淀粉-g-PAM／MMT的絮凝性能

王煦漫，張彩寧，姚連軍

（西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

絮凝是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的污水處理技術(shù)，而絮凝劑的性能是絮凝效果的決定因素［1-2］.目前常用絮凝劑包括無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)高分子絮凝劑，其中有機(jī)高分子絮凝劑具有用量少，絮凝速度快，易處理等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，因而成為目前絮凝劑研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn).淀粉接枝聚丙烯酰胺共聚物是一種天然材料改性的功能高分子材料，具有低成本、無(wú)毒、易生物降解，可處理重金屬污水等特點(diǎn)［5-6］.無(wú)機(jī)蒙脫土是一種層狀結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽，具有較大的比表面積和陽(yáng)離子交換容量，因此在污水處理方面已廣泛應(yīng)用［7］.為更好地解決污水處理問(wèn)題，以淀粉接枝聚丙烯酰胺作為包埋劑，將蒙脫土包埋在交聯(lián)的淀粉接枝聚丙烯酰胺的大分子鏈形成的三維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可同時(shí)發(fā)揮淀粉接枝聚丙烯酰胺和蒙脫土的雙重水處理功效.該復(fù)合水處理劑對(duì)印染污水的處理效果良好［8］.

本文以蒙脫土、淀粉和丙烯酰胺為原料、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，采用水溶液聚合法制備St-g-PAM／MMT復(fù)合材料，研究其對(duì)高嶺土懸濁液模擬水樣的絮凝性能，并分析對(duì)影響其絮凝性能的因素，拓展了其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 化學(xué)藥品、儀器設(shè)備

（1）化學(xué)藥品 蒙脫土（浙江豐虹黏土化工有限公司，陽(yáng)離子交換容量90mmol／100g），淀粉、丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、過(guò)硫酸鉀、高嶺土，均為化學(xué)純，由西安化玻器械公司提供.

（2）儀器設(shè)備 722型可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海棱光技術(shù)有限公司）、AD-12型恒溫振蕩箱（鶴山精湛染整設(shè)備有限公司）.

1.2 St-g-PAM／MMT制備與模擬水樣配制

（1）St-g-PAM／MMT制備 將4g淀粉與100mL蒙脫土分散液注入三口瓶中，于90℃糊化1h.將糊化淀粉溶液冷卻至70℃后，依次加入過(guò)硫酸鉀和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，隨后滴加100mL含20g丙烯酰胺單體的水溶液.滴加完畢后于70℃反應(yīng)3h.對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌、干燥及粉碎處理后即得到St-g-PAM／MMT復(fù)合材料.

（2）模擬水樣的配制 稱取干燥的高嶺土2.0g于1 000mL燒杯中，加入1 000mL蒸餾水?dāng)嚢杈鶆蜃鳛槟M水樣.

1.3 絮凝率的測(cè)定

稱取模擬水樣于100mL量筒中，然后加入100mg絮凝劑，快速攪拌1min，再緩慢攪拌3min，靜置10min后，在量筒的液面下20mm處用吸管吸取2mL的上清液，用分光光度計(jì)在550nm處進(jìn)行吸光度測(cè)定.絮凝率計(jì)算公式為

其中，A0為高嶺土原液的吸光度值；A為處理后上清液的吸光度值.

2 結(jié)果與討論

2.1 絮凝時(shí)間對(duì)絮凝率的影響

在其他條件不變的情況下，研究絮凝時(shí)間對(duì)絮凝率的影響，結(jié)果如圖1所示.從圖1可以看出，隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)，絮凝率逐漸增大.當(dāng)絮凝時(shí)間超過(guò)10min后基本保持不變.因?yàn)镾t-g-PAM／MMT凝膠為多孔結(jié)構(gòu)，具有很大的比表面積，因此高嶺土在絮凝劑中的吸附需要一定時(shí)間：首先通過(guò)溶液擴(kuò)散到絮凝劑的表面，然后擴(kuò)散到絮凝劑內(nèi)部孔隙中，最后當(dāng)絮凝劑表面以及空洞內(nèi)部的吸附位點(diǎn)被高嶺土完全覆蓋之后，吸附達(dá)到飽和，絮凝率則保持不變.吸附時(shí)間超過(guò)10min后，St-g-PAM／MMT對(duì)高嶺土的絮凝率可達(dá)83.3%，說(shuō)明其具有良好的絮凝性能.

2.2 絮凝劑用量對(duì)絮凝率的影響

其他條件不變，考察絮凝劑用量對(duì)絮凝率的影響，結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出，隨著絮凝劑用量的增大，絮凝率起初增加很快，但在用量超過(guò)100mg后，絮凝率基本保持不變.一般而言，絮凝劑用量增加后，吸附位點(diǎn)也隨著增加，導(dǎo)致更多的高嶺土顆粒被吸附，故而絮凝率增大.但當(dāng)絮凝劑用過(guò)量后，水中的高嶺土幾乎全部被吸附，故進(jìn)一步增加絮凝劑用量，絮凝率基本保持不變.

圖1 絮凝時(shí)間對(duì)絮凝率的影響Fig.1 The influence of flocculation time on the flocculation rate

圖2 絮凝劑用量對(duì)絮凝率的影響Fig.2 The influence of flocculant dosage on the flocculation rate

2.3 初始pH值對(duì)絮凝率的影響

分別用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)模擬水樣的初始pH值，考察pH值對(duì)絮凝率的影響，結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，隨著pH值的增大，St-g-PAM／MMT對(duì)高嶺土的絮凝率逐漸減小.

高嶺土的等電點(diǎn)為2.2.當(dāng)pH值高于等電點(diǎn)時(shí)表面帶負(fù)電荷［9］，而在低pH值條件下，St-g-PAM／MMT中的PAM分子鏈上的—NH2可與溶液中的H＋結(jié)合以—NH3＋的形式存在，與水中的高嶺土之間產(chǎn)生靜電吸引力，使得絮凝率較高.而隨著pH值的升高，PAM分子鏈上帶的正電荷逐漸減少，對(duì)高嶺土的靜電作用減弱，造成絮凝率的下降.而在堿性條件下，PAM分子鏈上的酰胺基會(huì)發(fā)生水解，產(chǎn)生羧酸根負(fù)離子［10-11］，與高嶺土產(chǎn)生靜電斥力，從而導(dǎo)致絮凝率進(jìn)一步降低.

圖3 pH值對(duì)絮凝率的影響Fig.3 The influence of pH value on the flocculation rate

圖4 NaCl濃度對(duì)絮凝率的影響Fig.4 The influence of NaCl concentration on the flocculation rate

2.4 NaCl對(duì)絮凝率的影響

當(dāng)絮凝劑質(zhì)量為100mg，向模擬水樣中加入不同量的NaCl，分析NaCl濃度對(duì)絮凝率的影響，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可以看出，加入NaCl后，St-g-PAM／MMT絮凝率增大，且NaCl濃度越高，絮凝率越高.這是因?yàn)榧尤隢aCl后，由于Na＋的存在，加強(qiáng)了高聚物之間、高聚物與懸浮顆粒、懸浮顆粒之間的相互作用，對(duì)高聚物形成架橋、網(wǎng)捕以及形成絮體起到了正效應(yīng)，能有效降低膠體的表面電荷，加強(qiáng)絮凝劑與膠粒間的吸附作用，從而促進(jìn)架橋聯(lián)接與絮凝效果.因此加入NaCl作為助凝劑，絮凝效果明顯得到改善.

2.5 溫度對(duì)脫色率的影響

圖5 絮凝溫度對(duì)絮凝率的影響Fig.5 The influence of temperature on the flocculation rate

絮凝溫度對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果如圖5所示.從圖5可以看出，隨著溫度的升高，絮凝率也相應(yīng)提高.這是因?yàn)殡S著溫度的升高，水溶液黏度下降，布朗運(yùn)動(dòng)加快，膠粒間的碰撞機(jī)會(huì)增加，高嶺土粒子在St-g-PAM／MMT吸附量相應(yīng)增大.因此，絮凝率隨著溫度的升高也相應(yīng)增大.

3 結(jié) 論

（1）隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)，St-g-PAM／MMT對(duì)高嶺土的絮凝率逐漸增大，10min后基本保持不變，絮凝率可達(dá)83.3%；隨著絮凝劑用量的增加，St-g-PAM／MMT對(duì)高嶺土的絮凝率起初增加很快，隨后絮凝率基本保持不變.

（2）St-g-PAM／MMT對(duì)高嶺土的絮凝率隨著pH值的增大而減小；但隨NaCl濃度和絮凝溫度的增高而增大.

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