阳离子絮凝剂PDA的合成与应用——对再生造纸废水的污泥脱水处理

Posted 2023-01-12 絮凝

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研究了阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂PDA对一种废纸再生造纸废水中的污泥的絮凝脱水处理过程，探讨了絮凝剂PDA的投加量、电荷密度、平均相对分子质量对絮凝脱水效果的影响，并比较了各种不同絮凝剂的处理效果。研究结果表明，絮凝剂PDA的电荷密度越大，相对分子质量越高，其絮凝脱水效果越好。在与无机絮凝剂PAC 复配使用的相同条件下，实验室自制的絮凝剂PDA的絮凝脱水效果优于其他作对比的市售多种阳离子聚丙烯酰胺类絮凝剂。
[中图分类号]X793；TQ314.253 [文献标识码] A [文章编号]1005-829X(2002)10-0050-03
二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)与丙烯酰胺 (AM)的共聚物(PDA)是一类新型、精细、功能性的水溶性高分子聚合物。与其他阳离子丙烯酰胺类絮凝剂相比，具有阳离子单元结构稳定、高效无毒、使用不受pH值变化的影响等优点，广泛应用于石油开采、造纸、纺织印染、日用化工及水处理等领域中〔1～3〕。国外从20世纪50年代开始进行研究，20 世纪70年代投入工业化生产。我国在20世纪80 年代末开始研究〔4，5〕，现有小规模的工业化生产。文献[6，7]报道了其用于废纸再生造纸废水的处理过程。本次研究把试验室自制的共聚物PDA应用于造纸废水处理中的污泥脱水，并与已使用的几种市售的阳离子聚丙烯酰胺类絮凝剂进行了絮凝脱水效果的比较，以开发出PDA更多的应用领域。
1 实验
1.1 药剂
聚合氯化铝(PAC)：工业品。阳离子絮凝剂 PDA由实验室合成。其中，PDA1，PDA2，PDA3分别代表不同阳离子度和相对分子质量的产物。PDA与市售商品F4(法国产品)，E2(英国产品)，JS(江苏产品)的产品性能见表1。其中絮凝剂平均相对分子质量大小以特性粘度数值[η]表示，[η]值由样品溶液在(30±0.1)℃、1 mol/LNaCl水溶液中由乌氏粘度计经单点法测得。用作对比的样品(F4，E2，JS)为阳离子单体甲基丙烯酰乙酯三甲基氯化铵(DM)与丙烯酰胺(AM)的共聚物。阳离子度为阳离子单体在共聚物总单体量中占的摩尔分数。

1.2 水样与水质
造纸废水污泥取自国内最大废纸再生造纸厂经生化处理后二沉池的废水污泥。水质呈灰色混浊状，pH值为6，上清液透过率为40%，CODCr为5 970 mg/L，SS为3 100 mg/L。
1.3 絮凝实验法
本文通过絮凝实验来评价各种絮凝剂及其配方的处理效果。实验过程为：在6～8个400 mL烧杯中加入100 mL废水样，加入无机絮凝剂PAC，以180 r/min快速搅拌1 min，然后加入有机高分子絮凝剂组分，先快速搅拌(180 r/min)20 s，再慢速搅拌(40 r/ min)20 s，静置30 min。观察形成污泥絮团的大小、强度，另取上清液测定CODCr值、透过率。其中透过率用722型分光光度计测定，以去离子水作参比，测定波长为610Nm。CODCr值用重铬酸钾氧化法测定〔8〕。滤饼含水率为絮体经布氏漏斗微减压过滤后在105℃烘干前后失量百分率。
2 结果与讨论
2.1 无机絮凝剂PAC最佳用量选择
不同投加量的PAC与有机高分子絮凝剂PDA (选用PDA2)配合使用处理造纸废水的污泥，考察了 PAC投加量与絮凝效果的关系。结果表明，上清液的透过率随无机絮凝剂PAC的增加而增大，CODCr 去除率也有类似的关系。当PAC投加量为330 mg/ L、440 mg/L时，处理后上清液透过率均可达到令人满意的效果。而从经济效益的角度考虑，本次研究确定PAC的较佳投加量为330 mg/L。
2.2 有机絮凝剂投加量与絮凝效果的关系
在确定PAC用量后，进一步研究有机高分子絮凝剂PDA(选用PDA3)用量与絮凝脱水效果的关系见表2。从表2可知，随着絮凝剂PDA3的投加量增加，上清液CODCr去除率随投加量的增加而增加，当絮凝剂PDA3投加量达到一定值后，CODCr去除率反而下降，处理后的水质的上清液透过率变化与絮凝剂的投加量也有类似的关系。这是由于有机阳离子絮凝剂PDA是水溶性线性高分子聚合物，它的分子链上带有正电荷，具有“吸附"和“架桥"作用。当有机絮凝剂投加量过量后，有机絮凝剂分子可能覆盖在胶体颗粒表面，使胶体粒子重新稳定而分散〔10〕。而观测到的絮团直径虽然随PDA的投加量增加有先增后减的现象，但是，从絮团的紧密程度来看则是在不断变得坚韧结实。说明了PDA作为高分子絮凝剂的作用。

2.3 不同电荷密度的絮凝剂与絮凝效果的关系
不同电荷密度的絮凝剂(PDA1，PDA3)处理造纸废水的絮凝脱水效果见表3。从表3可以看出，当阳离子高分子絮凝剂的平均相对分子质量相当 ([η]大约一致)情况下，电荷密度大的絮凝剂 (PDA3)的CODCr去除率比电荷密度小的絮凝剂 (PDA1)要大，PDA3样品处理后的滤饼含水率比 PDA1样品低，即电荷密度大的絮凝剂的絮凝效果比电荷密度小的效果好。这是因为当有机高分子絮凝剂的平均相对分子质量一定时，即聚合物分子的架桥能力大约一致，而造纸废水中纤维成分多，胶体所带电荷大，但阳离子对经无机絮凝剂PAC凝聚作用后的带有负电荷的胶体颗粒矾花进行吸附中和的作用占主导地位。因而，电荷密度大的絮凝剂的絮凝效果比电荷密度小的絮凝剂的效果好。

2.4 不同[η]的絮凝剂与絮凝效果的关系
不同[η]的絮凝剂(PDA2，PDA3)处理造纸废水的絮凝脱水效果见表3。当阳离子高分子絮凝剂电荷密度一定的条件下，平均相对分子质量大的絮凝剂(PDA3)CODCr去除率大，处理后水质的上清液透过率也明显高，絮凝后形成的絮团颗粒大且滤饼含水率低。产生这种结果的原因是在加入无机絮凝剂 PAC后再加入电荷密度相同的有机絮凝剂PDA，但阳离子絮凝剂对经凝聚作用后带有负电荷的胶体颗粒矾花进行吸附中和能力相同，此时相对分子质量大的絮凝剂的架桥能力强。因此，平均相对分子质量大的絮凝剂可以有效的提高CODCr去除率和透过率，且下层污泥絮凝后产生的絮体大而坚韧，易于脱水。
2.5 与其他样品处理效果的比较
将由实验室自制的絮凝剂PDA与市售的几种已在污水处理厂作为脱水剂使用的阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂(F4，E2，JS)的絮凝效果作了系统对比研究，结果见表4。其中絮凝剂的投加量均为经系统优化后得到的最佳用量。

由表4各种阳离子絮凝剂与PAC配合使用处理造纸废水污泥的效果比较可以看出，实验室自制的絮凝剂PDA3由于电荷密度大且平均相对分子质量较大，达到最佳处理效果时的投加量小且絮凝效果好；由各种阳离子结构的阳离子高分子絮凝剂对比可知，实验室自制的絮凝剂PDA的絮凝效果明显优于实验中作对比的市售阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂，这可能是由于絮凝剂PDA中含有环状的刚性结构，有利于提高聚合物的絮凝性能。
3 结论
研究了实验室自制絮凝剂PDA与几种市售的已在污水处理厂使用的阳离子聚丙烯酰胺类絮凝剂对废纸再生造纸废水中污泥脱水的处理过程，探讨了絮凝剂PDA的投加量、电荷密度、平均相对分子质量对絮凝脱水效果的影响，并比较了各种不同絮凝剂的处理效果。研究结果表明，絮凝剂PDA的电荷密度越大，相对分子质量越高，其絮凝效果越好。与国内外各种阳离子絮凝剂相比，实验室自制絮凝剂PDA性能优越，废水处理后CODCr去除率达 46.5%，透过率91.2%，滤饼含水率为71.5%，且形成的絮体大而韧，有利于脱水。此外，其阳离子单体具有成本较低、结构稳定、pH适合范围广等优点。