聚丙烯酰胺改性硅藻土在廢水處理中的應(yīng)用研究

尚　尉，錢學(xué)仁，孟曉敏，謝金宏，段鵬飛

(1.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林　132012；2.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱　150040)

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聚丙烯酰胺改性硅藻土在廢水處理中的應(yīng)用研究

尚尉1,2，錢學(xué)仁2，孟曉敏1，謝金宏1，段鵬飛1

(1.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林132012；2.東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150040)

本文通過(guò)改性硅藻土對(duì)造紙廢水進(jìn)行處理，研究在不同處理溫度、時(shí)間、pH值和改性硅藻土加入量的條件下，對(duì)廢水處理效果的具體影響。確定最佳廢水處理溫度、時(shí)間、pH值和加入量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其最佳工藝條件：改性硅藻土加入量為350 mg·L-1、處理溫度為30 ℃、造紙廢水的pH值為7～8、吸附時(shí)間為2 h。在此條件下，廢水的COD 去除率達(dá)80%，濁度去除率可達(dá)95%以上。改性硅藻土在造紙廢水處理方面，具有較好的應(yīng)用前景。

改性硅藻土； 造紙廢水； CODcr

1　引　言

近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，由于各種工業(yè)廢水的排放，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，因此，如何采用更經(jīng)濟(jì)更有效的廢水處理廢水，越來(lái)越受到人們的重視。其中化學(xué)法、物理法、生化法等一些常用的廢水處理技術(shù)，工藝技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，但是對(duì)COD和有機(jī)物去除效果不理想[1,2]，并且無(wú)法滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)。另外，由于各種絮凝劑都有一定的親水性，因此，將絮凝劑加入廢水之后，不能將其與水進(jìn)行很好分離，會(huì)再一次造成污染。例如生化法，對(duì)COD和色度去除效果較差，而且還會(huì)有大量污泥產(chǎn)生，造成對(duì)環(huán)境再次污染[3,4]。面對(duì)現(xiàn)有工藝投資大，COD和有機(jī)物去除效果差的狀況，亟待探索一些新方法新技術(shù)，用于處理工業(yè)廢水。而近年來(lái)研究人員發(fā)現(xiàn)利用具有微孔狀物質(zhì)作為吸附劑，用于處理廢水便是一種較好的方法，國(guó)內(nèi)外的科研人員探索利用某些非金屬礦獨(dú)特物理和化學(xué)性能，將其進(jìn)行提純、改性、活化等處理，將其用于廢水處理。其中，對(duì)硅藻土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[5,6]。利用硅藻土獨(dú)特的微孔狀結(jié)構(gòu)處理廢水，不僅可以降低廢水處理成本，還可以更有效地利用硅藻土礦產(chǎn)資源。

硅藻土是由硅藻遺體堆積后，經(jīng)過(guò)初步成巖作用，而形成的一種具有多孔性的非金屬礦。硅藻土主要由硅藻的壁殼組成，形成了不同形貌特征的微孔結(jié)構(gòu)，而且微孔具有多級(jí)、大量、有序排列的特點(diǎn)[7]。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，賦予了硅藻土耐酸、孔徑大、孔容大和吸附性強(qiáng)等許多優(yōu)良的性能[8-11]。但這并不表明對(duì)任何物質(zhì)硅藻土都具有強(qiáng)吸附能力。硅藻土表面具有大量的硅羥基，其表面呈電負(fù)性，吸附正電荷能力較強(qiáng)，而對(duì)帶負(fù)電的有機(jī)物的吸附，在一定程度上受到限制。因此，本文主要是用陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)對(duì)硅藻土進(jìn)行改性，然后用改性硅藻土處理制漿造紙廠的二沉池廢水，并對(duì)影響處理效果的各種因素進(jìn)行了探究。得到最佳處理?xiàng)l件，從而為改性硅藻土處理廢水工藝提供依據(jù)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)儀器及材料

濁度儀、JB-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，恒溫水浴鍋，數(shù)顯恒速攪拌器，恒溫水浴振蕩器。硅藻土(由吉林遠(yuǎn)通礦業(yè)有限公司提供)，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)，氫氧化鈉。

水樣來(lái)源：某造紙廠二沉池出水，CODCr為421 mg·L-1，SS為115 mg·L-1， pH值為7.2，濁度為265NTU。

2.2分析方法

COD的測(cè)定采用國(guó)標(biāo)GB11914-1989標(biāo)準(zhǔn)方法。濁度的測(cè)定采用濁度計(jì)測(cè)定法，色度的測(cè)定采用稀釋倍數(shù)法。

2.3改性硅藻土制備及廢水處理方法

準(zhǔn)確稱取20 g硅藻土，將其放入廣口瓶中，向廣口瓶中加入100 mL去離子水中，再向廣口瓶中加入濃度為0.05%陽(yáng)離子聚丙烯酰胺溶液，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺加入量為0.05%(對(duì)硅藻土絕干質(zhì)量)，加入的同時(shí)不斷攪拌，使其混合均勻，然后放在恒溫水浴振蕩器中振蕩，浸泡8 h以上，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干，得到改性硅藻土備用。

稱取一定質(zhì)量的改性硅藻土放入燒杯中，再向燒杯中加入500 mL廢水，放在恒溫水浴振蕩器中振蕩，控制時(shí)間和溫度，待處理結(jié)束后，取出燒杯中上層清液，分析其濁度和COD。

2.4改性硅藻土的表征

聚丙烯酰胺改性硅藻土的顆粒形貌特征通過(guò)荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Quanta-200型電子掃描電鏡觀測(cè)。

3　結(jié)果與討論

3.1改性硅藻土的顆粒形態(tài)

圖1　硅藻土改性前后SEM圖Fig.1　SEM images of diatomite before and after modification(a)Before diatomite modified;(b)diatomite modified

從硅藻土改性前后SEM掃描圖1可以看出，硅藻土改性后，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺在硅藻土表面孔的內(nèi)壁形成了絲狀絮體，由于CPAM溶于水，因此在應(yīng)用處理廢水時(shí)，CPAM可部分從硅藻土內(nèi)部和表面溶解出來(lái)，與廢水中的污染物分子結(jié)合，通過(guò)架橋連接后，形成絮體沉淀。另一部分CPAM則繼續(xù)吸附在硅藻土孔隙中，污染物通過(guò)硅藻土吸附后，使污染物吸附更加牢固，從而不易脫附，提高脫色效果。

3.2改性硅藻土加入量對(duì)廢水處理效果的影響

本研究采用不同的改性硅藻土加入量，處理造紙廢水，取造紙廢水500 mL經(jīng)改性硅藻土處理后，取澄清液測(cè)其CODcr、濁度和色度，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　改性硅藻土加入量對(duì)CODcr去除率的影響Fig.2　Addition amount of modified diatomite influence on CODcr removal rate

圖3　改性硅藻土加入量對(duì)濁度和色度的影響Fig.3　Addition amount of modified diatomite influence on turbidity and chromaticity

由圖2可以看出，隨著改性硅藻土的用量的增加，COD去除率在逐漸提高，當(dāng)填加量大于350 mg·L-1之后，再繼續(xù)增加改性硅藻土用量，COD去除效果沒(méi)有明顯變化。由圖3可以看出，當(dāng)改性硅藻土填加量大于350 mg·L-1時(shí)，廢水濁度去除率高達(dá)95%以上。當(dāng)改性硅藻土填加量大于300 mg·L-1時(shí)，廢水色度去除率可達(dá)100%。所以圖2和圖3說(shuō)明，隨著改性硅藻土的用量的增加，可有效去除和吸附廢水中的固形物和溶解性物質(zhì)，從而有效降低廢水COD含量、濁度和色度。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件，硅藻土的用量控制在350～400 mg·L-1為宜。

3.3溫度對(duì)改性硅藻土處理廢水效果的影響

在改性硅藻土加入量350 mg·L-1時(shí)，采用不同溫度下處理造紙廢水，取上層澄清液測(cè)其CODcr，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著廢水處理溫度的不斷升高，COD去除率在不斷增加，當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃以后，COD去除率上升開始變得緩慢，沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明再繼續(xù)提高處理溫度，已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際意義，當(dāng)溫度控制在40 ℃時(shí)處理效果最好，COD去除率可達(dá)80%以上。因此，廢水處理溫度控制在35～40 ℃ 之間為宜。

圖4　溫度對(duì)CODcr去除率的影響Fig.4　Influence of temperature on the CODcr removal rate

3.4pH值對(duì)廢水處理效果的影響

在改性硅藻土加入量350 mg·L-1，溫度為35 ℃時(shí)，采用不同pH值條件下處理造紙廢水，取上層澄清液測(cè)其CODcr，結(jié)果如圖5所示。

硅藻土表面含有大量的硅羥基，而且在水中能電離，因此硅藻土表面呈電負(fù)性，硅藻土這一特點(diǎn)限制了其對(duì)污水中帶負(fù)電性雜質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)的吸附去除效果，而經(jīng)過(guò)CPAM改性后，可有效提高硅藻土表面電荷正電性，使等電點(diǎn)pH值大于7.0，從圖5中以看出，隨著pH值增大，COD去除率也明顯提高，當(dāng)pH在7～8時(shí)，處理效果最好，再繼續(xù)提高pH值，COD去除率反而有所下降，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，pH值可控制在7～8之間。

3.5吸附時(shí)間對(duì)廢水處理效果的影響

在改性硅藻土加入量350 mg·L-1，溫度為35 ℃，pH值為7.0時(shí)，采用不同吸附時(shí)間條件下處理造紙廢水，取上層澄清液測(cè)其CODcr，研究發(fā)現(xiàn)，隨著廢水吸附時(shí)間的增加，COD去除率在不斷的增加，當(dāng)吸附時(shí)間超過(guò)1.5 h以后，COD去除率沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明隨著吸附時(shí)間的增加，改性硅藻土的吸附量也在逐漸提高，的吸附量接近飽和時(shí)，再繼續(xù)增加吸附時(shí)間，對(duì)于提高COD去除率和處理效果，已經(jīng)沒(méi)有意義，因此，廢水處理吸附時(shí)間控制在1.5～2.0 h之間為宜。

4　結(jié)　論

改性硅藻土對(duì)造紙廢水的處理效果，隨著硅藻土用量的增加，廢水COD去除率增大，濁度和色度去除效果增強(qiáng)，并逐漸變得平緩。隨著吸附時(shí)間的增加，COD去除率增大，并逐漸達(dá)到最大值。當(dāng)改性硅藻土用量為350 mg·L-1、pH值為7、溫度為30 ℃，吸附時(shí)間為2 h時(shí)，廢水COD去除率達(dá)到80%以上，濁度去除率達(dá)到95%以上，色度去除率高達(dá)100%。可見，將CPAM改性硅藻土用于廢水處理，具有良好的應(yīng)用前景。

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Application of Polyacrylamide Modified Diatomite in Treatment Wastewater

SHANGWei1,2，QIANXue-ren2，MENGXiao-min1，XIEJin-hong1，DUANPeng-fei1

(1.College of Chemistry Engineering, Northeast Dianli University,Jilin 132012,China;2.Key Lab of Biobased Material Science & Technology Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

Treatment of papermaking wastewater by modified diatomite. Research impact on treatment wastewater effect in different processing temperature, time, pH and the amount of modified diatomite conditions. To determine the best treatment wastewater temperature, time, pH and the addition amount. It was found that the optimal condition of the treatment wastewater are 350 mg·L-1of modified diatomite, pH at about 7-8, temperature 30 ℃ and sedimentation time 2 h. In this condition, the removal rate of COD was 80%, turbidity removal rate can reach more than 95%.Modified diatomite treatment of papermaking wastewater has good application prospect.

modified diatomite;wastewater;CODcr

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140204040GX);吉林市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013625008)

尚尉(1984-)，男，博士研究生.主要從事林產(chǎn)化學(xué)方面的研究.

TQ134

A

1001-1625(2016)04-1245-04