PSAF-PDMDAAC复合絮凝剂的制备与性能

张 锐, 付 颖 寰, 宋 宇, 王 永 为, 于 春 玲, 董 晓 丽, 薛 文 平

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

随着染料工业的迅速发展,印染废水已经成为我国主要有害废水之一。业界对染料废水的脱色技术进行了广泛研究探索。常用的脱色处理方法有活性污泥法[1-2]、吸附法[3-4]、氧化法[5-6]、絮凝法[7-9]等,其中,絮凝法是一种简便、经济且效果显著的方法。常用的絮凝剂一般分为无机高分子絮凝剂和有机高分子絮凝剂。两类絮凝剂各自存在优缺点,二者在性能和成本上又具有很强的互补性,促使人们考虑将二者复配制成无机-有机复合絮凝剂,以强化效能,拓展应用领域。

本实验利用聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC) 对聚合硅酸铝铁(PSAF)进行了有机修饰,并以活性艳蓝溶液为模拟染料废水,考察了其絮凝性能,得出PSAF-PDMDAAC复合絮凝剂的最佳制备条件。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

UV-Vis 8500紫外可见分光光度计,上海分析仪器厂；PHB-5便携式pH计,上海伟业仪器厂；JA2003N电子天平,上海菁海仪器有限公司；85-2、HJ-7恒温磁力搅拌器,江苏金坛市医疗仪器厂。

活性艳蓝KN-R,东港工贸集团有限公司,纯度>96%；聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC),单体质量分数为60%,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司；氢氧化钠,分析纯,沈阳新兴试剂厂；盐酸,分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 方 法

1.2.1 模拟废水的制备

将活性艳蓝KN-R配成质量浓度为250 mg/L的水溶液模拟染料废水,用KH2PO3/K2HPO3缓冲溶液控制pH为6.5,加入0.1 mol/L的Na2SO4作为支持电解质。活性艳蓝KN-R在水溶液中呈蓝色,最大吸收波长为592 nm。

1.2.2 PSAF絮凝剂的制备

称取一定量的膨润土在高温条件下与纯碱(Na2CO3)进行反应,将生成的固态焙烧产物(初级产品)溶于酸生成复合物,陈化后得聚合硅酸铝铁絮凝剂(PSAF)[10]。

1.2.3 PSAF-PDMDAAC复合絮凝剂的制备

将PDMDAAC按确定配比放入已制好的PSAF中,于恒温磁力搅拌器上加热搅拌,待PSAF与PADMDAAC反应一定时间后即得复合絮凝剂(质量分数8%)。

1.2.4 絮凝实验

在一定温度下,将一定量絮凝剂投入装有100 mL模拟染料废水的烧杯内,先急速搅拌2 min,然后慢速搅拌15 min,静止后取上清液,用分光光度计测定脱色率。

脱色率=(1-A/A0)×100%

式中,A0为处理前染料废水吸光度；A为处理后染料废水吸光度。

2 结果与讨论

2.1 PSAF-PDMDAAC复合絮凝剂结构分析

由图1可以看出,PSAF与PSAF-PDMDAAC 显示出了相似的谱图结构。其结构归属如下:3 452 cm-1处吸收峰可归为Si—OH键的伸缩振动吸收峰,1 650 cm-1的吸收峰为样品中水分所致。1 000～1 300 cm-1为金属盐和羟基或者氧之间的吸收峰,即Me—O或者Me—OH。700～780 cm-1的吸收峰为Al—O—Si键和Fe—O—Si键的振动或者旋转引起。480 cm-1处的峰为O—Si—O的吸收峰。而在PSAF-PDMDAAC样品中没有观察到PDMDAAC 的红外特征峰,可能是由于PDMDAAC 掺杂量较少所导致。此外,PSAF与PSAF-PDMDAAC的XRD图谱中也未出现变化(如图2所示),这意味着PSAF与PDMDAAC复合没有形成新的物质。

图1 PSAF、PSAF-PDMDAAC的红外光谱图

图2 PSAF、PSAF-PDMDAAC的XRD谱图

2.2 复合pH对絮凝剂絮凝性能的影响

如图3所示,复合pH对无机-有机絮凝剂的复配效果有很重要的影响。当pH分别在4和10的时候,复合絮凝剂的脱色效果较好,且pH=10时脱色效果最佳。这是由于低pH时,PSAF表面为正电荷属性,阳离子聚合物PDMDAAC无法与其有效结合,且含量较低,因此复合絮凝剂性能主要以PSAF为主。此时增加反应体系pH有助于PSAF中聚硅酸、Fe2+和Al3+物种的聚合度,提高其絮凝能力；但增加体系pH,也会提高PSAF胶凝速度,降低其稳定性和絮凝能力。所以体系pH低时,在大约pH=4时表现出了较高的絮凝能力。同时,随着体系pH的继续增加,PSAF表面ζ电位必然变化,使得体系表面逐渐转为负电荷属性。PSAF表面负电荷属性将有助于与阳离子聚合物PDMDAAC的结合,而形成更高分子量的絮凝剂。但当pH增大到一定程度时,会有一部分Fe3+与过多的OH-结合生成Fe(OH)3沉淀,从而导致絮凝效果下降。因此体系在pH为10时同样表现出了较强的絮凝能力。郭明红[11]在无机微颗粒-有机高分子复合絮凝剂的制备及性能研究也有类似的报道。因此,pH=10为适合的复合pH。

图3 pH对絮凝效果的影响

Fig.3 Effect of pH value on the flocculation of PSAF-PDMDAAC

2.3 物料配比对无机-有机絮凝剂絮凝性能的影响

如图4所示,随着PDMDAAC用量的增加,处理效果越来越好,这是由于PDMDAAC是一种带有正电荷或具有阳离子性质的聚合物,在聚硅酸铝铁体系中引入阳离子聚合物,可以提高铝铁絮凝剂的电中和作用,从而提高其絮凝能力[12]。其含量越高,该复合絮凝剂电中和与吸附架桥的能力就越强。但当PDMDAAC用量增大到一定程度后,处理效果反而变差,主要是由于PDMDAAC的架桥卷扫作用很强,PSAF的电中和作用及与有机部分PDMDAAC的吸附作用还未完全达到平衡即被有机部分PDMDAAC强大的架桥作用沉淀。因此,复合配比选用200∶1为宜。

图4 复合配比对复合絮凝剂絮凝性能的影响

Fig.4 Effect of bentonite/PDMDAAC mass ratio on the flocculation of PSAF-PDMDAAC

2.4 复合温度对无机-有机絮凝剂絮凝性能的影响

如图5所示,温度在60 ℃时反应产物对模拟废水的脱色率较高,可知升高复合温度有利于PDMDAAC的分散溶解。但温度过高,复合溶液稳定性差,当温度达100 ℃时,复合溶液表面出现絮状不溶物。原因可能是随着温度的升高, PDMDAAC 分子溶胀,流动性变差所致。刘立华和龚竹青[13]在聚二甲基二烯丙基氯化铵与聚合硫酸铁复合絮凝剂的制备及絮凝性能研究中得出与本研究相同的结果。因此复合温度选择60 ℃为宜。

图5 温度对复合絮凝剂絮凝性能的影响

Fig.5 Effect of compound temperature on the flocculation of PSAF-PDMDAAC

2.5 反应时间对无机-有机絮凝剂絮凝性能的影响

如图6所示,温度对所得复合絮凝剂的絮凝性能影响不大,染料废水脱色率随反应时间的延长略有增加。当反应时间超过1 h之后,脱色率几乎不变。这可能是由于PSAF与PADMDAAC在1 h内已经反应充分,因而反应时间再延长,处理效果不再改善。所以适宜的复合时间为1 h。

图6 时间对复合絮凝剂絮凝性能的影响

Fig.6 Effect of compound time on the flocculation of PSAF-PDMDAAC

2.6 PSAF-PDMDAAC与PSAF、PDMDAAC絮凝性能的比较

PSAF、PDMDAAC与PSAF-PDMDAAC复合絮凝剂对染料废水的絮凝效果如图7所示。增加PSAF、PDMDAAC与PSAF-PDMDAAC投加量均能提高废水的脱色效果。而PSAF-PDMDAAC相对PSAF的脱色效果更好,整体趋势均提高了10%以上。主要原因是:投加无机絮凝剂能使胶体脱稳充分,加入PDMDAAC后,PDMDAAC主要起吸附架桥作用,把水中的细小颗粒及染料分子吸附于复合絮凝剂上,使之脱色率更高。尽管单独投加PDMDAAC时,废水的脱色效果较PSAF-PDMDAAC好,但考虑到单独投加PDMDAAC 的用量较大,造成的生产成本增加及废水COD等其他污染指标上升而带来的弊端,因此PSAF-PDMDAAC作为经济有效的絮凝剂,是处理染料废水适合选择。其投药量为1.5%时,对活性艳蓝模拟废水的脱色率达87.7%。

图7 投加量对复合絮凝剂絮凝性能的影响

Fig.7 Effect of dose on the flocculation of PSAF, PDMDAAC and PSAF-PDMDAAC

3 结 论

获得PSAF-PDMDAAC最佳制备工艺为:复合pH为10、物料配比为200∶1、复合温度为60 ℃、反应时间为1 h。PSAF-PDMDAAC复合絮凝剂投加量为1.5%条件下,对活性艳蓝KN-R模拟废水脱色率达87.7%,比PSAF絮凝剂絮凝效果(脱色率为77.1%) 有明显的提高。对处理染料废水而言,PSAF-PDMDAAC复合絮凝剂是一种经济有效的选择。

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