淀粉接枝丙烯酰胺共聚物與聚合氯化鋁復配處理高嶺土廢水

陳 瑞 朱升干

（浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310012）

淀粉與丙烯酰胺單體經接枝共聚反應獲得的淀粉接枝共聚物，是使用綠色環保、廉價的淀粉代替部分丙烯酰胺，將其作為絮凝劑應用于廢水處理，表現出許多獨特的性能，具有低成本、無污染、無毒、可生物降解的優點，是目前天然高分子絮凝劑重點發展方向之一[1-3]。

近年來將淀粉基高分子絮凝劑應用于廢水處理，已有不少成果[4-6]，然而廢水是一種極為復雜的分散體系，單一絮凝劑往往無法滿足處理的需要。實踐證明無機-有機絮凝劑之間復配表現出優于單一絮凝劑的效果[7]。目前關于單一絮凝劑處理廢水的研究報道較多，而關于淀粉基高分子絮凝劑與無機絮凝劑復配處理廢水報道相對較少。本文采用淀粉接枝共聚物與聚合氯化鋁復配處理高嶺土懸濁液，利用圖像拍攝分析技術分析絮體平均粒徑，并利用正交實驗篩選出各因素對濁度去除率與絮體粒徑的最佳工藝條件，從而為淀粉接枝共聚物與PAC絮凝劑復配處理廢水過程提供一定的指導。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚合氯化鋁，工業級；鹽酸、氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學試劑廠；高嶺土，分析純，上海五四化學試劑有限公司；淀粉接枝丙烯酰胺共聚物，分子量>200萬，自制。

1.2 高嶺土廢水配置

取一定量的高嶺土，配置成10 g/L的懸濁液。絮凝實驗使用的高嶺土廢水是將懸濁液進行稀釋，制成濃度為100 mg/L的廢水溶液。

1.3 絮凝實驗方法

1.3.1 濁度去除率測定方法

絮凝實驗采用自制的帶控速控溫裝置與攪拌裝置的反應釜中進行，取一定量廢水于反應釜中，利用鹽酸與氫氧化鈉溶液調節廢水pH值，加入一定量的絮凝劑，在500 r/min快攪2 min，在200 r/min慢攪10 min。將廢水靜置沉降30 min，吸取液面下3 cm處上清液，廢水濁度去除率按國標GB13200-1991用731型分光光度計測定。

1.3.2 絮體平均粒徑的檢測

在理想狀態下，根據雷諾數Re≤2的層流區的固體顆粒沉降理論[8-9],相同介質條件下的同種顆粒會因為粒徑差異而產生不同的沉降速度。將上述配好的體系轉移到配有四個取樣口的直徑為10 cm，高為120 cm的柱子里，使絮凝體進行緩慢沉降。采用圖片攝像技術，利用光學數碼相機在固定條件下對絮體進行連續拍攝，并運用配有圖像標尺的圖形處理軟件Image-Pro Plus6.0軟件對絮體大小進行測定[10]，獲得的絮體粒徑數據按從大到小順序排列，取前50個絮體求得平均粒徑。

2 實驗結果與討論

2.1 因素的確定

在單因素實驗基礎上，確定以下4個因素為考察因素：

（1）聚合氯化鋁PAC用量對廢水處理效果的影響：PAC具有很好的絮凝效果，其水解形成多核羧基絡合物，可吸附廢水中膠體顆粒，起粘附卷掃作用，且其可與水中膠粒或懸浮物發生電中和作用導致顆粒脫穩而沉降。通過化學鍵合和吸附架橋作用形成絮體。選用水平為15、20、25、30 mg/L。

（2）淀粉接枝丙烯酰胺共聚物（St-g-PAM）用量對廢水處理效果的影響：有機高分子絮凝劑具有很高的分子量，在水中線狀或分枝狀伸展，其一端與膠粒表面發生吸附，另一端則與另一個表面有空位的膠粒吸附，發生吸附架橋作用而發生絮凝。當St-g-PAM用量超過一定量時，膠粒表面沒有空位，已完全被吸附的高分子物質覆蓋，則高分子絮凝劑起的是保護作用而影響絮凝效果。選用水平為 4、6、8、10 mg/L。

（3）廢水pH值對廢水處理效果的影響：復配絮凝劑在不同pH值下絮凝效果不同，pH值對混凝效果的好壞起著關鍵性的作用，合適的酸堿環境可以很好發揮絮凝劑的絮凝性能。一般來說，聚合氯化鋁絮凝劑一般在6～8之間具有較好的絮凝效果，而淀粉基高分子絮凝劑適應的pH值范圍很廣。同時，廢水中顆粒表面的電荷（ζ電位）會隨pH值的改變而改變。選用水平為5.5、6.5、7.5、8.5。

（4）混凝溫度對廢水處理效果的影響：隨著溫度升高，廢水中化學反應速度加快，水的粘性降低，分子之間擴散速度增加，從而有利于絮凝與沉降，且聚合氯化鋁水解需要吸熱，溫度升高，可加快絮凝劑的水解與有機絮凝劑的吸附架橋作用。但溫度過高，會使分子的布朗運動過快，使絮體的水合作用增加，架橋作用減弱，位阻效應增加，會導致已凝聚的絮體再次破碎，不利于混凝作用。選用水平為 15、25、35、45 ℃。

本文按4因素4水平安排實驗，選用L16(45)正交實驗表確定實驗方案，因素水平確定見表1。實驗以濁度去除率與絮體平均粒徑作為指標，結果見表2。

表1 正交實驗因素與水平Table1 Factors and levels of the orthogonal experiment

由表3可知，以濁度去除率為指標的最佳工藝條件為：A3B3C2D2，即PAC用量為25 mg/L、Stg-PAM用量為8 mg/L、pH值為6.5、混凝溫度為25℃。根據R值可得各個因素對濁度去除率的影響大小順序為：A>B>C>D。其中PAC用量與Stg-PAM用量影響很顯著，pH值與混凝溫度影響相對較弱。

由表4可知，以絮體平均粒徑為指標的最佳工藝條件為：A3B3C3D2，即PAC用量為25 mg/L、St-g-PAM用量為8 mg/L、pH值為7.5、混凝溫度為25℃。根據R值可得各個因素對絮體平均粒徑的影響大小順序為：A>B>D>C。其中PAC用量影響很顯著，St-g-PAM用量、pH值與混凝溫度影響相對較弱。

2.2 最佳工藝確定與討論

以濁度去除率與絮體平均粒徑為指標，分析獲得兩者最佳工藝條件，兩者的差異在于pH值的不同，由上述分析可以看出，pH值在選擇的水平范圍內對實驗結果影響很小。綜合考慮各方面因素，采用以濁度去除率為指標的最佳工藝條件;A3B3C2D2，即PAC用量為25 mg/L、St-g-PAM 用量為8 mg/L、pH值為6.5、混凝溫度為25℃，在此基礎上，做重復實驗，濁度去除率為98.89%，絮體平均粒徑為1.211 mm，濁度去除率優于正交實驗的16組實驗結果，而絮體平均粒徑稍好于正交實驗結果的大部分數據。

表2 正交實驗結果Table2 Results of the orthogonal experiment

表3 各因素對濁度去除率的影響Table3 Effect of factors on the removal rate of turbidity

表4 各因素對絮體平均粒徑的影響Table4 Effect of factors on the average particles of floes

St-g-PAM是高分子聚合物，溶于水后有較多的活性吸附位點，具有很好的吸附架橋作用，可捕獲廢水中顆粒形成大而密實的絮體顆粒。PAC在水中水解形成多核羧基絡合物，具有粘附卷掃與電中和效應，其與St-g-PAM復配，可有效的提高絮凝效果。但從正交實驗數據分析可知，絮體粒徑大不代表濁度去除率高，這可能是由于網捕效應的存在[9,11]，即適宜形態的絮體在重力沉降過程中，不斷卷掃水中膠粒與細微顆粒過程。故絮體粒徑大小對網捕作用影響很大，絮體粒徑的控制可有效的發揮絮凝過程中的網捕沉降作用，從而提高絮凝效果。

3 結論

（1）采用淀粉接枝共聚物與聚合氯化鋁復配處理高嶺土懸濁物，并利用圖像拍攝分析技術對絮體平均粒徑分析。實驗通過正交實驗獲得了最佳的高嶺土廢水處理工藝：PAC用量為25 mg/L、St-g-PAM用量為8 mg/L、pH值為6.5、混凝溫度為25℃，在此條件下，濁度去除率為98.89%，絮體平均粒徑為1.211。

（2）各因素對濁度去除率的影響大小順序為：PAC用量>St-g-PAM用量>pH值>混凝溫度，對絮體平均粒徑的影響大小順序為：PAC用量>St-g-PAM用量>混凝溫度>pH值。其中PAC用量與St-g-PAM用量對實驗結果影響顯著，pH值與混凝溫度影響較弱。

（3）大的絮體粒徑不代表高的濁度去除率，絮體粒徑大小對網捕作用影響很大，絮體粒徑大小的控制可有效的發揮絮凝過程中絮凝劑的網捕沉降作用，提高廢水處理效果。

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