【word】 绿色絮凝剂PAS的性能及混凝机理探讨

【word】 绿色絮凝剂PAS的性能及混凝机理探讨 绿色絮凝剂PAS的性能及混凝机理探讨 第3卷第11期环境 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 2009年11月ChineseJournalofEnvironmentalEngineerin 绿色絮凝剂PAS的性能及混凝机理探讨 方月梅 (黄石理工学院环境科学与工程学院,黄石435003) 摘要通过向聚硅酸中加入一种高价亲生物环保的金属离子Ti”,制备了一种适合处理长江水的绿色絮凝剂PAS, 并且通过实验确定了其处理长江水的最佳处理条件:酸性聚硅酸与Ti金属盐溶液复合,n/n.=0.3;投加量为10mg/L(以 Ti计),pH=6,8,uv的去除率>61.7%,浊度去除率>99%.PAS的混凝效果明显优于聚合铝和聚硅铝,而且矾花形 成迅速,絮体密实,沉降快,出水更加清澈,无残留铝.Ti也是亲生物金属,健康环保.因此,PAS是绿色环保友好型絮凝 剂,可作为饮用水专用絮凝剂.观察所形成絮体的形貌以及观测红外光谱图均发现,絮凝剂对胶体颗粒污染物有较好的架 桥网捕与络合反应作用. 关键词绿色絮凝剂性能形貌结构混凝机理 中圈分类号X703.1文献标识码A文章编号1673—9108(2009)11—2021-05 Studyonpropertiesandcoagu-flocculationmechanism ofgreenflocculantPAS FangYuemei (EnvironmentalScienceandEngineeringColleg~.HuangshiInstituteofTechnology,Huangshi435003,China) AbstractAgreenflocculantPASispreparedbyaddingTimetal—saltintopoly silicicacid.AcidicPASis moreefficientthanalkalinePAS.ThebestmolarratioiSn/n=0.3.Theoptimumconditionsarethattheap- propriatepHvalueisfrom6to8,theaddingamountofPASis10mg/LbycalculatingtheconcentrationofTi” intreatingYangtzeRiverwater.Aftertreatment,UV254一 removalefficiencyismorethan61.7%,andtheturbidi— ty—removalefficiencyismorethan99%.ThecoagulatingpropertyofPASishigherthanpolyaluminumchloride’ Sandploysilicate-aluminumchloride’S.Theflocculeisbigandclose—grain ed,havinghighsedimentationeffi- ciency.Waterdrainedisclearer,havingzerocontentofAI.Tiisanenvironment—friendlygreenmeta1.PAS,an environment—friendlygreenflocculant,canbeusedasspecialflocculantfortreatingdrinkingwater.Theshapes andstructureofsamplefloeswasinvestigatedandanalyzedusingmicroscopy andFTIR.Theresultsshowthat PAShavefavorableabilityofcomplexation,bridgingandnetting. Keywordsgreenflocculant;property;shapeandstructure;coagu?flocculatio nmechanism 混凝是去除胶体物质,强化固液分离的主要手 段之一.因其操作简便,适应性好,费用低廉,我国 的各大自来水水厂无一例外地使用混凝作为饮用水 的主要净化工艺.传统絮凝剂所引发的潜在环境问 题逐渐暴露出来,如现有市场上各种铝盐絮凝剂在 水处理中的铝残留问题,聚丙烯酰胺中残留单体的 毒性问题,以及由此引发的环境二次污染,制约着絮 凝剂向水质净化,废水资源化等水处理领域的深层 次发展”.发展新型高效能絮凝剂是关键,目 前国内开发的絮凝剂品种很多,但大多不是绿 色环保友好型,饮用水专用絮凝剂的研制则更少. 钛对人体无毒,也不与人体肌肉和骨骼发生反 应,还能通过放射一致的波长使细胞电离,调节人体 电流,从而对人体产生有益的生理作用,因而钛在医 学上被称为”亲生物金属”.本实验向聚硅酸中引 入高价亲生物环保的Ti”,制得一种高效安全的新 型绿色混凝药剂PAS,不但吸附架桥能力强,投加量 少,操作方便简单,且对环境友好,特别适合长江水 的处理,可作为饮用水专用絮凝剂.通过实验确定 了絮凝剂的最佳制备条件和处理长江水的最佳条 件,并从絮凝剂和絮体的形貌结构方面初步探讨了 其高效混凝机理. 收稿日期:2009—02—11;修订日期:2009—03—08 作者简介:方月梅(1973,),女,硕士,工程师,主要从事水污染控制 技术的研究工作.E-mail:fangyuemei@126.corn 2022环境工程第3卷 1实验部分 1.1主要仪器和试剂 XSP—XSZ电子显微镜,XDS.1B型倒置生物显微 镜,Zeta—Probe电位仪(美国ColloidalDynamics公 司),VERTEX70型傅立叶远红外光谱仪(德国 Bruker公司),85—2磁力电动搅拌器(制聚硅酸时搅 拌用),DBJ-623六联电子变速搅拌机;含Ti金属 盐,浓硫酸,氢氧化钠(以上药剂均为分析纯);工业 水玻璃(模数为3.2,SiO:的质量分数为23%). 1.2新型絮凝剂PAS的制备 在酸性和碱性条件下分别制备酸性聚硅酸和碱 性聚硅酸. 配制含Ti质量分数为0.5%,2%的金属盐溶 液,并按Ti和硅的不同摩尔比,将其加入到制备的 聚硅酸中,搅拌后熟化一段时间即得不同配比的新 型絮凝剂PAS. 1.3实验水样 水样取自长江武汉段,水质如下:pH=7.89,浊 度=82.4NTU,uV( 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征水中腐殖酸的浓度)为 0.573. 1.4Zeta电位的测试方法 将待测样品稀释成一定浓度的溶液,置于带有 电极的试样池中,用1mol/L的NaOH或HC1自动 滴定,同时用Zeta.Probe电位仪测量其对应pH值下 的Zeta电位值. 1.5红外光谱测定方法 将液体样品置于烘箱中并于50?左右烘干,以 KBr做本底,采用压片法用傅立叶远红外光谱仪测 其红外谱图. 1.6絮凝剂及絮体形貌观察方法 将熟化10d的絮凝剂滴在干净的载玻片上,室 温下晾干后用电子显微镜观察并放大拍照. 用滴管从装有处理后水样的烧杯中取适量絮体 和上清液,使其均匀地分布在载玻片上,用倒置式生 物显微镜观察形貌并拍照. 2实验结果与讨论 2.1硅酸聚合方式对絮凝剂性能的影响 酸性聚硅酸和碱性聚硅酸分别与钛的金属盐复 合,分别得到酸性PAS和碱性PAS.为了比较这2 种絮凝剂的性能,本实验在相同条件下用它们来处 理长江水,处理效果以浊度和uV:的去除率为指 标,絮凝剂的投加量均为10mg/L(以Ti计),不调 水样的pH值,实验结果如图1所示. 由图1可知,无论是浊度去除率还是uV:去除 率,酸性PAS的絮凝效果和处理的稳定性都稍优于 碱性PAS.而且在制备过程中,酸性PAS的操作要 比碱性PAS操作简单,且酸性PAS胶凝时间长,易 保存,所以PAS的制备选用酸性聚硅酸与钛金属盐 溶液复合. 静 爱 8O 匿70 解 鬟60 萎 至0 4O 00511522.53 r/Ti/nsi 图1酸性PAS和碱性PAS的絮凝性能 Fig.1Flocculantpropertiesofacidic PASandalkalinePAS 2.2nr/ns~对絮凝剂性能的影响 图2是以10mg/L(以Ti计)投加量分别处理 长江水来考察不同n/n;对PAS混凝性能的影响 曲线. 埒 1OO 90 80 70 6O 50 40 图2nTi/n对絮凝效果的影响 Fig.2EffectofTi/Simolarratioon flocculationofPASflocculant 实验发现,n_/n;对处理效果影响很大.当n/ n<0.3时,随着n/n的增大,处理效果变好,但 生成的絮体少,粒度也较小;当n/n=0.3时,处 效果最好,uV:去除率为70.9%,浊度去除率为 99.3%,且能观察到絮体大,易沉降,而且絮凝剂保 存时间较长,稳定性好;当ni/n;>0.3时,浊度去 除率几乎不变,uV嘲的去除率反而略有下降,生成 絮体多,粒度较大,但絮凝剂容易胶凝失效,保存时 间较短.因此n/n=0.3为PAS的最佳配比. 2.3投加量对絮凝效果的影响 将nT;/n=0.3的PAS以不同的投加量(以 Ti计)处理长江水,结果如图3所示. 第11期方月梅:绿色絮凝剂PAS的性能及混凝机理探讨2023 10O 一, 80 喜60 蓑4o2O 0 05l0I520253O354O 投加量(mg/L) 图3絮凝剂投加量对处理效果的影响 Fig.3InfluenceofdifferentdoseofPAS flocculantontreatmenteffect 由图3可知,当投加量<10mg/L时,随着PAS 投加量的增加,水样的浊度和uV逐渐减小.当投 加量>10mg/L时,浊度去除率稳定在97%左右, UV的去除率稳定在67%以上左右,再增加投加 量,处理效果几乎不变,uV:反而下降.考虑药剂 成本,PAS的最佳投加量定为10mg/L. 2.4水样pH值的影响 改变水样pH值,向其中投加10mg/L(以Ti 计)的PAS(ni/n:0.3),讨论pH值对絮凝效果 的影响,结果如图4所示. 冰 婚 篮 水样的pH值 图4pH值对絮凝效果的影响 Fig.4InfluenceofdifferentpHvaluesof 由图4可知,水样的pH值对处理效果有影响. 当pH=6—8时,PAS的处理效果较好,UV的去除 率>61.7%,浊度去除率>99%.这可从Zeta电位 随pH的变化来解释.图5和图6分别是PAS和水 样的Zeta电位曲线,当溶液pH<8时,PAS带正电 荷,而且溶液的Zeta电位随pH的增加而增大,而水 样中的污染物颗粒带负电荷.水样的pH=7.89,在 最佳pH范围内.因此,用PAS处理天然水样时,不 需调节pH值,既简化操作又节约药剂. 图5PAS的Zeta电位曲线 Fig.5ZetaprobecurveofPAS 图6水样的Zeta电位曲线 Fig.6Zetaprobecurveofwatersample 2.5与其他絮凝剂处理效果的比较 为了进一步考察PAS对长江水的处理性能,选 聚合铝,聚硅铝进行对比实验(在各种药剂的最佳 处理条件下),结果如表1所示. 表1不同絮凝剂处理长江水的效果比较 Table1Comparisonofflocculationeffects withdifferentflocculants 由表1可知,综合去除效果,絮体沉降性能以及 出水质量等方面,PAS的混凝效果明显优于聚合铝 和聚硅铝,而且矾花形成迅速,絮体密实,沉降快,出 水更加清澈,无残留铝.出水中所含的少量n是 一 种对于人体健康有益的物质.因此,PAS是绿色 环保友好型絮凝剂,可作为饮用水专用絮凝剂. 2.6PAS的高效混凝机理探讨 为了探究PAS的高效混凝机理,本实验从絮凝 剂和絮体的形貌,结构进行了分析. 2.6.1絮凝剂的形貌和结构 图7和图8分别是聚硅酸和絮凝剂PAS的 形貌. 从图7可以看出,聚硅酸的形貌为球形或椭球 形颗粒,且大小较均匀.从图8可清楚地看到,聚硅 酸球形小颗粒被钛离子的水解产物粘连构成链状结 构,向四面八方伸展,形成枝权状的聚集态.这说明 聚硅酸与钛离子及其水解产物之间有相互作用,这 些相互作用不仅延缓,阻止了主体成分聚硅酸颗粒 之间以滚雪球方式直接聚合为尺寸更大的非晶态, 提高了聚硅酸的稳定性(实验发现加入钛盐后,药 剂720h后还未胶凝),而且增大了絮凝剂的吸附反 2024环境工程第3卷 应表面积和分子链的长度,从而能够增强药剂的吸 附桥联能力. 图7聚硅酸形貌(放大10倍) Fig.7Imageofpolysilicicacid(×10) 图8PAS形貌(放大10倍) Fig.8ImageofPAS(×10) 为进一步分析钛与聚硅酸之间的作用,对新型 絮凝剂PAS进行了傅立叶远红外测定,结果如图9 所示. 图9中3454cm的强宽峰为一0H的伸缩振 动峰,1649cm处为水分子变角振动峰,1100— 1000cm处的强宽峰由硅酸聚合产生的si一0一 si非对称伸缩振动引起,978cm处较强峰则是由 Ti—O—Si伸缩振动引起,773cm处较弱峰为钛水 解产生的四价络合物[TiO]中所含的Ti—O—Ti 伸缩振动峰,602cm处为si一0面外弯曲振动峰, 469cmI1处为Ti—O面内弯曲振动峰?”. 其中978cm处较强的Ti—O,si伸缩振动 峰,说明金属与聚硅酸发生了化学成键作用,从而形 成了长链枝权状结构. 40oo35oo3O002500200015ool000500 波数(on-) 图9PAS的红外光谱图 Fig.9InfaredspectrumofPAS 2.6.2絮体的形貌和红外光谱分析 图10是絮体的形貌.从图10(a)中可明显看 出,PAS具有分枝长链状的骨架结构通过范德华引 力,静电引力,氢键,配位健等作用吸附网捕了大量 的胶体颗粒?.图10(b)为放大倍数变小后观测 到的絮体整体形貌,从中可以看出,聚集物通过卷扫 作用,团聚为球状微絮体,最后微絮体之间相互粘附 成絮团沉降下来.实验测得所形成絮体的粒径集中 分布在104,316/zm之间,粒度较大,因此絮凝剂 PAS在水处理过程中形成的絮体具有良好的自沉降 性能. (a)40倍放大(b)10倍放大 图10PAS处理长江水形成的絮体形貌 Fig.10Imagesofsampleflocsformedbythe treatmentoftheYangtzeRiverwaterusingPAS 为进一步分析,对模拟江水与絮凝剂处理模拟 江水后生成的絮体进行了红外光谱测定,结果如图 11和图12所示. 图11长江水红外光谱图 Fig.11InfaredspectrumoftheYangtzeRiverwater 图12中在3000,3500clrl之间的一个较宽 的羟基缔合峰(水峰),比图11明显得多,这是因为 絮体在形成过程中吸附了较多的水分子;又因为絮 凝剂中含的金属离子会在水中水解形成多羟基配合 物,所以图12中1600CIIl处的OH面内弯曲振动 峰加强;而图l1中显示的1382.44cm处C—H 键的剪式振动峰与1703.78eln处芳酸形成的氢 键峰位在图12中都已消失,说明絮凝剂与水样中的 这些基团发生了络合等反应.图12中950— 第11期方月梅:绿色絮凝剂PAS的性能及混凝机理探讨2025 1100am处的强吸收峰则主要是由1000,1100cm 处si一0一si非对称伸缩振动峰和978cm处的 Ti一0一Si伸缩振动峰叠加造成.773am处 Ti—O—Ti伸缩振动峰和796.99am处较强的 Si—O键变形振动峰叠加造成了图12中700, 800cmI1的较强吸收峰?. lOO 90 80 70 40003500300025002000l5001O0050o 波数(cm) 图12PAS处理江水形成絮体的红外光谱图 Fig.12Infaredspectrumofflocsformedbythe treatmentoftheYangtzeRiverwaterusingPAS 由以上分析可知,絮凝剂PAS特殊的长链结构 通过络合成键将模拟江水中的腐殖酸官能团带人絮 体中,同时也通过吸附网捕等作用将其余胶体颗粒 去除. 3结论 (1)酸性PAS是处理长江水的最佳药剂,最佳 处理条件:nTi/n=0.3,投加量定为10mg/L,pH= 6,8时,UV的去除率>61.7%,浊度去除率 >99%; (2)PAS的混凝效果明显优于聚合铝和聚硅 铝,是绿色环保友好型絮凝剂,可作为长江水体饮用 水专用絮凝剂; (3)絮凝剂PAS特殊的长链结构通过络合成键 将模拟江水中的腐殖酸官能团带入絮体中,同时也 通过吸附网捕等作用将其余胶体颗粒去除. 参考文献 ZhangK.S.,ZhouQ.X.,SunT.H.Advancesandapplica— tionoftreatmenttechnologyforsewageharmlessnessandre— soureefulnessinsmallcitiesandtowns.Eng.Sci. , 2003,5 (2):88,92 [2] [3] ZhouQ.X.,WangR.S.Ecologicalriskandbackground warningvaluesofwaterpollutionfromruralUrhanization. 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