殼聚糖絮凝劑去除水源水濁度

胡文云，盧 樺

（武漢工業學院化學與環境工程學院，湖北 武漢 430023）

0 引 言

高分子聚合物殼聚糖的分子結構呈直鏈型，因其分子結構中存在游離態的氨基，在稀酸溶液中很容易被質子化，而使其分子鏈上帶上大量的正電荷，形成一種典型的陽離子型絮凝劑.在絮凝過程中，它表現電性中和絮凝和吸附架橋絮凝的雙重作用，即一方面是高分子鏈上的陽離子活性基團與帶負電荷的膠體顆粒相互吸引，從而中和了膠體顆粒表面所帶負電荷，同時壓縮顆粒的擴散層而使膠粒脫穩，另一方面借助高分子鏈的吸附架橋作用而產生絮凝沉淀，可用于除去水中無機的懸浮固體.因此，殼聚糖作為一種絮凝劑用于處理工業廢水中的懸浮物成為研究的熱點［1－5］，但其作為絮凝劑用于水源水濁度處理的研究鮮見報道.筆者對此進行了研究.

1 材料與方法

1.1 實驗儀器及試劑

NaOH（天津市富祿化工試劑廠）.

稀鹽酸（信陽市化學試劑廠）.

蝦皮（市售）.

TA6型系列程控混凝試驗攪拌儀（武漢恒嶺科技有限公司）.

LP2000－11型數顯濁度儀（北京哈納科儀科技有限公司）.

pH－2型酸度計（美國奧立龍）.

微波消解爐（型號MS－3國家環境保護總局華南科學研究所華南環境科技開發公司）尺寸306 mm×510mm×360mm.

紅外光譜測定儀（FT＿IR200傅立葉變換紅外光譜儀）.

1.2 殼聚糖絮凝劑的制備

將蝦皮洗凈，用稀HC1脫鈣后，置于濃堿溶液中直接用微波作用，一步脫去乙酰基和蛋白質，制備殼聚糖.主要過程是：以脫鈣蝦皮為原料，在質量濃度為40%左右的NaOH溶液中浸泡及微波作用下，一步實現脫蛋白質和乙酰基.在適當條件下，脫鈣蝦皮在微波作用下反應15min，可制得脫乙酰度高的殼聚糖［6－9］.然后用稀醋酸溶液配制成0.2%的殼聚糖溶液作為絮凝劑.

1.3 實驗用水

以長江武漢段（7月份）水源水作為實驗用水，原水水質如表1所示.

表1 實驗用水原水水質Table 1 The water analysis of drinking water source

2 結果與討論

2.1 紅外光譜表征

用微波消解法制備的殼聚糖經紅外光譜測試儀器測得其紅外光譜圖如圖1所示，并與標準殼聚糖紅外光譜對照.

圖1 殼聚糖的紅外光譜圖Fig.1 The infrared spectroscopy of chitosan

殼聚糖標準紅外譜在3446、2920、1665 cm－1出現殼聚糖特征吸收峰，而本實驗制備的殼聚糖共聚物的紅外光譜如圖1.與標準紅外光譜圖對照發現，本實驗制備得到的殼聚糖與標準相差無幾.

2.2 混凝劑投加量對除濁效果的影響

在室溫，設定混合轉速為130r／min，混合時間為30s，反應轉速為30r／min，反應時間為10min，沉淀時間為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察殼聚糖絮凝劑的投加量對濁度去除效果的影響，結果如圖2所示.

圖2 殼聚糖絮凝劑的投加量對濁度去除效果的影響Fig.2 The effect of dosage of coagulant on turbidity removal result

由圖2可看出，隨著絮凝劑投加量的增加，水源水的濁度去除率快速增加，當絮凝劑的投加量達到3.0mL／L時，上清液濁度去除率達到90%，表現出最好的去除效果，這是因為在一定范圍內，投藥量越多，藥劑與懸浮顆粒接觸越充分，吸附電中和和吸附架橋作用也越明顯，因此絮凝效果增強.以后隨著絮凝劑用量的增加，濁度去除率又有所下降.

2.3 水樣pH值對除濁效果的影響

在室溫，設定混合轉速為130r／min，混合時間為30s，反應轉速為30r／min，反應時間為10min，投加量為3mL／L，沉淀時間為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察水樣pH值對濁度去除效果的影響，結果如圖3.

圖3 水樣pH值對濁度去除效果的影響Fig.3 The effect of pH on turbidity removal result

由圖3所示，當pH＜8時，隨著pH值升高，濁度去除率快速增加，這是因為，當pH小于8的時候，隨著溶液中的OH－濃度的提高，水解產物之間發生羥基架橋聚合反應，生成不同聚合度的高電荷絡離子，另一方面，在此pH值范圍內，聚合度極大的中性殼聚糖羥基占絕對優勢，膠體間發生了沉淀物網捕作用，所以絮凝效果增強.隨著pH的繼續升高，濁度去除率反而下降，這是因為達到最佳pH后，繼續增加pH值，此時水中大量的OH－會極力地排斥這些負離子，使膠體出現再穩現象，因而絮凝效果變差.與此同時，生成的多核聚合物又會繼續水解，因此隨著pH的升高，絮凝效果變差.

2.4 混合轉速對濁度去除效果的影響

在室溫，混合時間設定為30s，反應轉速設定為30r／min，反應時間設定為10min，投加量為3mL／L，pH值調為8，沉淀時間設定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察混合階段轉速對水源水濁度去除效果的影響，結果如圖4所示.

圖4 混合階段轉速對濁度去除效果的影響Fig.4 The effect of mix－speed on turbidity removal result

圖4表明，開始時隨混合階段轉速的增大，處理水上清液的濁度去除率快速增加.當轉速達到130r／min時，上清液的濁度去除率最高達到86.5%，此時表現出最佳絮凝效果.此后，隨著混合階段轉速的不斷增大，濁度去除率又出現較快的下降趨勢.這是因為在一定轉速范圍內，轉速越大，絮凝劑與水中懸浮顆粒接觸碰撞越充分，因而絮凝效果越好.當達到最佳混合轉速后，繼續增加混合階段轉速，濁度去除率反而呈下降趨勢，這是因為轉速過大，使得已經形成的絮體因強烈的剪切而打碎，不易沉淀，所以絮凝效果變差［10］.

2.5 混合時間對濁度去除效果的影響

室溫，混合轉速設定為130r／min，反應轉速設定為30r／min，反應時間設定為10min，投加量為3mL／L，pH值調為8，沉淀時間設定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察混合時間對濁度去除效果的影響，結果如圖5所示.

圖5 混合時間對濁度去除效果的影響Fig.5 The effect of mix－time on turbidity removal result

由圖5可見，開始時隨著混合時間的延長，處理水上清液的濁度去除率不斷增加，當混合時間達到30s時，上清液的濁度去除率達到最大，此時濁度去除率為91.1%，此時絮凝效果表現最好.隨著混合時間繼續延長，濁度去除率出現不斷下降.這是因為在一定的混合時間范圍內，混合時間越長，絮凝劑與廢水接觸越充分，混合越均勻，因而絮凝效果增強.當達到混合時間的最佳值后，繼續延長混合時間，濁度去除率反而下降，這是因為在這段時間范圍內，存在多余的混合時間，在這些多余時間內，由于混合轉速較大，把剛形成的絮體打碎，從而降低了絮凝效果.

2.6 反應轉速對濁度去除效果的影響

在室溫，混合轉速設定為130r／min，混合時間設定為30s，反應時間設定為10min，投加量為3mL／L，pH值調為8，沉淀時間設定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察反應轉速對濁度去除效果的影響，結果如圖6所示.

圖6 反應轉速對濁度去除效果的影響Fig.6 The effect of react－speed on turbidity removal result

由圖6可見，隨著反應轉速增大，濁度去除率先是快速增加，當反應轉速達到30r／min時，上清液濁度去除率最高為96.4%，此時絮凝效果最佳.其后隨著反應階段轉速繼續增大，濁度去除率出現緩慢下降.這是由于在一定反應轉速范圍內，隨著反應轉速的增大，絮體間的接觸碰撞機會增多，此時的轉速又不至于將形成的絮體打碎，因而絮凝效果增強［10］.當達到最佳反應轉速后，繼續增大反應階段轉速，濁度去除率反而緩慢下降，這是由于反應轉速過大，將已經形成的絮體打碎，不利于沉淀，因而絮凝效果降低［10］.

2.7 反應時間對濁度去除效果的影響

室溫，混合轉速設定為130r／min，混合時間設定為30s，投加量為3mL／L，pH值調為8，反應轉速設定為30r／min，沉淀時間設定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察反應時間對水源水濁度去除效果的影響，結果如圖7所示.

由圖7可見，隨著反應時間的增加，處理水上清液的濁度去除率開始快速上升，當反應時間達到15min時，上清液的濁度去除率最大，去除率達到96.4%，當達到最佳反應時間后，繼續延長反應時間，濁度去除率下降，這是因為反應時間過長，反應已經結束，攪拌還在進行，導致膠體再穩，反而不易沉淀，因而絮凝效果變差.

2.8 正交實驗結果分析

對前面的單因素實驗結果進行L9（34）正交實驗，實驗數據及數據處理結果見表2.

圖7 反應時間對濁度去除效果的影響Fig.7 The effect of react－time on turbidity removal result

表2 L9（34）正交實驗直觀分析計算表Table 2 The direct analysis and calculation of orthogonal experiment

由表2可見，最佳工藝組合為：投加量為3mL／L，pH為10，沉淀時間為25min，混合轉速為130r／min.

根據極差的大小分析可知，絮凝劑性能的影響因素主次順序為：沉淀時間＞絮凝劑投加量＞pH＞混合轉速.

3 結 語

通過上述實驗研究，可得出以下結論：

a.以蝦皮作為原料制取甲殼素后，用NaOH濃溶液浸泡，然后在微波作用下脫去乙酰基和蛋白質制得殼聚糖；選擇w（NaOH）＝40%，微波功率400W，一次微波法反應時間10min，可得脫乙酰度較高的殼聚糖.

b.單因素實驗考察了投加量、pH值、水力條件等影響因素.各因素的最佳取值分別為：0.2%的殼聚糖絮凝劑投加量為3mL／L，原水pH值調為8，混合階段轉速設定為130r／min，混合時間設定為30s，反應階段轉速設定為30r／min，反應時間設定為15min，沉淀時間設定為15min.

c.通過L9（34）正交實驗，確定了該絮凝劑絮凝性能的最佳組合水平為：0.2%的殼聚糖絮凝劑最佳投加量為3mL／L，最佳pH值為10，最佳混合轉速為130r／min，最佳沉淀時間為25min.各因素對混凝性能的影響大小為：沉淀時間＞投加量＞pH＞混合轉速.

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