海泡石/黄原胶复合絮凝剂的制备及应用研究

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：善行无辙迹、善言无瑕谪。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了海泡石/黄原胶复合絮凝剂的制备及应用研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

以过硫酸钾为引发剂，使丙烯酸/丙烯酰胺在黄原胶(XG)分子链上接枝聚合并复合海泡石纤维制备复合絮凝剂。研究了反应条件对含油废水COD去除率及浊度去除率的影响，利用红外光谱(FTIR)对接枝产物进行表征。实验结果表明，最佳合成条件为：m(丙烯酸/丙烯酰胺)∶m(黄原胶)=8∶1，引发剂、交联剂与黄原胶质量比分别为0.02，0.006，m(海泡石)∶m(黄原胶)=1∶2，反应温度60℃，用该絮凝剂处理含油废水，COD去除率和浊度去除率分别达到88.2%和95.6%。
絮凝沉淀法作为一种成本较低的水处理方法被广泛采用，其水处理效果的好坏很大程度上取决于絮凝剂的性能。传统无机絮凝剂如硫酸铝、氯化铝等在水处理过程中，不仅耗量大、形成的絮体小、沉降速度慢、残留在水中会导致二次污染[1-2]；高分子絮凝剂电荷密度小，易发生生物降解而失去生物活性，其用途往往受到较大限制[3-4]。因此工程实践中需要复合絮凝剂，复合絮凝剂的研究和开发在国内外得到了广泛的开展，已经成为目前研究的热点[5-6]。
海泡石是一种纤维状的含水硅酸镁，无毒无味，具有较高的热稳定性和吸附能力，可以吸附大量的极性物质[7-8]。黄原胶无毒、可生物降解，主、侧链上含有大量的羟基、羧基等活性基团，在药物控释、三次采油、水处理等领域展现出了良好的应用前景[9-10]。
本文尝试利用海泡石黄原胶接枝制备复合絮凝剂，讨论了合成条件对絮凝效果的影响，并结合红外光谱分析接枝产物，初步测试产品絮凝性能，以期得到一种价格低、可生物降解的高性能复合型絮凝剂。
1 实验部分
1.1 原料、试剂与仪器
黄原胶、海泡石均为市售；丙烯酸(减压蒸馏后使用)、丙烯酰胺、氢氧化钠、N，N'-二亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸钾、丙酮均为分析纯；氮气为工业优级。实验中所用的含油废水由西安长庆油田提供，水质指标平均值见表1。

FW30型电动搅拌器；TDL-5-A-C型离心分离机；JHF1-DHG-9030型恒温烘箱；HH-6型化学耗氧量测定仪；WGZ-1型数字式浊度仪。
1.2 复合絮凝剂的制备
在氮气保护下，将1g黄原胶加入装有电动搅拌器、恒压漏斗、氮气导管的250mL三口瓶中，加入100mL去离子水，50℃恒温水浴下进行搅拌溶解1h，降至室温，分别加入引发剂和交联剂，然后用恒压漏斗滴加中和度为70%的丙烯酸，加入海泡石纤维及与丙烯酸等摩尔量的丙烯酰胺，升温反应4h。反应结束后，将产物先经过蒸馏水洗涤，除去残留的试剂、单体等，然后用丙酮为萃取剂经索氏提取器抽提分离12h，放入50℃烘箱中，烘至恒重，粉碎，得海泡石/黄原胶复合絮凝剂。
1.3 絮凝效果测试
在装有500mL含油废水烧杯中，搅拌下加入一定量絮凝剂，快速搅拌2min，慢速搅拌15min，沉降15min，在距烧杯底4cm处的上清液中取样测定COD去除率和浊度去除率。分别使用化学耗氧量测定仪和数字式浊度仪进行测试。
1.4 结构表征
红外光谱分析使用傅里叶红外光谱仪，KBr压片法测试。
2 结果与讨论
2.1 红外光谱分析(见图1)

由图1可知，由于丙烯酸大部分被中和(中和度为70%)，所以—COOH多以—COONa存在，因此羧酸基特征峰1700cm-1向低波数液移动；在1620cm-1和1653cm-1处出现了酰胺基和羧酸基中的羰基伸缩振动吸收峰；另外，在1529cm-1和1454cm-1处酰胺基变形振动和丙烯酰胺链节N—H变形振动，这些峰都表明黄原胶接枝丙烯酸和丙烯酰胺。在1209～1041cm-1是Si—O伸缩振动带和弯曲振动带，证明了海泡石的存在。由此可推断，复合絮凝剂为丙烯酸/丙烯酰胺与黄原胶的接枝共聚物与海泡石交联产物。
2.2 聚合温度的影响(见图2)
由图2可知，聚合温度较低时，过硫酸钾的分解速度较慢，不能产生较多的初级自由基，导致单体的转化率低，聚合物中只有很少一部分成粒状，而大多数呈粘稠状，即不能使聚合物形成有效的网状结构，产物水溶性大，形成的絮块小；聚合温度过高，对自由基引发聚合反应的进程是有利的，但温度太高，反应速度过快，甚至会引起暴聚，使海泡石的纤维结构未能完全撑开，反应控制的难度加大，产物的絮凝效果不高，同时，温度过高也会加大丙烯酸自聚为丙烯酸均聚物。因此，聚合温度控制在60℃较为合适。

2.3 丙烯酸/丙烯酰胺与黄原胶配比的影响(见图3)
由图3可知，随着单体(丙烯酸/丙烯酰胺)与黄原胶质量比增加，COD去除率和浊度去除率提高，随后呈下降趋势。这是因为随着单体用量增加，XG分子周围单体数量增加，使每个XG自由基可接枝的单体数目增多，有利于理想网络结构的形成，使海泡石的网络得到充分撑开，COD去除率和浊度去除率提高；但当单体比例过大，过多单体聚集在一起，发生均聚反应的几率增加，网络结构过于紧密，COD去除率和浊度去除率反而下降。兼顾絮凝剂的成本及性能，m(丙烯酸/丙烯酰胺)∶m(黄原胶)=8∶1最佳。

2.4 引发剂用量的影响(见图4)
由图4可知，当引发剂用量为黄原胶单体质量的2.0%时，COD去除率和浊度去除率最高。与其它聚合体系一样，引发剂用量小时，自由基浓度及接枝活性中心的数量均随引发剂浓度的增加而增大，聚合反应速率慢，聚合物自交联程度小，可溶性增加，絮凝效果下降，导致COD去除率和浊度去除率较低；而引发剂用量过大，造成均聚反应和耦合终止反应加剧，同时会使黄原胶自由基之间以及黄原胶自由基与初级自由基之间的终止反应几率增大，因此COD去除率和浊度去除率又下降。故本实验取引发剂用量为黄原胶单体质量的2.0%为宜。

2.5 交联剂用量的影响(见图5)
由图5可知，当引发剂用量为黄原胶单体质量的0.6%时，COD去除率和浊度去除率最高。当交联剂用量较多时，聚合物的网络结构中交联点多，交联密度大，所形成的网络空间变小，其絮凝效果下降，COD去除率和浊度去除率也相应变小；反之，若交联剂用量太少，聚合物与海泡石纤维未能形成理想的三维网状结构，直接导致复合絮凝剂的性能下降。因此选用交联剂用量为黄原胶单体质量的0.6%。

2.6 海泡石与黄原胶质量比的影响(见图6)
由图6可知，随着海泡石加入量的增加，复合絮凝剂COD去除率和浊度去除率得到提高，但是当加入量的比值大于0.5时，复合絮凝剂COD去除率和浊度去除率开始降低，这是因为海泡石在黄原胶的接枝共聚过程中，黄原胶的接枝产物的交联度不断得到提高，而提高到一定程度后，海泡石的网络结构又限制交联的继续，导致了复合絮凝剂COD去除率和浊度去除率的性能下降。因此，海泡石与黄原胶质量比为1∶2最为适宜。

2.7 复合絮凝剂的应用性能研究
取最佳条件下合成的复合絮凝，其投加量对COD和浊度去除率影响见图7。

由图7可知，随着复合絮凝剂投加量的增加COD和浊度去除率均有所增大，当海泡石/黄原胶复合絮凝剂投加量>40mg/500mL含油废水时，继续增加絮凝剂投加量，絮凝效果变化不大，由此确定，海泡石/黄原胶复合絮凝剂的最佳投加量为40mg/500mL含油废水，此时COD去除率88.2%，浊度去除率95.6%。
3 结论
(1)通过实验成功合成一种新型复合絮凝剂，其最佳合成条件：m(丙烯酸/丙烯酰胺)∶m(黄原胶)=8∶1，引发剂与黄原胶和交联剂与黄原胶的质量比分别为2.0%和0.6%，m(海泡石)∶m(黄原胶)=1∶2，反应温度为60℃，用红外光谱表征证明了接枝反应的发生。
(2)合成的复合絮凝剂处理含油废水，COD去除率和浊度去除率分别达到88.2%和95.6%，将其用在处理工业废水上，相信会有广阔的应用前景。