PAFC－CPAM高分子雜合絮凝劑表征及絮凝效果分析

劉文敏，王光華，李文兵，劉 奇，雷 琪，楊書琴

（武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢，430081）

降低焦化廢水的色度和濁度一般采用的是絮凝法［1］，無機(jī)高分子混凝劑和有機(jī)高分子絮凝劑是其中較常用的兩種高分子絮凝劑。無機(jī)高分子混凝劑在絮凝效果方面優(yōu)于傳統(tǒng)絮凝劑，但存在投加量大、污泥多、沉降速度慢等缺點(diǎn)；有機(jī)絮凝劑具有沉降速度快、投藥量少等優(yōu)點(diǎn)［2］，但生產(chǎn)成本較高。近年來，無機(jī)－有機(jī)雜合絮凝劑因其高效性和低成本而受到廣泛關(guān)注［3］。高分子雜合絮凝劑綜合利用了無機(jī)絮凝劑的高電荷密度和有機(jī)絮凝劑吸附橋架作用，既增強(qiáng)了兩者的協(xié)同作用，又彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)，且采用的是一步投加方式，較之于兩步投加的復(fù)配絮凝劑，節(jié)省了人力和物力［4］。

本文通過對(duì)PAFC－CPAM高分子雜合絮凝劑的合成，研究其最佳合成條件及其用于焦化廢水再生處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料為結(jié)晶氯化鋁、結(jié)晶氯化鐵、氫氧化鈉（以上均為分析純）、陽離子聚丙烯酰胺（CPAM，工業(yè)品級(jí)）。廢水取自某焦化廠生化處理后的二沉池水，原水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

檢測(cè)儀器為：VERTEX70型紅外光譜儀（德國Bruker公司）；XL30 TMP型掃描電鏡（荷蘭PHILIPS公司）。

表1 原水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Index of raw wastewater

1.2 PAFC－CPAM高分子雜合絮凝劑制備

取一定量AlCl3·6 H2O和FeCl3·6 H2O，溶解于蒸餾水中，配制成濃度為1 mol／L的溶液，在磁力攪拌器作用下，以一定速度緩慢滴加0.5 mol／L NaOH溶液，制成堿化度B為2的聚合氯化鋁鐵（PAFC，［Al3＋］／［Fe3＋］為9∶1），靜置熟化24 h。

取一定量的PAFC溶液，在磁力攪拌下控制反應(yīng)溫度，按預(yù)定的質(zhì)量比以一定速度緩慢滴加0.5 g／L CPAM溶液，滴加完畢后靜置熟化24 h，濃縮、定容后即得一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PAFC－CPAM高分子雜合絮凝劑。根據(jù)極差分析，綜合平衡諸因素，選取w（PAFC）／w（CPAM）為100∶1、堿化度為1.5作為PAFC－CPAM高分子雜合絮凝劑的最佳合成條件。

1.3 凈化處理

在250 m L燒杯中加入200 m L焦化廢水，投加一定量絮凝劑，以150 r／min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min，再以50 r／min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min，靜置沉降20 min，于液面下3 cm處吸取一定量清液，測(cè)定CODCr、色度。COD測(cè)定采用重鉻酸鉀法（GB／11914—89），色度測(cè)定采用鉑鈷比色法（GB／11903—89）。用去除率作為衡量指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝效果分析

不同絮凝劑對(duì)CODCr去除率的影響如圖1所示。由圖1可看出，PAFC－CPAM對(duì)COD去除率明顯高于AlCl3、CPAM對(duì)COD的去除率；PAFC－CPAM對(duì)CODCr去除率隨絮凝劑投加量的增大呈先增大后減小趨勢(shì)，最大去除率可達(dá)52.17%。其原因?yàn)椋琍AFC是一種陽離子型無機(jī)高分子混凝劑，其絮凝機(jī)理主要為吸附／電中和，CPAM的絮凝機(jī)理主要為吸附／橋架［5］，PAFCCPAM投加量增大，其電中和能力和吸附橋架作用同時(shí)增強(qiáng)，較強(qiáng)的靜電中和與吸附橋架作用使廢水中的有機(jī)物及懸浮顆粒迅速沉降，故CODCr去除率增大；當(dāng)CODCr去除率增大到極限值后，水中大部分有機(jī)物及懸浮顆粒已被去除，若繼續(xù)增大絮凝劑投加量，則由于CPAM本身為一種有機(jī)物會(huì)使廢水中CODCr含量增加，因而導(dǎo)致CODCr去除率下降。

圖1 不同絮凝劑對(duì)CODCr去除率的影響Fig.1 CODCr removal rate at different flocculants

2.2 IR分析

PAFC、CPAM、PAFC－CPAM的IR譜圖如圖2所示。從圖2中可看出，PAFC譜線上，3 404 cm－1處的強(qiáng)吸收峰為羥基伸縮振動(dòng)疊加所致，667 cm－1處的峰為表面與整體Fe—O—H彎曲振動(dòng)所致，由此可知，合成PAFC有聚合態(tài)存在［6－7］。PAFC－CPAM譜線上，3 200～3 600 cm－1之間的強(qiáng)吸收峰是為PAFC的—OH和CPAM中C—H、N—H的伸縮振動(dòng)吸收峰相互發(fā)生了重疊，且表明PAFC－CPAM分子間存在大量由O—H、N—H形成的鏈內(nèi)、鏈間氫鍵；在1 640 cm－1和1 680 cm－1處的強(qiáng)吸收峰表明，羧酸根離子與鋁、鐵離子之間存在相互作用，也證明了PAFC與CPAM進(jìn)行了復(fù)合［8］。此外，PAFCCPAM在3 400、1 640、660 cm－1處均發(fā)生了藍(lán)移，由此可以推斷，PAFC與CPAM先借助氫鍵形成氫鍵聚合體，然后與PAFC中聚鋁、聚鐵基團(tuán)通過羥基橋聯(lián)作用以配位鍵將PAFC引入到CPAM長鏈上，從而形成新的聚合物。

圖2 PAFC、CPAM、PAFC－CPAM的紅外光譜Fig.2 FTIR spectra of PAFC，CPAM，PAFC－CPAM

2.3 SEM分析

圖3 PAFC、PAFC－CPAM的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of PAFC，PAFC－CPAM

PAFC、PAFC－CPAM的SEM圖如圖3所示。從圖3中可看出，PAFC與CPAM雜合后，PAFC－CPAM顆粒表面形貌發(fā)生了改變。PAFC表面為光滑、平整結(jié)構(gòu)，幾乎看不到微孔；而PAFC－CPAM表面為皺褶、多孔疏松結(jié)構(gòu)，且呈現(xiàn)出鱗片狀，其比表面積明顯大于PAFC。PAFC－CPAM微觀結(jié)構(gòu)表明其具有較高的吸附性，這種形貌上的改變，說明了PAFC與CPAM兩者間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)［9］。

3 結(jié)論

（1）PAFC－CPAM最佳合成條件是，PAFC與CPAM的質(zhì)量比為100∶1，堿化度為1.5。

（2）PAFC－CPAM對(duì)CODCr去除率隨絮凝劑投加量增大呈先增大后減小趨勢(shì)，最大去除率達(dá)52.17%。

（3）PAFC－CPAM的合成機(jī)理為PAFC與CPAM之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，PAFC通過氫鍵橋聯(lián)作用被“接枝”到CPAM鏈上。

［1］ 趙曉帥，牛鈺.國內(nèi)焦化廢水處理技術(shù)探討［J］.中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18（2）：79.

［2］ S K Rath，R P Singh.Flocculation characteristics of grafted and ungrafted starch，amylose，and amylopectin［J］.Applied Polymer Science，1997，66（9）：1 721－1 729.

［3］ Lee K E，Teng T T，Morad N，et al.Flocculation activity of novel ferric chloride－polyacrylamide（FeCl3－PAM）hybrid polymer［J］.Desalination，2011（266）：108.

［4］ 孔愛平，王九思，武鵬華，等.無機(jī)與有機(jī)復(fù)合絮凝劑PAFC－CTS的制備及其在廢水處理中的應(yīng)用［J］.水處理技術(shù)，2009，35（4）：86－87.

［5］ 章興華，周麗蕓，湯敏.聚合氯化鋁鐵的紅外光譜研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2002，22（1）：39－41.

［6］ Wollmann G，Hendrickson.Preparation and physical property of oxidations products of oxy－bridged binncear iron（Ⅲ）complexes mixed－valence diiron（Ⅲ，Ⅳ）complexes［J］.Inorganic Chemistry，1977，16：723－733.

［7］ 劉萬毅，吳尚芝.復(fù)合增聚型鐵鋁無機(jī)高分子絮凝劑PAFCS的紅外光譜研究［J］.寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1996，17（2）：36－41.

［8］ Noppakundilograt S，Nanakorn P，Jinsart W，et al.Synthesis of acrylamide／acrylic acid－based aluminum flocculant for dye reduction and textile wastewater treatment［J］.Polymeric Engineering and Science，2010，50：1 535－1 546.

［9］ Noppakundilograt S，Nanakorn P，Sonjaipanich K，et al.Synthesis and characterization of acrylamidebased aluminum flocculant for turbidity reduction in wastewater［J］.Journal of Applied Polymer Science，2009（114）：2 564－2 575.