累托石复合絮凝剂在油漆废水处理中的应用

Posted 2023-01-13 多糖

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曾德芳，马甲益，李娟，袁继祖(武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉430070)
絮凝处理是油漆工业废水处理中一个必不可少的重要环节[1，2]，但目前使用的絮凝剂大多是一些容易产生二次污染的化学絮凝剂，如聚合三氯化铝(简称PAC)、聚丙烯酰胺(简称PAM)等传统絮凝剂[3，4]。为此，选择二次污染小、絮凝性能好的新型絮凝材料改性累托石和天然有机高分子多糖作为油漆废水处理絮凝剂，并将这2种絮凝剂进行优化复配，得到一种新型的改性累托石多糖复合絮凝剂。
1 实验
1.1 主要仪器ZK500型真空烘箱；24号标准口10球玻璃回流冷凝器；24号标准口250mL锥形烧瓶；孔径为0.45μm、直径为60mm的CN CA滤膜；吸滤瓶；MP 10微型真空泵；中速定量滤纸；50mL酸式滴定管；5mL移液管；pHS 2C数字酸度计；QM500陶瓷球磨机；1000W可调电炉；BA210型万分之一克数显式微量电子称；SZ 1型六联搅拌机。
1.2 主要试剂三氯化铝(分析纯)；重铬酸钾(分析纯)；硫酸亚铁铵(分析纯)；硫酸(分析纯)；硫酸银(化学纯)；邻苯二甲酸氢钾(分析纯)；1，10-菲绕啉指示剂(分析纯)；多聚磷酸钠(分析纯)；碳酸钠(分析纯)；氢氧化钠(分析纯)；PAC(工业一级，南京精细化工有限公司产)；PAM(工业一级，分子量400万，安徽填润化学工业股份有限公司产)；天然累托石(累托石含量70%(质量分数)，粒径≥70μm，比表面积260m2/g，密度2.77g/cm3，湖北钟祥产)；天然有机高分子多糖(POX，相对分子质量10万，自制)。
1.3 油漆废水水样武汉双虎涂料工业公司油漆废水，有机污染物(COD)为400mg.L-1，固体悬浮物(SS)为350mg.L-1，色度为160度，pH值为6～7。
1.4 实验方法先分别用传统的化学絮凝剂PAC和PAM对以上油漆废水进行正交处理试验，分别找出其对COD、SS去除率达到最大值的最佳加量；然后再在同样的设备、仪器、水样和方法的条件下，用自制的改性累托石和天然高分子多糖(POX)进行不同量的复配组合对油漆废水进行同比处理试验，找出其对COD、SS去除率达到最大值的最佳组合加量，即处理该油漆废水复合絮凝剂的最佳配方。最后将以上PAC、PAM和复合絮凝剂等3种絮凝剂的最佳处理结果进行经济、技术等主要指标上的分析对比，从而确认该复合絮凝剂的经济技术优势。
1.5 实验过程1)改性累托石的制备将一定量的碳酸钠和多聚磷酸钠加入到水合浆状的天然累托石浆液中，搅拌均匀后，将其投入到陶瓷球磨机中滚磨3h，取出密封陈化24h后得钠化累托石浆液备用。再将氢氧化钠和三氯化铝分别配制成1%和2%的水溶液，然后按1%NaOH∶2%AlCl3=1∶100的质量比将二者混合均匀后，在70℃下搅拌3h再密封陈化24h便得到铝交联剂备用。最后将以上制得的铝交联剂与钠化累托石浆液按1∶100的质量比混合后在常温下搅拌5h，经过过滤、烘干、粉碎研磨后便得到改性累托石絮凝剂粉料。2)絮凝试验及分析过程每批做6个水样，每个样取500mL油漆废水加入1000mL烧杯中，并将PAC、PAM、改性累托石、POX等絮凝剂粉末分别依次配制成质量分数为2%、0.2%、4%、0.5%的水溶液，然后按不同量分别滴加到盛有500mL油漆废水的1000mL烧杯中，并在六联搅拌机上以50r/s的速度搅拌5min后再静止5min，分出上层清液和下层沉淀，用移液管小心取出部分上清液，并分别按国家标准GB 11901 89和GB11914 89D对此上清液进行COD和SS含量的测定，最终测算出每一种絮凝剂和每一种加量所对应的COD、SS的去除率和脱色率等主要技术指标和相应的药剂成本。
2 结果与讨论
2.1 3种絮凝剂处理油漆废水的结果及其比较1)PAC的处理结果(见表1)

从表1可以看出，5号的综合指标最好。并且随着PAC用量的加大，油漆废水中COD、SS、色素的去除率也依次增大，但PAC加到一定量时，这些去除率的提高并不明显，相反药剂成本、处理聚沉物成本却明显增加，故综合考虑5号为PAC的最佳添加量。2)PAM的处理结果(见表2)
从表2可以看出，3号的综合指标最好。并且随着PAM用量的加大，油漆废水中COD、SS、色素的去除率也依次增大，但当PAM的添加量超过30mg.L-1时，COD的去除率反而略有下降，这是因为PAM水解后产生少量有机物单体使COD含量略有增高所致。虽然PAM的加量超过30mg.L-1时，SS、色素的去除率略有提高，但与3号相比并不明显，相反药剂成本、处理聚沉物成本却明显增加，故综合考虑3号为PAM的最佳添加量。3)改性累托石多糖复合絮凝剂的处理结果(见表3)
从表3可以看出，4号的综合指标最好。并且随着复合絮凝剂用量的加大，油漆废水中COD、SS、色素的去除率也依次增大，但当多糖的添加量超过4mg.L-1时，COD的去除率反而略有下降，这是因为多糖少量水解后产生的有机物单体使COD含量略有增高所致。虽改性累托石添加量超过80mg.L-1、多糖的添加量超过4mg.L-1时，SS和色素的去除率略有提高，但与4号相比并不明显，相反药剂成本、处理聚沉物成本却明显增加，故综合考虑4号为改性累托石多糖复合絮凝剂的最佳配方。4)3种絮凝剂处理油漆污水最佳结果的比较(见表4)
由表4可以看出，PAC、PAM、改性累托石多糖复合絮凝剂处理油漆污水的效果依次增强，其中改性累托石多糖复合絮凝剂处理效果最佳，其COD、SS的去除率和脱色率较PAC分别提高了43.1%、6.4%、22.6%；较PAM分别提高了19.1%、3.4%、21.8%；而且吨污水的药剂成本较PAC和PAM分别下降了16.85%和30.7%，并且用此复合絮凝剂处理后的油漆废水水质COD为103.6mg.L-1，SS为16.1mg.L-1，均达到国家二级污水排放标准(COD≤120mg.L-1，SS≤30mg.L-1，GB8978 1996)，具有质优价廉和环境友好等特点。因此该复合絮凝剂在我国油漆废水处理领域具有重要应用推广价值。
2.2 改性累托石多糖复合絮凝剂絮凝效果的机理分析改性累托石多糖复合絮凝剂在除去水中COD、SS、色素方面显示出如此优越的特性，这显然与它们本身的结构特征有着密切的关系。天然累托石属于钠钙层状结构的铝硅酸盐粘土矿物，其晶体结构由钠云母结构层(Na，Ca，K)2(Al4)[Si6Al2]8O20(OH)4与蒙脱石结构层(E0.66)(Al，Mg)4[Si，Al]8O20(OH).nH2O构成的规则混层，结构单元层高2.47nm(含2层水分子)，包含了4个硅(铝)氧四面体晶片，2个铝(镁)氧八面体晶片和2个分别对应于钠云母与蒙脱石结构的层间域Im、Is。其中，蒙脱石层间域(Is)中存在着可交换的水合阳离子(如Ca2+、Na+、K+等)和层间水等，这种结构特点就决定了它在垂直层面方向上有可膨胀性和较大的内外表面积，使其具有较强的吸附性能和阳离子交换性能，因而对水中的金属阳离子和有机分子均有一定的吸附性。但由于天然累托石的层间域较小，使之吸附有机高分子的能力受到限制，因此单用天然累托石来直接处理有机废水其效果是非常有限的。而将天然累托石钠化后，其亲水性和离子交换性大大增强，且加入铝交联剂后使其层间域进一步开放扩大，从而使其吸附性能明显提高。所以经钠化铝交联后的改性累托石的吸附性能和吸附范围均明显优于未改性的天然累托石。根据絮凝剂吸附理论，复合絮凝剂比单一絮凝剂的絮凝效果好，而“无机/有机"复合絮凝剂又比“无机/无机"或“有机/有机"等同类复合絮凝剂的絮凝效果好。因为作为无机絮凝剂的改性累托石主要起吸附作用，而有机高分子多糖主要起吸附桥连作用，将细小的絮粒凝结在一起形更大更致密的絮体，并使聚合度和凝聚力大大增强，从而使其沉降速度和吸附效率大大提高。所以，将二者复合在一起使用可起到事半功倍的效果。
3 结语用改性累托石多糖复合絮凝剂絮凝处理油漆废水的最佳配方为：w(改性累托石)∶w(天然高分子多糖)=20∶1；最佳添加量为：改性累托石80mg.L-1，天然高分子多糖4mg.L-1，用该复合絮凝剂及最佳配方处理COD为400mg.L-1、SS为350mg.L-1的油漆废水，其COD的去除率可达74.1%，SS的去除率可达95.4%，脱色率可达51.4%，吨污水药剂成本仅为0.416元.t-1，与传统絮凝剂PAC相比，其COD、SS、色素的去除率分别提高了43.1%、6.4%、22.6%，吨污水药剂成本下降了16.85%，与传统絮凝剂PAM相比，其COD、SS、色素的去除率分别提高了19.1%、3.4%、21.8%，吨污水药剂成本下降了30.7%，且处理后的油漆废水均达到国家二级污水排放标准，具有质优价廉和环境友好等特点，在我国油漆废水处理领域有重要应用推广价值。