氢氧化镁-壳聚糖复合絮凝剂对印染废水的脱色研究

Posted 2023-01-14 氢氧化

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前言

印染废水是对环境危害极大的一类工业废水,具有废水量大、水质复杂、有机物浓度高、难生物降解等特点,其中尤以染料的污染最为严重,其残存的染料组分即使浓度很低,也会造成水体透光率降低,导致生态环境的破坏。因此,如何使印染废水脱色是废水处理的重要问题。处理印染废水的方法很多,主要有生物法、吸附法、氧化法等,其中混凝法是处理印染废水的常用方法之一。混凝法的关键是选择合适的絮凝剂,不同絮凝剂的使用范围和效果有很大的差别,对污水的处理能力也不同。近年来国内外展开了镁盐的研究,其脱色原理是镁盐加碱水解成带正电荷的氢氧化镁固体,吸附带负电荷的阴离子染料而使染料废水脱色[1-3]。

目前,国内外大量使用各种无机/有机高分子复合絮凝剂进行絮凝处理,与无机絮凝剂相比,有机高分子絮凝剂具有絮凝速度快,用量少,受共存盐类、pH及温度影响小等优点,因而有着广阔的应用前景。当前使用的主要有人工合成和天然高分子絮凝剂两种[4-5]。尽管聚丙烯酰胺是一个性能优良的复配剂但丙烯酰胺为神经性致毒剂,对神经系统有损伤作用,中毒后表现出肌体无力,运动失调等症状[6]。能引起水的二次污染。天然有机高分子絮凝剂是一类较新的水处理剂。由于天然有机高分子具有无毒且能完全降解的特点,所以曾一度引起各科研机构的重视,但多年来在此领域能真正应用于工业生产的品牌产品并不多。为此开发安全无毒、无二次污染的絮凝剂,成为迫切而有意义的课题。壳聚糖是一种天然高分子化合物,是甲壳素的脱乙基产物,广泛存在于虾蟹和昆虫的外壳以及藻类的细胞壁中。自然界每年生物合成甲壳素可达10亿吨之多。壳聚糖还具有无毒副作用、易降解等优点,国内外对壳聚糖的絮凝特性和应用进行过较多研究[7-8]。本文利用壳聚糖跟无机絮凝剂氢氧化镁进行了复合,并将这些复合絮凝剂应用于染料废水脱色研究,取得了良好的脱色效果,为氢氧化镁-壳聚糖复合絮凝剂在废水处理中的应用提供了理论依据。

1　实验部分

1.1　实验仪器和药品

仪器:800型离心机(上海安亭科学仪器厂)；722型分光光度计(上海精密仪器厂)；ZD-2型自动电位滴定仪(上海雷磁仪器厂)；复合电极。药品:MgSO4·7H2O(CP)(金山县兴塔化工厂),实验时准确称取MgSO4·7H2O配制成800mg/L的镁盐；CaO(CP)(上海向阳化工厂)；壳聚糖(上海伯奥生物科技有限公司),SBL艳兰由江光纺织有限公司(常州)赠送。

1.2　模拟废水的配制

准确称取0·10g艳兰溶于1L的容量瓶中,定容至刻度,摇匀,即为模拟废水。

1.3　复合絮凝剂的制备

一定量的镁盐(MgSO4·7H2O),采用CaO作为镁盐水解用的碱化剂,制取氢氧化镁絮凝剂。在一定量的镁盐中加入适量的复配剂壳聚糖,采用CaO作为碱化剂,搅拌,反应熟化一定时间,得到氢氧化镁-壳聚糖无机-有机复合絮凝剂。

1.4　实验过程

在含有染料的废水中加入一定量的氢氧化镁或氢氧化镁-壳聚糖复合絮凝剂,采用ZD-2型自动电位滴定仪测定控制溶液pH值,搅拌反应静置后,取上层清液,在3000r/min条件下离心20min,再取上层清液,测定其吸光度。

计算脱色率。

1.5　分析方法

模拟染料废水的吸收光谱用紫外可见分光光度计756MC测定,溶液吸光度采用722型分光光度计,1cm比色皿,测定处理前后在最大吸收波长处的吸光度值,用吸光度值比色法计算脱色率,脱色率计算式:

R%=(1-A/A0)×100%

A0:为染料废水处理前的吸光度

A:为染料废水处理后的吸光度

2　实验结果与讨论

2.1　模拟废水性能指标的测定

实验测定了模拟废水的pH值、色度等。图1为100·0mg·L-1的艳兰染料溶液可光吸收光谱图,可见模拟废水在450nm～700nm范围内有一吸收峰。

该模拟废水呈兰色,初步实验发现溶液pH的变化对该模拟废水吸光度影响不大。

2.2　pH值对脱色率的影响

移取一定量染料废水,加入30m,l800mg/L的镁盐,用碱化剂CaO调节不同的pH值,搅拌10min,离心20min,测定不同pH值下经处理后的吸光度。同等条件下,测定加入0·05g壳聚糖制成的复合絮凝剂处理后的吸光度,计算脱色率,并绘制脱色率-pH图(见图2)。

由图2可见,pH值对脱色效果有较大的影响,实验中必须控制合适的pH范围。壳聚糖和镁盐在pH为11前脱色率低,pH值为11以上后脱色率增高。这与文献报道相一致[1],因此,废水处理的pH值在11以上为宜。pH值对脱色率的影响,可能主要是由于pH值不同时,镁盐水解产生的Mg(OH)2量不同所造成的。根据Mg(OH)2沉淀溶解平衡可以大约计算出Mg(OH)2产生沉淀及完全沉淀的pH值分别是9·5和11·0[1]。

壳聚糖作为镁盐絮凝剂处理废水较镁盐有良好的改善作用,脱色率均比镁盐高。由于壳聚糖分子中含有大量的自由氨基和羟基,在碱性条件下,壳聚糖上的阳离子活性基团与废水中带负电荷的胶体微粒相吸引,降低中和了胶体微粒的表面电荷,加上染料分子中含有一些-OH及-NH2基团,可以通过范德华力、氢键等和壳聚糖发生吸附形成沉降。

2.3　壳聚糖投加量对脱色率的影响

移取一定量染料废水,加入定量800mg/L的镁盐,测定不同壳聚糖投加量与脱色率的关系。图3是在pH=11的条件下,不同壳聚糖投加量与脱色率的关系,由图可见壳聚糖投加量为0·05g时,染料废水脱色率最好,可达90%以上。随着壳聚糖投加量的增加,脱色率不与投加量成正比,在壳聚糖投加量较高时,脱色率反而有所下降。壳聚糖的浓度过大时,一是引起复合絮凝剂在水中的水解速度变慢,二是导致染料分子与作用基团接触的机会下降,因此,当浓度过于大时,结合能力有所下降。

2.4　镁盐-壳聚糖复合絮凝剂投加量对脱色率的影响

移取30m,l800mg/l镁盐,加入0·05g壳聚糖混合均匀。移取定量废水,加入2m,l4m,l6m,l8m,l10ml混合液,测定不同镁盐壳聚糖混合物浓度下的脱色率,见图4。

由图4可见,随着镁盐壳聚糖混合量的不断加大,染料废水的脱色率也有所增大,继续增加用量,脱色率增加不明显。由于增加絮凝剂用量,相当于增强了其与溶液中染料分子、胶体颗粒的电荷中和、架桥作用,因而其脱色效果增加。但当絮凝剂与染料分子、胶体颗粒的作用达饱和时,继续增加用量,对脱色作用贡献不大,故其脱色效果不再提高或提高不明显。

2.5　搅拌速度、时间和离心时间对脱色率的影响

选择恰当的搅拌速度和时间,可以加速絮凝过程,有利于絮凝剂发挥作用,提高脱色效果。加快搅拌速度可以增加脱色率。搅拌速度过慢,絮凝剂与染料分子不能充分接触,减小了碰撞机会,不利于吸附脱色；过高的搅拌速度可将大颗粒的沉降物进一步搅碎,不利于絮凝,另外过高的搅拌速度在少量溶液的情况下还容易引起溶液等的溅起。因而实验中选择了200转/分的搅拌速度。搅拌时间过短,絮凝剂与染料分子接触不充分,充足的搅拌时间可以达到较好的脱色率,随着搅拌时间的延长,脱色率的增加趋于平缓,实验发现10分钟、15分钟与20分钟之间的脱色率相差不大,因此选择10分钟为最佳搅拌时间。

实验中比较了离心时间对脱色率的影响。离心可使絮体与上清液分离,时间越长,去浊率越高。20分钟以后,上层清液透明,无悬浮物。

2.6　复合絮凝剂脱色效果探讨

根据文献报道,一般染料分子量较大,分子结构较复杂,主要以胶体状态存在于废水中,且胶体带有负电荷[9]。氢氧化镁絮凝剂,主要是通过电中和及吸附来去除色度及杂质。实验中发现氢氧化镁-壳聚糖无机一有机高分子复合絮凝剂性能优于氢氧化镁絮凝剂,这是因为有机高分子的分子链具有在已经脱稳的颗粒物之间架桥的作用,有利于形成较大的絮体,通过絮体有卷扫作用成倍地增强了去除水中微小颗粒物的功能。同时复合絮凝剂中壳聚糖带有的活性基团同样能中和胶体表面的电荷,使微粒进一步脱稳,在两者的协同作用下,从而达到脱色并与水分离的目的,提高了复合絮凝剂的絮凝效果。

3　结论

采用氢氧化镁-壳聚糖复合絮凝剂可以有效去除印染废水中的染料色度,其脱色效果比单纯的无机絮凝剂的脱色效果好,且由于复合絮凝剂的协同作用和复配增效的作用,可节省絮凝剂的用量,节约水处理成本。另外原料来源广泛,价格低廉,生产成本低,可见氢氧化镁-壳聚糖复合絮凝剂是一种较为优良的水处理剂。

参考文献:
[1]许力,王九思·氢氧化镁对染料废水的脱色研究[J].兰州铁道学院报(自然科学版),2002,8(4):83-85.
[2]许坤,贾智萍,姜兆春·氢氧化镁对水溶性阴离子染料废水脱色的研究[J].环境化学,1998,17(1):94-98.
[3]郭如新.氢氧化镁在工业废水处理中的应用[J].工业水处理,2000,20(2):1-4.
[4]黎载波,王国庆,邹龙生·有机高分子絮凝剂在印染废水处理中的应用[J].工业水处理,2003,23(4):14-17.
[5]赵谨.国内有机高分子絮凝剂的开发及应用[J].水处理技术,2003,30(3):9-12.
[6]章诗芳.聚丙烯酰胺应用于饮用水处理研究[J]
[7]朱启忠,赵亮云,赵宏,等.壳聚糖处理印染废水的研究[J].四川环境,2006,25(1):17-19.
[8]程建华,胡勇有,李泗清.壳聚糖改性脱色絮凝剂制备及应用[J].印染助剂,2005,22(7):17-19.
[9]洪金德.染色废水混凝脱色研究[J].福建化工,2002,3:10-12,24.