新型环保型自来水絮凝剂的研制及应用

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：我们用人生最好的年华做抵押，去担保一个说出来都会被人嘲笑的梦想。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了新型环保型自来水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。

根据“有机-无机"絮凝剂相复合协同增效的原则，研制出一种高效的复合环保型自来水絮凝剂，使其处理效果与传统絮凝剂比较，浊度下降0.65%，药剂成本下降9.29%，出水铝离子浓度比传统下降77.3%，无论从产品的性价比还是从环境友好等方面均明显优于传统的自来水絮凝剂，具有明显的经济与环境效益。
随着人民生活水平的不断提高，对饮用水的要求也越来越高，而目前用于自来水处理的絮凝剂多为聚铝类絮凝剂，使水中含有相当浓度的铝离子，过多的铝离子通过自来水进入人体会导致帕金森综合症、铝性骨病、铝性贫血、脱发、大脑痴呆等多种疾病。因此，如何研制一种既高效又环保的新型自来水絮凝剂已成为当前水处理领域亟待解决的重要课题。本文根据“有机-无机"絮凝剂相复合协同增效的原则，研制出一种高效的复合环保型自来水絮凝剂，使其处理效果与传统絮凝剂比较，浊度下降0.65%，药剂成本下降9.29%，出水铝离子浓度比传统下降77.3%，具有明显的经济与环境效益。
1.材料与方法
1.1主要药品与设备
主要药品：铁改性聚合氯化铝(简称CF-PAC，工业一级，南京市化学工业总公司精细化工厂产)；葛店自来水厂PAC；壳聚糖(简称CTS，自制)；天然蒙脱石(质量分数>70%，细度<0.043μm，比表面积260m2/g，湖北省襄阳矿厂产)；冰醋酸(分析纯，湖北大学化工厂产)；三氯化铝(AlCl3.6H2O，结晶态，分析纯，天津苏庄化学试剂厂产)；氢氧化钠(分析纯，天津市河北区海晶精细化工厂产)；多聚磷酸钠(化学纯，上海精细化工材料研究所产)；聚合氯化铁(简称PFS，合肥益民化工有限责任公司产)；阳离子型聚丙烯酰胺(PAM+，分子量150万，日本三菱公司产)等。
主要仪器：78-1型恒温磁力搅拌器(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)；GDS-3B光电式浑浊度仪(北京金紫光仪器仪表公司)；BA120型万分之一克数显微量电子天平(上海台恒天平仪器有限公司)；GFJO4A型高速分散机(上海涂料工业机械厂)；pHS-25数字式pH计(上海理达仪器厂)；FN101-3A型鼓风干燥箱(长沙仪器仪表厂)；自动纯水蒸馏器(上海玻璃仪器厂)；500mL容量瓶；250mL烧杯；胶头滴管；移液管；洗耳球；量筒；玻璃棒等玻璃仪器若干。
1.2处理水样
湖北省武汉市宗关水厂的自来水原水，经测定，水温为21～23℃，pH=7.2，浊度为101.5NTU。
1.3CTS工作液的制备
用电子天平称取0.05g粉末状壳聚糖。在200mL的烧杯中加少量蒸馏水，用移液管移取5mL冰醋酸，将称好的壳聚糖倒入其中，用玻璃棒稍微搅拌后将其转移到500mL的容量瓶中，定容后放摇匀。待其完全溶解，转移到试剂瓶中，并贴上标签备用。
1.4CF-PAC、PFS、PAM+等工作液的制备
用电子天平称取0.25g粉末状CF-PAC，用蒸馏水作溶剂，将其溶解在200mL的烧杯中，用玻璃棒稍微搅拌至溶解后将其转移到500mL的容量瓶中定容备用。以同样方法制得PFS、PAM+工作液。
1.5铝交联蒙脱石悬浊液的制备
1.5.1蒙脱石悬浊液的制备
先将蒙脱石制成水浆悬浮液，再加入一定量的多聚磷酸钠(分散剂)和氧化镁(悬浮助剂)，然后在高速分散机上分散，即制成实验所需的蒙脱石悬浊液。
1.5.2铝交联剂的制备
在常温常压和搅拌的条件下，将一定浓度的氢氧化钠溶液滴加到三氯化铝溶液中，所得溶液在搅拌机上搅拌3h，再陈化2d，即制成铝交联剂。
1.5.3铝交联蒙脱石的制备
在常温常压和搅拌条件下，将铝交联剂按一定的投料比滴加到蒙脱石悬浊液中，滴加完毕，在搅拌机上搅拌2h，再静置水解1d，即制成液体状铝交联了蒙脱石，再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3%质量浓度悬浊液。以上方法得到的改性蒙脱石浓度是3%，为提高实验精度，将其用容量瓶稀释6倍，即制成0.5%的工作液体。
1.6实验过程
每次实验前摇匀水样后取200mL于250mL的小烧杯中，在烧杯中放入搅拌子，放在搅拌器上，打开电源，按事先设计好的计量，用与对应用量适合的移液管，根据先无机后有机的原则加入絮凝剂，调节搅拌速度，先以250r/min的速度快搅2min，再以60r/min的速度慢搅6min，静置沉淀12min。用移液管取上清液测定出水浊度，作好实验记录。其中，絮凝实验采用78-1型恒温磁力搅拌器搅拌，一次做1个水样；浊度采用GDS-3B光电式浑浊度仪进行测定；铝离子采用EDTA铜盐回滴法进行测定。
2.结果与讨论
2.1CTS与改性蒙脱石、CF-PAC及PFS分别复合的絮凝效果
葛店自来水厂PAC絮凝剂工作液价格为700元/t，投加量为20kg工作液每千吨原水，则其PAC工作液的原水吨处理成本为0.014元，实验室采用的水样为200mL，这一经济指标折合为2.80×10-6元/(200mL原水水样)，在设计正交实验时，以此价格作为制约条件，如加入絮凝剂组合为CTS-改性蒙脱石时，分别设两者所加量为C、G，则可列式：

故当G取最小值时C取到最大，将在实验室条件下G的最少加料量0.05mL带入可得C的加料范围为0.05mL<C<0.625mL；在该范围内取尽量分散且等差的3个点，如此处取0.20、0.40、0.60，再分别将C的3个点带入价格控制的不等式得到G的取值范围，同样再在得到的范围内取若干分散且相对分布均匀的点。用相同方法设计出其余的正交实验和优化实验。
根据以上设计方法设计CTS-改性蒙脱石加料方案，得到的实验数据如图1所示。

从图1分析得到，CTS-改性蒙脱石絮凝效果整体稳定，最高去除率在92%左右，与传统相比较，没有明显优势。
设计CTS、CF-PAC加料方案，得到的实验数据如图2所示。

从图2分析得到，CTS与CF-PAC的絮凝效果十分理想，且相对稳定。当CTS加料在0.40mL水平时，絮凝效果先提高后下降，在CF-PAC加入0.90mL左右时，得到最高去除率在98%以上。设计CTS-PFS加料方案，得到的实验数据如图3所示。

从图3分析得到，CTS-PFS的絮凝效果与CTS-改性蒙脱石相仿，最高去除率在91%左右，与传统絮凝剂相比较同样没有参考价值。
2.2PAM+与改性蒙脱石、CF-PAC、PFS分别复合的絮凝效果
同以上由价格作为制约条件来确定工作液加料量的方法来设计实验，此处不再赘述。设计的加料方案、实验数据及分析如下。
设计PAM+-改性蒙脱石加料方案，得到的实验数据如图4所示。

从图4分析得到，PAM+-改性蒙脱石的整体絮凝效果良好，且较为稳定，去除率在90%左右浮动，最高去除率为94.23%，但不及CTS、CF-PAC的絮凝效果。
设计PAM+、CF-PAC加料方案，得到的实验数据如图5所示。

从图5分析得到，PAM+、CF-PAC的絮凝效果较好，且整体效果稳定，浊度去除率在95%左右，最高去除率为98.03%，稍逊于CTS、CF-PAC的絮凝效果。设计PAM+-PFS加料方案，得到的实验数据如图6所示。

从图6分析得到，PAM+-PFS的整体絮凝效果一般，且絮凝效果基本随着PAM+加料的增加而下降，其最高去除率在89%左右，不具备参考价值。综上所述，在6组复合絮凝剂中，效果最好的是CTS加0.40mL，CF-PAC加0.90mL时，此时浊度去除率可达98.69%左右。
2.3配方优化
为保证最后得到的复合絮凝剂具有相当的推广价值，首要考虑的是其絮凝能力的大小，所以得到的最佳配方范围即当CTS加料在0.40mL左右，CF-PAC加料在0.90mL左右时，絮凝效果最佳，浊度去除率可达98.69%，为避免误差，所以很有必要继续设计正交实验进行优化，设计方法同前，得到的实验数据如图7所示。

根据图7可得到最后最为理想的复合絮凝剂配方为：CTS加料0.40mL，CF-PAC加料0.90mL，浊度下降98.95%。
2.4与传统絮凝剂的同比实验
已算得葛店自来水厂PAC絮凝剂工作液价格为0.0000028元/(200mL原水水样)，所以同样根据价格控制原则设计实验，找到传统的最佳效果。
设计加料方案，得到的实验数据如图8所示。

根据以上实验数据，得到传统配方的最佳絮凝效果是在加入葛店PAC为4mL时，得到浊度下降98.30%。通过计算和铝离子测定得到实验最佳配方与传统配方的比较，见表1所示。

根据表1可以看到，本文研制的新型环保型复合絮凝剂无论从絮凝效果、经济成本还是出水铝离子含量，都优于传统絮凝剂。
3.絮凝原理探讨
CTS分子具有长链型结构，其分子链上的许多游离—NH2具有孤对电子，使氨基呈弱碱性，并能从溶液中结合一个氢质子，从而使CTS成为带正电荷的聚电解质。天然水体中由于存在粘土细菌而成为负电性的胶体体系，壳聚糖可同时起到电中和凝聚及粘结架桥的双重作用。CF-PAC投加到水中后的聚合形态Al3O(OH)7直接吸附在颗粒物的表面，发挥强烈的电中和及粘结架桥作用，它与阳离子型有机高分子复合后，所带的正电荷明显加强，对颗粒物负电荷的中和能力显著提高，故而这两种絮凝剂复合使用时，对水中的污染物可发挥颗粒物间的架桥和网捕作用，絮凝效果明显提高。
4.结论
(1)本文研制出的新型环保型絮凝剂最佳配方为每200mL原水中加0.05%的CF-PAC为0.90mL，加0.01%的CTS为0.40mL，核算成工业加料即为每吨水加4.5L的0.05%CF-PAC和2L的0.01%的CTS。
(2)本文研制的新型环保型絮凝剂与湖北省鄂州葛店经济技术开发区自来水厂现使用的传统PAC液体相比，浊度去除率提高0.65%，成本下降9.29%，出水铝离子浓度下降77.3%，具有重要的推广应用价值。