稻壳絮凝剂的制备及在疏浚底泥脱水中的应用

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：人类的一切努力的目的在于获得幸福。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了稻壳絮凝剂的制备及在疏浚底泥脱水中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

通过对稻壳进行阳离子化改性，制备了天然有机高分子絮凝剂(RHF)。采用疏浚底泥絮凝脱水的研究，评价了RHF的絮凝脱水效果。结果表明，RHF絮凝脱水效果比CPAM略差，优于PAFC，底泥絮凝脱水的同时，能有效去除水体污染物，改善余水水质。其中CPAM/RHF复配体系呈现出优良的絮凝脱水效果，可实现底泥的瞬间絮凝沉降脱水，且余水水质较好。
我国在城市建设、水利工程、海洋工程中，每年都会产生大量的疏浚淤泥。随着“资源循环型社会"概念的提出，疏浚底泥资源化利用也趋向于更有利于环境保护的方面，如种植用土、填方材料、建筑材料以及焚烧燃料等。然而，疏浚底泥具有高孔隙比、高含水量。渗透性能差、排水固结缓慢等特点，因此，资源化利用的前提是先进行脱水处理。采用絮凝剂是目前我国疏浚底泥常用的化学脱水技术，以无机絮凝剂(如聚合氯化铝、聚合氯化铁)和有机高分子絮凝剂(阳离子聚丙烯酰胺CPAM)为主。无机絮凝剂价格低廉，但对人类健康和生态环境会产生不利影响；有机高分子絮凝剂虽具有用量少、浮渣产量少、絮凝能力强、絮体容易分离等优良性能，但这类高聚物的残余单体具有“三致"效应(致崎、致癌、致突变)，因而其应用范围和用量受到限制。纯天然的高分子絮凝剂电荷密度较小，分子量较低，且易受酶的作用而降解，从而失去活性，絮凝效果较差。20世纪70年代以来，美、英、法、日等国开始重视化学改性有机高分子絮凝剂的研制，经改性后的天然有机高分子絮凝剂具有选择性大、无毒、价格低廉等显著特点，不存在二次污染问题，应用前景诱人。我国的水稻种植产量居世界之首，每年稻壳的产量就有3600万t，是一种量大、廉价的可再生资源。稻壳具有良好的韧性、多孔性、低密度以及质地粗糙等特点，经初步粉碎细化的稻壳其自身具有良好的吸附性能，可吸附水中的毒害物质。稻壳的主要成分是纤维素、木质素和硅类化合物，本文对稻壳进行阳离子改性，制备一种天然有机高分子絮凝剂，并探讨了其对疏浚底泥的絮凝脱水效果。
1.实验部分
1.1稻壳的基本物性
实验稻壳的主要化学成分见表1与表2。稻壳的比重0.662，容重238kg/m3。

1.2疏浚底泥的基本物性
疏浚底泥取自天津校园景观湖，底泥的基本物理指标如表3所示。

1.3药品及仪器
稻壳，天津农业科学院；十六烷基三甲基溴化铵，天津市江化工技术有限公司；阳离子聚丙烯酰胺(CPAM，分子量860万，阳离子度22.56%)，江苏南天絮凝剂有限公司；聚合氯化铝铁(PAFC)，北京惟事美环保科技有限公司。ET266020浊度测定仪，德国罗威邦公司；723G分光光度计，北京瑞利分析仪器公司。
1.4RHF絮凝剂的制备
将洗净干燥的稻壳研磨、粉碎、筛分，制得稻壳粉末。称取10g稻壳粉末，加入浓度为8%的氢氧化钠溶液100mL，80℃下碱化60min，得碱化稻壳。降温至50℃，加入6g十六烷基三甲基溴化铵，滴加0.6%的过硫酸铵引发剂，恒温反应4h，得醚化稻壳。产物用200mL乙醇沉淀过滤，50℃真空干燥至恒重，即得阳离子醚化稻壳RHF。

1.5絮凝实验
利用六联搅拌机进行絮凝剂的沉降实验以评定絮凝剂的絮凝脱水效果。在烧杯中加入水源水及用水溶解后的絮凝剂。以120r/min快速搅拌1min，60r/min慢速搅拌20min。静置沉降20min后，用吸管从烧杯中水样深度一半处移取足够体积的上层清液，进行浊度、透过率、悬浮固体含量分析。2结果与讨论2.1不同絮凝剂对底泥脱水速度的影响沉降速度是衡量絮凝剂脱水效果的一个重要指标，在相同时间内，底泥沉降后的高度越低，絮凝剂效果越好。选用目前常用的两类絮凝剂CPAM、PAFC和RHF进行对比，探讨不同絮凝剂及其复配体系对底泥脱水的影响，如图1所示。

由图1可看出，底泥自身沉降性能很差，絮凝剂的引入加速了底泥的絮凝沉降速度。单一絮凝剂，CPAM的絮凝脱水效果最好，RHF次之，PAFC最差。RHF与CPAM和PAFC互配，可明显提升絮凝脱水效率。其中RHF与CPAM互配使用，絮凝效果最好，基本可实现底泥瞬间絮凝脱水沉降。
2.2CPAM/RHF复配体系对底泥脱水的影响
纵观絮凝剂的现状可以看出，絮凝剂的发展史是从低分子到高分子，从单一型到复合型，总的趋势是向廉价实用、无毒高效的方向发展。在絮凝脱水工艺中，通常会多种絮凝剂互配使用，以实现协同效应达到增强絮凝效率的目的。实验探讨了复配体系CPAM/RHF的絮凝效果，着重考察了RHF的加入量对底泥的脱水速率的影响，如图2。

CPAM/RHF复配体系比CPAM显现出更好的絮凝脱水效果，这是因为CPAM与RHF之间的相互作用使得吸附层更加牢固和紧密，提高了絮凝性能，产生了理想的协同效应。且随着RHF加入量的增加，底泥沉降速度增大，当RHF的加入量达到40%时，可实现瞬间絮凝脱水沉降。
2.3余水浊度
余水的浊度是由水中的泥沙、有机物、无机物和微生物等悬浮物引起的[9-10]。在水质分析中，浊度值是一个重要指标，可通过底泥絮凝脱水后余水的浊度值评价絮凝剂对水体悬浮物的脱除效果，见图3。

由图3可知，自然沉降的底泥，余水浊度较高，水体中污染物及有机物含量较高，加入絮凝剂的余水浊度值明显降低。其中，加入RHF的余水浊度值最低，CPAM的效果次之，PAFC最差。复配体系中，CPAM/RHF的余水浊度值最低，其浊度值也低于RHF的效果，说明复配体系可达到较好的降低浊度的作用，去除杂质的效果明显，可有效改善余水水质。
2.4余水的悬浮物含量
悬浮物浓度值(SS)的大小是衡量余水水质的重要指标之一，也是工程外排废水中必须严格控制的重要污染因子。悬浮物浓度值将直接反应余水的处理净化程度[11-12]。实验探讨了加入不同絮凝剂，对余水中悬浮物的含量的影响，见图4。

由图4可以看出，与余水浊度的实验结果一致，RHF呈现出较好的去除水体悬浮物的性能，复配体系中CPAM/RHF的絮凝效果最好。
3.结论
以稻壳为原料，十六烷基三甲基溴化铵为阳离子醚化剂，制备了天然有机高分子絮凝剂RHF。通过对底泥絮凝脱水效果的研究，结果表明RHF具有良好的絮凝脱水效果，可有效去除水中的污染物，明显改善余水水质。RHF与CPAM复配体系，产生了很好的协同效应，可实现底泥瞬间絮凝沉降脱水，且余水水质较好。