用废物制备无机高分子絮凝剂及其在印钞废水处理中的应用

Posted 2023-01-12 无机高分子

篇首语：古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了用废物制备无机高分子絮凝剂及其在印钞废水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

基于“以废治废"理念，以一种含铝酸性废水为主要原料，制备了一种新型无机高分子絮凝剂聚硅硫酸盐，并用之处理印钞超滤浓缩废水。实验结果表明，在最佳投药量为140mL/L的条件下，印钞超滤浓缩废水的色度和COD去除率分别达到98%和89.88%，实验表明废水温度的提高有利于COD的去除。对絮凝剂的FTIR表征说明，该絮凝剂并非各种原料组分简单的混合，而是形成了新的高分子聚合物。
文章编号：1006-0456(2009)03-0218-05
据统计，我国2006年工业废水排放量240.2亿，t占废水排放总量的44.7%，废水中化学需氧量排放量1428.2万，t比上年增加1.0%。工业废水的大量排放严重的污染水体(湖泊，河流)，对人的健康造成直接或潜在的危害，对各种工业废水的处理和处置成为社会普遍关心的问题。
化学絮(混)凝被广泛应用于去除工业废水，特别是高浓度的工业废水中的悬浮物[2-3]。而絮凝剂的研发成为关键的环节之一。性能和价格是评价絮凝剂的重要指标。在众多的絮凝剂当中，新型无机高分子絮凝剂由于其在性能和价格方面的优势[4-8]，近年来受到广泛的关注。
在此基础上，基于“以废治废"理念，人们一直在不断探索以废物(主要为固体废弃物)为原料制备无机高分子絮凝剂，用之处理废水[9-12]，以期降低废水处理的成本，减少废物的排放。以工业废物为原料制备高效混凝剂，充分利用了可开发资源，是当今世界混凝剂研究发展的主要潮流之一。
本文试图以一种含有金属离子Al3+酸性废水(未经过任何处理)作为制备无机高分子絮凝剂的主要原料之一，与其它试剂配伍，制备无机高分子絮凝剂聚硅硫酸盐，并用之处理印钞超滤浓缩废水。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
含Al3+酸性废水由某医药中间体生产企业提供，其组成见表1。

待处理的印钞超滤浓缩废水的各项指标如表2所示。

实验中用到的其它试剂包括FeSO4.7H2O(CP级，上海焱晨化工实业有限公司)；MgSO4.7H2O(CP级，上海焱晨化工实业有限公司)；98%浓硫酸(CP级，南昌鑫光精细化工厂)；硅藻土(CP级，上海化学试剂有限公司)；Ag2SO4(CP级，上海化学试剂有限公司)；K2Cr2O7(CP级，上海试剂一厂)；(NH4)2Fe(SO4).6H2O(CP级，广东汕头市西陇化工厂)。
1.2 实验方法
1.2.1 絮凝剂的制备
在充分利用含铝废物的前提条件下，借鉴作者制备聚硅硫酸铝铁时获取的较佳工艺参数，通过探索性实验，制定出絮凝剂的制备方法：以含铝废物为主，通过添加硫酸亚铁、硅藻土、硫酸镁，在酸性条件下进行自热聚合，制备出性优价廉的絮凝剂。为考察各因数的影响，采用正交实验，用L9(34)正交表，因素水平的选取如表3所示。

絮凝剂的制备在通风厨中进行。保持含Al3+酸性废水的用量固定不变(20mL)，按照正交表配比称取一定量的FeSO4、硅藻土、MgSO4后溶于含Al3+酸性废水，然后在搅拌条件下加入一定量的98%H2SO4自热聚合，冷却即得絮凝剂。将制得的絮凝剂配成ω(絮凝剂)=20%的水溶液备用。
1.2.2 絮凝实验
絮凝实验在具塞比色管中进行：即取50mL印钞超滤浓缩废水于100mL的具塞比色管中，加入一定量的絮凝剂后用手震荡5次。
1.2.3 分析方法
絮凝实验完成后，用滤布对悬浮液进行过滤，滤液的化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法测定(GB11914—89)，滤液的色度采用稀释倍数法测定(GB11903—89)，pH值用pH3-C酸度计(雷磁，上海精密科学仪器有限公司)进行测定，滤渣产量采用重量法进行测定。CODCr和色度的去除率分别记为η(CODCr)和η(色度)，按照以下公式计算：
η=(1-残余量/初始量)×100%
制备的絮凝剂采用傅立叶变换红外光谱仪(Nicole，美国热高电尼高力公司)进行表征：将絮凝剂样品置于烘箱中并于50℃左右烘干，制得固体样品，以KBr做本底，采用压片法，用傅立叶红外光谱仪测其红外谱图，采用0.09cm-1的分辨率，扫描60次，扫描范围400～4000cm-1。
2 实验结果与讨论
2.1 最佳絮凝条件的确定
对不同配比条件下制备的絮凝剂，进行絮凝实验，逐渐增加絮凝剂的量，计算出每个絮凝剂的COD、色度的最佳去除率。由于在最佳投药量下，每个絮凝剂对废水色度的去除率均较高，数据的波动较少，故采用COD作为正交实验结果分析的指标。最优投药量为每50mL印钞超滤浓缩废水加入6～7mLω(絮凝剂)=20%的絮凝剂，结果与直观分析结果如表4所示。

由表4可知，正交实验的最优条件为A3B2C1D1，即在含Al3+酸性废水用量为20mL不变的情况下，硫酸亚铁的加入量为12g，硅藻土的用量为1.38g，98%浓硫酸的用量为21mL，硫酸镁的用量为8.00g。
为进一步了解各个因素对絮凝效果的具体影响，对实验结果进行方差分析，结果示于表5。

对实验结果的方差分析(表5)发现，硫酸亚铁对絮凝效果的影响最显著。镁盐的加入对废水的色度和COD去除效果无明显的提升，这与文献报道的结果有一定出入，且镁盐的价格较高，不利于絮凝剂生产成本的控制，故将最优条件选取为A3B2C1D2，即在含Al3+酸性废水用量为20mL不变的情况下，硫酸亚铁的加入量为12g，硅藻土的用量为1.38g，98%浓硫酸的用量为21mL，硫酸镁的用量为0g。
在最优条件下制备絮凝剂，并用之处理印钞超滤浓缩废水，所得结果如图1所示。

最优投药量为每50mL废水加入7mLω(絮凝剂)=20%的絮凝剂(即投药量为140mL/L)，COD的去除率为89.88%，剩余COD约为8000mg/L，残余色度为20倍，出水的pH值为6.10。
印钞废水出水温度是45℃，当废水排入污水池后进行集中处理时的温度范围为20～45℃，为此，考虑温度对絮凝剂絮凝效果的影响，所得结果如图2所示。
结果表明温度高时，残余色度为20倍无明显改善，但COD的去除率提高到90.73%，剩余COD为7400mg/L，而且加入量也可减少(120mL/L废水)，这是由于高温条件下，絮凝剂中的金属离子水解速度更快，同时，絮凝剂水解产物与废水中颗粒物的碰撞更加剧烈，碰撞的几率增大，有利于絮体的生成。
2.2 絮凝剂的表征
在最优条件下制备的无机高分子絮凝剂以及将FeSO4、硫酸铝、硅藻土机械混合测定的FTIR图如图3所示。

由FTIR图谱可知，与(a)相比，谱图(b)发生了明显的变化，尤其是在指纹区变化更大。通过分析可知，3266～3440强宽吸收峰是PASS样品中与铝离子、铁离子相连的—OH基团及样品内所吸附的水分子和配位水分子中的—OH基团伸缩振动产生的吸收峰；1656左右处为羟基的吸收峰；1079.51是铁离子引入聚硅酸铝中；880.39为Al—OH—A，lFe—OH—Fe为弯曲振动所致[16-17]；606.065处可能是铝硅复合的特征吸收峰Si—O—A；l474.43cm-1处的弱吸收峰是聚硅酸与铝离子及铝羟基络合物间形成的键合物的Si—O—Al振动所产生的。这表明絮凝剂并非各种原料组分简单的混合，而是形成了新的高分子聚合物。
3 结论
1)用含Al3+酸性废水生产絮凝剂的制备工艺简单，聚合时间短，充分利用反应过程的反应热及硫酸的稀释热，有效节省能源，实现自热平衡下的常压合成反应，对于降低絮凝剂的生产成本，减少废水的排放，保护环境具有积极意义。
2)在最佳配比条件下生产出的絮凝剂对印钞浓缩废水的色度和CODCr的去除率分别达到98%和89.88%，对色度和CODCr具有良好的去除作用。废水初始温度的提高有利于COD的去除，但对于色度的去除影响不大。絮凝剂的FTIR图谱表明，该絮凝剂并非各种原料组分简单的混合，而是形成了新的高分子聚合物。