PAFC-PDMDAAC復合絮凝劑在地表水處理中的絮凝特性

PAFC-PDMDAAC復合絮凝劑在地表水處理中的絮凝特性

孫翠珍，朱大偉，李杰瑞

(山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南250101)

摘要混凝沉淀法相較其他水處理方法具有多種優點，被廣泛應用于地表水處理中，該方法的決定性因素之一是絮凝劑性能的優劣。為了提高絮凝劑處理地表水的效果，以PAFC和PDMDAAC為原料合成PAFC-PDMDAAC。研究了在模擬地表水處理中PAFC-PDMDAAC投加量、堿化度、(Al+Fe)/PDMDAAC質量比和特性黏度對PAFC-PDMDAAC混凝性能的影響。結果表明PAFC-PDMDAAC優于PAFC的絮凝效果，PAFC-PDMDAAC的最佳絮凝條件： (Al+Fe)/PDMDAAC質量比為10、堿化度為1.0。

關鍵詞復合絮凝劑(PAFC-PDMDAAC)地表水處理(Al+Fe)/聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)質量比堿化度特性黏度

中圖分類號：X703文獻標識碼： C

[收稿日期]2014-07-26

[基金項目]山東省自然科學基金(ZR2012EEQ024)；山東建筑大學博士基金(No. XNBS1228)

[作者簡介]孫翠珍(1979—)，女，博士，副教授，研究方向水處理理論與技術。電話： 15863148309；E-mail： sczh2901@126.com。

Coagulation Performance of Composite Flocculant of PAFC-PDMDAAC for Surface Water Treatment

Sun Cuizhen, Zhu Dawei, Li Jierui

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Ji’nan250101,China)

AbstractCoagulation sedimentation process is widely applied in surface water treatment because of its advantages against other process, and coagulant property is one of the key factors of the process. In order to improve flocculation efficiency of treatment for surface water, a new composite flocculants combined PAFC with PDMDAAC was created. The effect of PAFC-PDMDAAC, mass ratio of (Al + Fe)/PDMDAAC, alkalization degree and intrinsic viscosity on coagulation of surface water were studied. The results show flocculation effect of PAFC-PDMDAAC is better than that of PAFC, and the best flocculation conditions of PAFC-PDMDAAC are as follows： mass ratio of (Al+Fe)/ PDMDAAC is 10, degree of alkalization is 1.0.

Keywordscomposite flocculant (PAFC-PDMDAAC)surface water treatmentmass ratio of (Al+Fe)/poly dimethyl diallyl ammonium chloride (PAFC-PDMDAAC)degree of alkalizationintrinsic viscosity

混凝沉淀法與其他的水處理方法相比，工藝簡單、操作方便且整體成本較低，具有很高的性價比，目前被廣泛應用于城鎮污水處理廠地表水的處理[1-3]。復合型絮凝劑是指以兩種或兩種以上的絮凝劑作為原料組分合成一種新的絮凝劑，而通常絮凝劑性能的優劣是混凝沉淀法的決定性因素，復合型絮凝劑與傳統絮凝劑相比而言具有適用范圍廣，混凝速度快，處理效果好的特點，可以充分發揮無機絮凝劑跟有機絮凝劑各自的優點[4]。關于復合型絮凝劑，近年來已成為學術熱點問題，在處理地表水的工程應用中，國內外也都有相關的報道記載[5]。

本試驗自制復合型絮凝劑PAFC-PDMDAAC，并研究了它對模擬地下水的處理效果，考察了它的堿化度、(Al+Fe)/PDMDAAC質量比和特性黏度對其混凝性能的影響，旨在為將來的地表水處理實際應用奠定理論基礎。

1試驗材料與方法

1.1試驗裝置

磁力加熱攪拌器、六聯攪拌機、電子天平、便攜式液體濁度儀、分光光度計、總有機碳分析儀、Zeta電位測定儀。

1.2試驗藥品

三氯化鐵、三氯化鋁、無水碳酸鈉、磷酸氫二鈉、聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)、高嶺土、腐植酸。

1.3試驗方法

1.3.1PAFC-PDMDAAC的制備

將Al/Fe(物質的量比)為5∶2的三氯化鐵和三氯化鋁固體置于燒杯中，加入適量的蒸餾水，在攪拌狀態下加入一定量的無水碳酸鈉粉末至預定的堿化度(分別為0.5、1.0、1.5)，然后加入適量的磷酸氫二鈉溶液并繼續攪拌一段時間。停止攪拌后，將其冷卻至室溫，待24h后可獲得具有不同B值的PAFC絮凝劑溶液。

向上述PAFC絮凝劑溶液中加入不同特性黏度(分別為0.8和1.2dL/g)的PDMDAAC，即可制備出具有不同B值、不同特性黏度、不同(Al+Fe)/PDMDAAC質量比的PAFC-PDMDAAC。

1.3.2模擬地表水水樣的絮凝試驗

利用高嶺土和腐植酸配制水樣，模擬地表水水樣的水質指標： 腐植酸濃度為10mg/L、DOC濃度為3.25 ±0.30mg/L、初始pH為8.5 ± 0.10，濁度為14.00 ± 0.50NTU。

絮凝試驗在六聯攪拌機上進行，在1000mL原水水樣中加入絮凝劑，快攪1min后慢攪15min(快攪200r/min、慢攪40r/min)，靜置沉淀20min后，取一定量上清液測去濁率、DOC去除率和zeta電位。

2結果與討論

2.1投加方式對絮凝效果的影響

分別投加單獨組分的PAFC和PAFC-PDMDAAC，其去濁率與DOC去除率如圖1所示。

由圖1可知兩種絮凝劑對去濁率具有相同的變化趨勢，先增高后平緩。當投加量超過一定值后，兩種絮凝劑對濁度去除的影響變化不大。PAFC去濁好于PAFC-PDMDAAC，這是因為過量的絮凝劑會使絮體表面帶正電荷，從而使脫穩的膠體重新獲得穩定。PAFC-PDMDAAC對DOC的去除效果優于PAFC，PAFC與PDMDAAC反應具有協同作用，去除率高出5%左右，在滿足相同去除率的前提下，PAFC-PDMDAAC的投加量少于PAFC的投加量。綜上所述，PAFC-PDMDAAC絮凝效果好，且具有較高的經濟價值。

圖1　絮凝劑投加方式對去除濁度和DOC的影響 Fig.1　Effect of Feeding Patterns on Removal of Turbidity and DOC

2.2(Al+Fe)/PDMDAAC質量比對絮凝效果的影響

不同(Al+Fe)/PDMDAAC質量比 (分別為20、10和4)的PAFC-PDMDAAC(堿化度為1.0，特性黏度為1.2dL/g)對模擬地表水的去濁率、DOC去除率和zeta電位如圖2所示。

由圖2可知當投加量小于6mg/L時，(Al+Fe)/PDMDAAC質量比大小與去濁率呈反比關系，此條件下當(Al+Fe)/PDMDAAC質量比為4時去濁率最高；在投加量大于6mg/L的條件下，當(Al+Fe)/PDMDAAC質量比等于10時去濁率最高，而且三種不同的絮凝劑對去除濁度的影響變化不大，但去濁率會有所下降。DOC的去除率隨著投加量的增大而不斷增大，當(Al+Fe)/PDMDAAC質量比等于10時，DOC的去除效果明顯好于其他兩種(Al+Fe)/PDMDAAC質量比的絮凝劑。這是因為PAFC-PDMDAAC中PDMDAAC單體的含量并非越多越好，當PDMDAAC含量過高時，會吸附在微小絮體表面，從而使絮體進入再穩狀態。

圖2　PAFC-PDMDAAC的(Al + Fe)/PDMDAAC 質量比對去除濁度、DOC和zeta電位的影響 Fig.2　Effect of Mass Ratio of (Al+Fe)/PDMDAAC of PAFC-PDMDAAC on Removal of Turbidity, DOC and Zeta Potential

不同(Al+Fe)/PDMDAAC質量比的PAFC-PDMDAAC所形成絮體的zeta電位都隨著投加量的增加而升高。不同(Al+Fe)/PDMDAAC質量比的PAFC-PDMDAAC在所形成絮體的Zeta電位接近等電點0mV時，去濁率達到最大，當繼續投加后則會有所下降，而DOC去除率隨著投加量的增加而增大，這是因為過量的絮凝劑會使絮體表面帶正電荷，從而使得脫穩的膠體重新獲得穩定，在去除濁度時電性中和作用是主要的混凝機理。而去除DOC時混凝機理包括吸附架橋、網捕卷掃和電性中和作用，不單單只有電性中和作用。

綜合考慮，PAFC-PDMDAAC的(Al+Fe)/PDMDAAC質量比最佳選擇應為10。

2.3堿化度對絮凝效果的影響

不同堿化度 (分別為0.5、1.0和1.5)的PAFC-PDMDAAC((Al+Fe)/PDMDAAC質量比為10，特性黏度為1.2dL/g)對模擬地表水去濁率、DOC去除率和zeta電位如圖3所示。

圖3　PAFC-PDMDAAC的堿化度對 去除濁度、DOC和zeta電位的影響 Fig.3　Effect of Alkalization Degree of PAFC-PDMDAAC on Removal of Turbidity, DOC and Zeta Potential

由圖3可知濁度的去除效果受堿化度的影響不大。不同堿化度條件下，去濁率之間相差較小，都呈現先增高后平緩的變化趨勢，這是因為堿化度與PAFC-PDMDAAC中Fe(Ⅲ)、Al(Ⅲ)的水解形態有關，水解產物使得PAFC-PDMDAAC的吸附架橋和網捕卷掃作用增強，從而達到去除濁度的目的[6]。

不同堿化度的PAFC-PDMDAAC所形成絮體的zeta電位都隨著投加量的增加而升高。對于堿化度為 0.5和 1.0的PAFC-PDMDAAC，當所形成絮體的zeta電位在等電點(0mV)以下時，DOC的去除率與投加量呈正比關系，繼續增加投加量，DOC的去除效果則基本不變。而對于堿化度為1.5的PAFC-PDMDAAC來說，對DOC的去除率卻隨著投加量的增加而增大。這是由于當堿化度小于1時，PAFC-PDMDAAC帶有大量的正電荷，通過電性中和作用降低水中DOC，而當堿化度大于1時，PAFC-PDMDAAC只帶有少量的正電荷，電性中和作用不能很好地去除水中的DOC。因此，當堿化度小于1時，電性中和作用是PAFC-PDMDAAC去除水中DOC的主要混凝機理；當堿化度大于1時，混凝機理包括吸附架橋、網捕卷掃和電性中和作用，不單單只有電性中和作用。

綜合考慮，PAFC-PDMDAAC的堿化度最佳選擇應為1.0。

2.4特性黏度對絮凝效果的影響

不同特性黏度 (分別為0.8和1.2dL/g)的PAFC-PDMDAAC((Al+Fe)/PDMDAAC質量比為10，堿化度為1.0)對模擬地表水去濁率、DOC去除率和zeta電位如圖4所示。

由圖4可知特性黏度為1.2dL/g比特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMDAAC絮凝效果要好，其中前者對DOC的去除率大于后者10%左右，在投加量超過3.5mg/L后，特性黏度為1.2dL/g比特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMDAAC去濁率明顯提高，絮凝效果與特性黏度的大小具有正比關系。這是因為特性黏度越大，PAFC-PDMDAAC分子量也就越大，吸附架橋作用增強，同時大量的正電荷也會增強吸附中和作用，從而提高PAFC-PDMDAAC的絮凝效果。當PAFC-PDMDAAC的特性黏度為0.8dL/g，投加量為9mg/L時，去濁率和DOC去除效果達到最佳狀態。而對于特性黏度為1.2dL/g的PAFC-PDMDAAC，DOC去除率會隨著投加量增加而升高，但是當投加量超過9mg/L時，去濁率有所降低，這可能與絮體的zeta電位有關。

圖4　PAFC-PDMDAAC的特性黏度對 去除濁度、DOC和Zeta電位的影響 Fig.4　Effect of Intrinsic Viscosity of PAFC-PDMDAAC on Removal of Turbidity, DOC and Zeta Potential

不同特性黏度的PAFC-PDMDAAC所形成絮體的Zeta電位都隨著投加量的增加而升高。特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMAAC在投加量為9mg/L時，對濁度和DOC的去除效果最優，此時所形成絮體的Zeta電位還未達到等電點(0mV)。這說明在混凝過程中，特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMAAC中主要的混凝作用是吸附架橋作用，而非電性中和作用。而對于特性黏度為1.21dL/g的

PAFC-PDMAAC，在所形成絮體的Zeta電位接近等電點(0mV)時，去濁率達到最大而DOC的去除率并未達到最優，DOC的去除率隨著投加量的增加持續增大，所形成絮體的Zeta電位也從負值變為正值，此時PAFC-PDMAAC對濁度的去除率降低了，而對DOC的去除率持續增大。這說明在混凝過程中，特性黏度為1.21dL/g的PAFC-PDMAAC在去除濁度時主要的混凝作用是電性中和作用；而去除DOC時主要的混凝作用為吸附架橋作用和電性中和作用，而且電性中和作用隨著特性黏度的增大而增大。

3結論

(1) PAFC與PDMDAAC反應具有協同作用，復合絮凝劑PAFC-PDMDAAC的絮凝效果好，且具有較高的經濟價值。

(2) PAFC-PDMDAAC的投加量、(Al+Fe)/PDMDAAC質量比、堿化度、特性黏度都對絮凝效果存在影響。PAFC-PDMDAAC處理地表水的最佳(Al+Fe)/PDMDAAC質量比為10，堿化度為1.0，提高特性黏度也有利于濁度和DOC的去除。

(3) 對于PAFC-PDMDAAC來說，提高特性黏度值，吸附架橋作用和電性中和作用明顯增強，改進了PAFC-PDMDAAC的混凝性能，從而提高其對濁度和DOC的去除效果。

參考文獻

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