V(w=0.001%的CTS)∶V(w=0.5%的MM)=25∶7∶8。浊度去除率可达到99%以上，铝离子去除率可达到70.7%。PCMM产生的絮体较粗大、形成速度快且矾花密实、沉降速度快。随温度升高，浊度去除率降低且铝离子去除率也降低，但总体去除率仍然较高。PCMM具有的“低铝环保"特性，它在自来水处理过程中具有重要的推广应用价值。