天然高分子改性季铵盐水处理剂的絮凝一缓蚀一杀菌作用机理研究

Posted 2023-01-13 絮凝

篇首语：得意犹堪夸世俗，诏黄新湿字如鸦。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了天然高分子改性季铵盐水处理剂的絮凝一缓蚀一杀菌作用机理研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

肖锦(华南理工大学广州 510640)
随着新型水处理药剂的不断开发，药剂作用机理的研究也在不断深化。概括各种典型有机水处理药剂的应用性能，可以看出药剂的功能基团和药剂的分予量是影响药剂性能的关键。其中有机季铵盐絮凝剂与有机季铵盐的杀菌剂、缓蚀剂，一般是以分子量大小作为药剂功能分类的，譬如阳离子型高分子季铵盐衍生物，是广为使用的阳离子型絮凝剂，而阳离子型低分子季铵盐，则是杀菌剂、缓蚀剂。
综观国外多功能水处理药剂的研究进程，在药剂功能基团的研究上，已取得了较大的成效，药剂的分子量也从2O世纪7O年代初期的1000左右增至9O年代最大
的lO万左右。但总的说，以分子量为表征的絮凝净化作用未合理体现出来，药剂的几种功能也是要通过不同的投药量来实现。
从传统的观点看，絮凝与缓蚀、杀菌的作用机理是相反的，前者是药剂的吸附“架桥"，将水中胶体与微细颗粒聚集为团絮而强化固液分离，它要求药剂分子量尽可能大：后者要实现药剂在金属壁面的缓蚀和杀菌等作用，要求药剂分子量小些，以减少空间位阻效应，易于达到吸附成膜30 2005No.3缓蚀和分散渗透杀菌作用。这种药剂分子量大小与应用性能相异的关系，使得长期以来从药剂的实际应用到药剂作用机理解释，都把絮凝剂与缓蚀、杀菌等水处理药剂严格区别开来。因此长期来缺少多功能水处理剂作用机理的报道。
我们的研究表明，多功能水处理药剂的作用机理与常规单一功能水处理药剂的作用机理有所不同。笔者在前文天然高分子改性季铵盐型阳离子水处理药剂研制与絮凝.缓蚀.杀菌性能研究的基础上，进一步探讨药剂的作用机理，提出改性季铵盐水处理药剂的絮凝净化功能与缓蚀、杀菌等功能并存及其相互协同作用的一些见解：阐述多功能水处理药剂内的大分子组分与小分子组分共存的可能性和合理性：提出絮凝促进缓蚀的双成膜缓蚀机理；絮凝促进杀菌的“渐减"絮凝.“渐增"杀菌机理和絮凝.长效缓蚀机理。
2絮凝功能与缓蚀、杀菌功能的协同作用关系
2.1多功能水处理剂的作用历程
天然高分子改性阳离子水处理剂的特点之一是大、中、小分子量组分的有序结合。现以所研制的一种天然高分子改性聚季铵盐絮凝.杀菌.缓蚀剂为例，说明药剂在水处理中的作用历程。当药剂FNP-C投入水中后的短时间快速搅拌过程，药剂在水中迅速分散。其低分子量的季铵盐等组分由于空间位阻效应小而有更快的分散吸附速度，同时高分子量的季铵盐组分的分子链在水中充分伸展。低分子季铵盐带有阳离子基团，在快速分散的同时，还可“跟踪"吸附细菌等负电性颗粒，与常规季铵盐一样，它主要起杀菌、缓蚀的作用，同时对絮凝也有促进作用。同时，高分予组分通过其分子链上的活性基团(-OH、-O-等)也会吸附水中的微细颗粒、细菌等。当高分子吸附2个以上微细颗粒时，颗粒间通过“架桥"作用而连结在一起，从而产生絮体。接着在较长时间的慢速搅拌过程中，絮体与絮体及微细颗粒之间不断“碰撞"吸附而交织在一起，形成粗大团絮下沉为污泥，水质变清。研究表明，在絮凝沉降过程中，几乎100%的大分子季铵盐在对胶体、微生物和微细颗粒吸附絮凝后、一起转入污泥，完成絮凝净化作用；70%左右的低分子季铵盐，吸附于微生物，一起转入污泥，使杀菌组分在污泥中的相对浓度提高了，有好的杀菌作用，并因杀菌而提高缓蚀效果：还有约30%左右的低分子季铵盐吸附于金属表面和存留于清液中，起成膜缓蚀和补膜缓蚀作用。药剂不同组分的分配去向，是通过药剂配方设计完成的。

3药剂的絮凝功能与缓蚀、杀菌功能的协同作用
3.1药剂的絮凝作用
药剂的絮凝作用去除了水中带负电荷的胶体、微生物和微细颗粒，SS脱除率>90%，水质得到净化：絮体的性状改变，使亏.电位降低，不易粘附于器壁。这样净化后的水为药剂缓蚀提供了良好的成膜环境：药剂的絮凝作用，可富集细菌和杀菌组分于污泥之中，污泥中杀菌组分浓度相对提高了几倍，故强化了杀菌、抑菌效果，也就大大减少了微生物腐蚀的可能性。
3.2药剂的杀菌、抑菌作用
药剂的杀菌功能，有助于抑制微生物繁殖而引起的设备管道的腐蚀：药剂杀菌后，使上清液和污泥的性能稳定，减少净化水的返浊现象，有利于絮凝净化效果稳定。
3.3药剂的缓蚀作用
药荆的缓蚀作用使金属腐蚀作用减轻，腐蚀产物是形成水中污垢和污泥主要来源之一，所以缓蚀有利于减少污垢沉积。减少金属表面的硬垢，还有助于减少金属表面的点(坑)腐蚀。
根据对改性季铵盐多功能水处理剂的絮凝、杀菌、缓蚀功能协同作用的实验探讨，提出药剂作用机理模型如下：

从上图可以看出，改性季铵盐水处理剂的絮凝功能与杀菌、缓蚀功能有协同增效作用，而药剂中的大分子组分的絮凝净化作用，对促进小分子组分的缓蚀、杀菌是起着主导作用的。
4多功能水处理剂的几种作用机理
4.1絮凝.双成膜缓蚀机理
药剂的絮凝.双成膜缓蚀作用，是指向污水中投加絮凝.缓蚀剂后，在絮体表面生成絮体膜和在金属表面生成缓蚀膜，达到药剂双成膜缓蚀作用。

采用扫描电镜、超高速离心机、俄歇能谱和电子探针等测试手段，研究了天然高分子改性季铵盐阳离子多功能水处理剂处理模拟油田废水水样的絮体、金属表面性质和药剂分子量的分布特点，研究药剂在絮体表面吸附成膜和金属表面吸附成膜的特性。测得絮体膜厚在O.235～0.850gm范罔(与水质、用药量、搅拌反应条件和测试方法等有关)，膜组分主要是分予量在8O万以上的高分予聚合物。金属挂片缓蚀膜厚在O.055～0.3 10gm范罔，膜组分主要是分子量在8万以下的低分予聚合物，部分是分予量8万～8O万的中等分予量聚合物。从挂片膜的厚度检测数据和运行过程挂片膜厚度变化不大的检测结果，推测药剂的补膜作用是明显的，而且可能是中等分子量季铵盐为主参与了补膜缓蚀过程。
在药剂絮凝净化水质和药剂成膜缓蚀方面，已有学者分别研究过絮体膜和缓蚀膜的问题。笔者研究药剂的絮凝一缓蚀作用，探索了药剂絮凝净化过程絮体吸附膜的形成过程。测出絮体表面与金属壁面具有相同电荷的吸附膜，排斥力使絮体不粘附于器壁，使金属壁面清洁。这样，污水经絮凝一缓蚀剂处理后，水清壁净，为缓蚀组分提供了理想的成膜、补膜环境，使其对抑制金属点(坑)蚀功能更为优越。应用双成膜缓蚀机理有助于揭示我们研制的水处理剂抑制点腐蚀性能比商品缓蚀剂优异的原因。提出絮凝一双成膜缓蚀机理，扩宽了药剂缓蚀功能的概念，对絮凝功能与缓蚀功能的协同作用关系，作出了较符合实际的定性描述。
4.2 “渐减"絮凝.“渐增"杀菌机理
“渐减"絮凝的观点是指絮凝反应过程由高到低地变化输入能量，以利于充分发挥高分予药剂的吸附、“架桥"絮凝作用，此观点已被广泛实际应用。适宜的絮凝过程可以富集污水中的细菌、杀菌组分子底泥之中，而杀菌剂的杀菌能力随其浓度的增加而增加。因此，絮凝.杀菌剂的絮凝过程对细菌和杀菌组分的富集，有利于发挥杀菌组分的杀生功能，达到“渐增"杀菌的效果。提出絮凝.杀菌作用机理的模型如下：

研究天然高分子改性季铵盐絮凝一杀菌剂对水中SBR为代表的微生物的脱除和杀灭过程，可以知道低分子量阳离子季铵盐会优先被吸附在带负电荷的细菌表面，伴随药剂内大分子季铵盐对胶体、悬浮颗粒的吸附絮凝作用，共同聚集为絮体下沉为污泥。根据检测，水中95%以上的细菌和70%左右的杀菌组分被富集于污泥之中。
据此，可以计算出杀菌组分在污泥中的相对浓度比原投加于水中的浓度提高了7～l0倍，而细菌在污泥中的浓度也增加l0～l5倍左右。细菌含量的增加虽然也要求杀菌组分的浓度相应增加，以达到相同的杀菌率，但两者增加的幅度并不一致实验表明，当细菌浓度增长100倍时，达到相同杀菌率所需的杀菌组分浓度一般只需增加l倍左右，即可达到相同的杀菌率。我们的研究表明，投加5mg/L的FNP.C后，可以使污泥中的SRB数量由原来的l0 个lmL降至5×10 0个/mL(作用时间lh)，而同样
条件下投加1227杀菌剂后，污泥中的SRB仍达5×l0'个/mL。前者杀菌效果明显优后者，原因在于药剂絮凝功能与杀菌功
能的协同作用。所以絮凝一杀菌剂有利于充分发挥杀菌组分的杀生功能。随着“渐减"絮凝作用的进行，杀菌组分与细菌的富集，逐渐强化杀菌的效果。
4.3絮凝.长效缓蚀机理
絮凝.长效缓蚀作用，是指一次投加试制的多功能水处理剂后，能在相对较长的时间(如10d)内仍维持良好的缓蚀性能。其缓蚀机理的基本点是多功能水处理剂中的高分予组分，在酸性介质中会逐步降解为低分予的缓蚀组分并继续起缓蚀作用。研究天然高分子改性型季铵盐水处理剂FNP.C20mg/L在lmol/L盐酸溶液中的缓蚀性能，与空白样作对比，第1dFNP-C样缓蚀率为90.4%，第10d缓蚀率仍达90.1%。挂片外观仍基本光亮，无腐蚀小孔，而空白样呈黑色蜂窝状，边缘呈锯齿形，腐蚀严重。通过色.质联仪(GC.MS)等的系统分析检测，对投加药剂当口的酸溶液与继续存放至10d的酸溶液，分别测定分予量小于500的含氮有机化合物，发现储存10d后的酸溶液，其小分子量含氮有机化合物比当日的酸溶液还有所增多(约25%)，但两种酸溶液的相关小分子结构式相似。据此，推断完成絮凝净化作用后的高分子组分，会继续缓慢降解为低分子物，并继续起缓蚀剂的作用。首次提出絮凝.长效缓蚀机理，指明药剂中的高、中分子量组分可逐渐降解为低分子量组分，这部分降解低分子组分继续起协同缓蚀作用，因而提高了药剂的应用效果，延长了药剂中缓蚀组分的有效作用时间。
5结论
(1)改性季铵盐型多功能水处理剂内存在着絮凝净化功能与缓蚀、杀菌等功能的协同作用关系。
(2)改性季铵盐多功能水处理药剂的絮凝净化功能可能起着主导作用，通过药剂絮凝净化作用，促成强化杀菌、双成膜缓蚀和长效缓蚀。
(3)多功能水处理剂中各种功能的协同作用得以充分实现的关键因素是药剂内的大、中、小不同分子量组分的有序结合。