阳离子聚丙烯酰胺改性粉煤灰对印染废水的脱色性能研究

Posted 2023-01-12 溶液

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在聚丙烯酰胺阳离子化反应体系中投加粉煤灰，制备了阳离子聚丙烯酰胺改性粉煤灰(简称改性粉煤灰)，研究了聚丙烯酰胺和粉煤灰配比、改性温度对改性粉煤灰脱色性能的影响。用改性粉煤灰对模拟印染废水和实际印染废水进行了混凝脱色处理。结果表明，当未调节pH、改性粉煤灰投加量为3mL、反应时间为5min左右时，200mL模拟印染废水的脱色率均达到85%左右；调节pH为10时，同等条件下，实际印染废水的脱色率大于95%，比原粉煤灰均有很大程度的提高。
印染废水色度大、有机物含量高，因此色度和COD的去除是印染废水处理的难点所在。近年来，用物理或化学处理后的改性粉煤灰吸附去除废水中污染物已成为研究的热点[1-7]。
经酸、碱改性处理后的粉煤灰颗粒表面粗糙度增加，吸附性能增强，但其混凝效果并无显著改善。用高分子絮凝剂对粉煤灰进行改性可改变其颗粒表面的带电性质，提高其对阴离子型污染物的吸附电中和能力。笔者通过曼尼奇反应对粉煤灰进行阳离子聚丙烯酰胺改性，主要考察了聚丙烯酰胺和粉煤灰配比、改性温度对改性粉煤灰脱色性能的影响，并用改性粉煤灰对模拟印染废水进行了混凝脱色处理，考察了改性粉煤灰投加量、废水pH、反应时间、反应温度等对染料脱色率的影响，最后在确定的最佳条件下对实际印染废水进行了处理，以期为同类废水的治理提供借鉴。
1 实验部分
1.1 实验材料
粉煤灰：取自嘉兴某热电厂，经干燥、粉碎、研磨过120目筛，备用，颜色为灰色。
试剂：二甲胺，甲醛，氨水，聚丙烯酰胺(分子量>500万)。
模拟印染废水：将中性枣红、直接混纺黑、弱酸嫩黄3种不同染料分别配制成100mg/L的溶液作为模拟印染废水。中性枣红溶液呈深枣红色，pH为6左右；直接混纺黑溶液呈深黑色，pH为7左右；弱酸嫩黄溶液呈淡黄色，pH为7左右。
实际印染废水：取自嘉兴某印染厂，外观混浊，呈棕褐色，COD为1030mg/L，色度为950倍，pH为8.42。
1.2 改性粉煤灰的制备
在500mL三口烧瓶中将50mL二甲胺和50mL氨水充分混合，再加入100mL甲醛溶液，升温至50℃，反应40min后冷却，备用。在另一个250mL三口烧瓶中加入30g粉煤灰、100mL一定浓度的聚丙烯酰胺水溶液，搅拌混合后再加入3mL前一三口烧瓶制备的溶液，搅拌均匀，升温至45℃，反应2h后冷却，制得灰色粘稠状液体的阳离子聚丙烯酰胺改性粉煤灰(简称改性粉煤灰)，备用。
1.3 混凝脱色实验方法
有机高分子混凝剂的优异性能在于其分子的各个链节与水中胶粒有强烈的吸附作用，阳离子型高聚物除了具有强烈的吸附作用外，对负电胶粒还能起电中和脱稳作用，而染料在水中溶解后大都带有负电荷，因此将改性粉煤灰加入印染废水后，会迅速产生混凝作用。
在烧杯中加入200mL模拟印染废水(或实际印染废水)，调整pH，投加一定量的改性粉煤灰，快速搅拌1min，使其充分分散在废水中，随后慢速搅拌5min，并静止15min后取上清液，采用分光光度法测定其吸光度(实际印染废水用稀释倍数法测定色度)。
2 结果与讨论
2.1 改性粉煤灰制备条件的影响
在改性粉煤灰的制备中，笔者主要考察了聚丙烯酰胺和粉煤灰配比、改性温度对改性粉煤灰脱色性能的影响。
2.1.1 聚丙烯酰胺和粉煤灰配比的影响
粉煤灰的投加量为30g，聚丙烯酰胺溶液的投加量为100mL，通过调整聚丙烯酰胺溶液的浓度来确定两者的最佳配比。图1为不同聚丙烯酰胺溶液质量分数下制得的改性粉煤灰对3种模拟染料的脱色率。

由图1可以看出，改性粉煤灰对模拟印染废水的脱色率均随聚丙烯酰胺溶液浓度的增大而上升。当聚丙烯酰胺溶液质量分数为1%～3%时，随其浓度提高，模拟印染废水的脱色率上升速度很快；当聚丙烯酰胺溶液质量分数超过3%后，随其浓度提高，模拟印染废水的脱色率上升趋势变缓。这可能是由于粉煤灰颗粒表面的吸附空间随着聚丙烯酰胺溶液浓度的增大而逐渐接近饱和，之后随着溶液浓度的继续增大，改性粉煤灰更多地表现为聚丙烯酰胺的特性，故模拟印染废水的脱色率增幅明显降低。可见，聚丙烯酰胺的最佳质量分数为3%。
2.1.2 改性温度的影响
选定聚丙烯酰胺溶液质量分数为3%，考察改性温度对改性粉煤灰脱色性能的影响，结果见图2。从图2可以看出，在40～55℃时得到的改性粉煤灰对3种模拟印染废水的脱色率均可达85%以上，当超过60℃时，改性粉煤灰的水解程度增大，随着改性温度升高，废水脱色率会有所降低。而且，二甲胺在高温下的氧化和聚丙烯酰胺的降解都会使产物发黄，故改性温度以45℃为宜。

2.2 改性粉煤灰处理模拟印染废水
2.2.1 改性粉煤灰投加量的影响
分别向3种模拟印染废水(均为200mL)中投加适量的改性粉煤灰，充分搅拌后，溶液中立即会出现大量的矾花，矾花的颜色因染料成分差异而明显不同，同时矾花迅速地长大并有明显的沉降现象，混凝反应完成5min后基本沉淀完全。改性粉煤灰投加量对模拟印染废水脱色率的影响见图3。
由图3可以看出，当改性粉煤灰投加量为1～3mL时，随着改性粉煤灰投加量的不断增加，模拟印染废水的脱色率也相应提高。当投加量为3mL时，中性枣红、直接混纺黑、弱酸嫩黄废水的脱色率分别达到91.3%、95.7%和86.8%。当改性粉煤灰投加量大于5mL时，观察到上清液出现轻微的浑浊现象，澄清所需时间较长，对模拟染料废水色度的测定有一些影响。这可能是由于模拟染料废水中染料分子较少，当聚合物一端吸附一个染料分子后，另一端因粘连不着第2个染料分子，只能与原先的染料分子粘连，无法起到架桥作用，从而达不到较好的混凝效果。从图3也可以看出，改性粉煤灰投加量在3～4mL时，3种模拟染料的脱色效果均较好，考虑到经济效益，选择3mL的投加量较为适宜。

2.2.2 废水pH的影响
染料分子中常带有磺酸基、羟基、羧基等亲水性基团，因而表现出亲水性，这是印染废水带有色度的原因。印染废水的混凝脱色效果与染料在水中的存在状态密切相关，而染料在水中的存在状态与pH密切相关。考虑到实际印染废水pH较高的特点，将3种模拟印染废水的pH调整为6～12，考察了pH对模拟印染废水混凝脱色效果的影响，结果见图4。

从图4可以看出，在较宽的pH范围内，中性枣红和直接混纺黑废水的脱色率均可达到90%以上，而弱酸嫩黄废水在pH为6～8时的脱色率高于85%，之后随着pH升高，其脱色率下降，这可能是由于弱酸嫩黄在pH较高时发生了分子解离。可见，在实际印染废水混凝脱色时，为取得较好的处理效果，应适当调整pH。
2.2.3 反应时间的影响
反应时间对模拟印染废水脱色率的影响见图5。由图5可见，反应在5min内就能完成。为了得到较为密实的沉淀物，选择反应时间为5min，反应完成后继续沉淀15min左右再取上清液进行色度测定。

2.2.4 反应温度的影响
在实际印染废水混凝脱色过程中一般无法对水温进行严格的调整。改性粉煤灰为液体产品，室温下能完全分散到废水中，而其吸附性能也会随着水温的升高而降低，因此本研究所有混凝反应均选择在室温下进行。
2.3 实际印染废水处理效果
在室温下，调整实际印染废水的pH为10左右，分别用原粉煤灰和改性粉煤灰进行了实际印染废水混凝脱色试验。经观察，在印染废水中加入原粉煤灰后，不会形成明显的矾花，粉煤灰会很快沉淀，当加入改性粉煤灰后，印染废水中立即出现大量的絮体，絮体颜色为褐色，明显有别于粉煤灰的本色(灰色)。在投加量相同的情况下，原粉煤灰对印染废水脱色率很低，出水颜色和原水相近，脱色率为6.5%，而改性粉煤灰对印染废水的脱色效果非常明显，加入3mL改性粉煤灰，反应5min，并沉淀15min后，出水颜色接近自来水，色度为40倍，脱色率大于95%，且混凝过程中改性粉煤灰沉降性能良好，处理后的废水在较短的时间内即可实现泥水分离。
3 结论
(1)改性粉煤灰制备的最佳条件：粉煤灰投加量为30g，聚丙烯酰胺溶液投加量为100mL，聚丙烯酰胺溶液质量分数为3%，改性温度为45℃。
(2)用改性粉煤灰处理印染废水，操作简单。当未调节pH、改性粉煤灰投加量为3mL、反应时间为5min左右时，200mL模拟印染废水脱色率均达到85%以上；调节pH为10时，同等条件下，实际印染废水脱色率大于95%，比原粉煤灰有很大的提高。混凝过程中改性粉煤灰沉降性能良好，处理后的印染废水在较短的时间内即可实现泥水分离。