阳离子淀粉-聚硅酸复合絮凝剂制备及污水处理性能_王虹.pdf
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1、2023 年第 4 期环境工程污水处理是目前全社会普遍关注的问题。为了解决水污染的问题,很多学者进行了广泛研究,如章沙沙 1 研究了以微生物为基础制备的絮凝剂在污水处理方面的应用。张凤娥 2 则对传统钛基混凝剂进行改性,实验结果表明,改性后的钛基混凝剂对污水中的藻类有较好的去除效果。李望 3 则以赤泥为原料制备聚合铝铁絮凝剂,实验结果表明,该絮凝剂能对高浊度废水进行有效处理。这些研究都说明了絮凝剂是处理污水较为有效的方法,但这些方法处理污水时,存在投药量大、絮凝效果不佳的问题,这就使得絮凝剂还有发展的空间。针对以上问题,张昊4提出用具备一定去污效果的淀粉为基础材料,制备一种去污能力更大的絮凝剂
2、。但在张昊的研究中,受淀粉自身特性的影响,制备的絮凝剂絮凝效果不佳。本实验在以上实验的基础上,对污水絮凝剂进行进一步研究,以期得到一种优化性能的絮凝剂。1实验部分1.1试剂与设备Na2SiO3(AR 孟乔化工);3-氯 2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTMA)(AR 远达新材料);玉米淀粉(食品级 大魁化工);无水乙醇(创世化工)、H2SO4(明辉环保科技)、丙酮(润丰合成科技)、AgNO3(银兴实业),均为分析纯。阳离子淀粉-聚硅酸复合絮凝剂制备及污水处理性能王虹,方树林(北京新源智慧水务科技有限公司,北京 100048)摘要:针对传统无机絮凝剂投药量大、絮凝效果不佳的问题,提出一种高效的阳离
3、子淀粉-聚硅酸复合絮凝剂的制备,并对其絮凝性能进行测试。实验结果表明,絮凝剂优化配比为:水溶剂用量为 10mL,3-氯 2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTMA)用量为 4mL,紫外光强度为 32.5mW cm-2,阳离子改性淀粉与聚硅酸的质量比为 4 2,紫外光引发时间为 2h,m阳 离子改性淀粉 m醚化剂=4 4.5,醚化 3h。以此条件制备的复合絮凝剂在投加量为5mg L-1时对污水除浊效果最好,除浊率达到了 98.6%。关键词:污水处理;除浊率;复合絮凝剂;阳离子改性淀粉中图分类号:TQ 424文献标识码:APreparation of cationic starch polysilica
4、te composite flocculant andits wastewater treatment performanceWANG Hong,FANG Shu-lin(Beijing Xinyuan Smart Water Technology Co.,Ltd.,Beijing 100048,China)Abstract:Aiming at the problems of large dosage and poor flocculation effect of traditional inorganic flocculant,a highly efficient cationic star
5、ch polysilicate composite flocculant was prepared and its flocculation performance was tested.The results showed that the optimal ratio of flocculant was as follows:the dosage of water solventwas 10mL,the dosage of 3-chloro-2-hydroxypropyl trimethylammonium chloride(CHPTMA)was 4mL,the UV intensity w
6、as 32.5mW cm-2,the mass ratio of cationic modified starch to polysilicate was 4 2,the UV initiation timewas 2h,mcationic modified starch metherifying agent=4 4.5,etherification was 3h.The compound flocculant prepared under this condition has the best turbidity removal effect when the dosage is 5mg L
7、-1.At this time,the turbidity removal rate offlocculant for sewage reaches to 98.6%.Key words:sewage treatment;turbidity removal rate;compound flocculant;cationic modified starchDOI:10.16247/ki.23-1171/tq.20230447收稿日期:2022-05-19作者简介:王虹(1988-),女,汉族,山西太原人,工程师,2011 年毕业于北京林业大学林产化工专业,大学本科,研究方向:环境工程,给排水工程
8、设计及研发和项目管理。通迅作者:方树林(1989-),男,汉族,江苏盐城人,工程师,2011 年毕业于长春理工大学环境科学专业,大学本科,研究方向:给排水工程设计及智慧水务。2023 年第 4 期Sum 331 No.4化学工程师ChemicalEngineer2023 年第 4 期2023 年第 4 期图 1水溶剂用量的影响Fig.1Effect of water solvent dosage51015202530806040200取代度/%H2O 溶剂用量/mL85-1 型磁力搅拌器(正玖机械设备);DHG-9030A 型电热鼓风干燥箱(国量仪器);iS5 型傅里叶红外光谱仪(米测科技);
9、DKS-16 型电热恒温水浴锅(锐雯仪器);EVO 18 型扫描电子显微镜(晟泽科技)。1.2实验方法1.2.1阳离子改性淀粉的制备(1)在一定量水中溶入一定量的玉米淀粉,充分搅拌混合均匀,在电热恒温水浴锅和磁力搅拌器作用下,将淀粉溶液加热糊化 60min。(2)加入一定量醚化剂 CHPTMA,充分搅拌后,在紫外光条件下反应一段时间。(3)加入无水乙醇,对混合物进行沉淀洗涤,通过丙酮将混合物提纯,在 50条件下烘干,产物为阳离子改性淀粉。1.2.2阳离子淀粉-聚硅酸复合絮凝剂的制备(1)将一定量的 Na2SiO3完全溶于蒸馏水中,并用不同浓度的 H2SO4溶液将 Na2SiO3溶液的 pH 值
10、调至 5.56 范围内。(2)将 Na2SiO3溶液置于恒温水浴锅中,充分搅拌,水浴温度和搅拌时间分别为 25和 5min,水浴一段时间,得到聚硅酸。(3)阳离子改性淀粉与聚硅酸按照一定质量比混合均匀,然后将反应物置于持续通 N2环境,搅拌并进行紫外光处理。(4)用无水乙醇清洗反应物 4 次,然后在电热鼓风干燥箱中烘干,烘干温度为 50,最后用丙酮提纯。1.3性能测试1.3.1阳离子取代度测试通过莫尔法测定 Cl-含量,换算成体系阳离子化度得到反应的阳离子取代物 5。阳离子改性淀粉的反应式 6 如下:阳离子取代度表达式7如下:DS(%)=188.10.1(V-V0)1000m100%(1)式中
11、DS:阳离子取代度,%;V0、V:滴定空白溶剂和絮凝剂所用的 AgNO3体积,mL;188.1:醚化剂的相对分子质量;0.1:AgNO3标准溶液的摩尔浓度,mol L-1;m:样品质量,g。1.3.2除浊率测试用高岭土配制模拟污水,然后在模拟污水中投放絮凝剂,观察絮凝剂对模拟污水的除浊效果8。1.3.3傅里叶红外光谱测试用傅里叶红外光谱仪在 4004000cm-1范围内扫描。1.3.4扫描电镜分析用电子扫描显微镜观察待测样品形貌9。2结果与讨论2.1阳离子淀粉制备工艺优化2.1.1水溶剂用量优化图 1 为水溶剂用量对阳离子取代度的影响。由图 1 可见,随水溶剂用量的增加,阳离子改性淀粉取代度表
12、现出缓慢下降的趋势。但在实验过程中,较少的水溶剂可能造成淀粉与醚化剂混合不均匀,无法充分进行反应。后期进行紫外光处理和烘干处理时,可能将淀粉烤焦,因此,要求水溶剂用量不能过少。由图 1 还可以看出,水溶剂用量为 15mL 时,阳离子改性淀粉取代度出现反常现象,这可能是因为搅拌不均匀,醚化剂与淀粉接触不完全导致的10。从固液比和阳离子改性淀粉取代度方面考虑,选择适合的水溶剂用量为 10mL。2.1.2醚化剂 CHPTMA 用量的影响为了探究实验过程中醚化剂 CHPTMA 用量对阳离子改性淀粉的影响,在只改变 CHPTMA 用量的条件下,考察阳离子改性淀粉取代度的变化,结果见图 2。N(CH3)3
13、+H2CCHCH2ClH2CCHCH2N+(CH3)3Cl-OO图 2CHPTMA 用量的影响Fig.2Effect of CHPTMA dosage12345670656055504540353025取代度/%CHPTMA 用量/mL王虹等:阳离子淀粉-聚硅酸复合絮凝剂制备及污水处理性能482023 年第 4 期由图2可见,醚化剂用量对提高改性阳离子取代度有积极的作用11,12。但过量的醚化剂可能会对淀粉的溶解造成一些影响,因此,考虑淀粉的溶解和阳离子改性淀粉的取代度,选择适宜的CHPTMA用量为4mL。2.1.3紫外光强度的影响紫外光是辅助醚化剂与淀粉反应的重要条件之一,适合的紫外光强度能
14、使醚化剂与淀粉充分反应,得到较高取代度的阳离子改性淀粉。为探究适合的紫外光强度,在只改变紫外光强度的条件下,考察阳离子改性淀粉取代度的变化,结果见图 3。由图 3 可见,随紫外光强度的增加,阳离子改性淀粉的取代度表现出上升趋势。在紫外光强度为15.5 和 22.5mW cm-2时,阳离子改性淀粉替代度为平台期。继续增加紫外光强度,取代度也慢慢上升,考虑紫外光过强造成的影响,选择紫外光强度为32.5mW cm-2。2.2阳离子改性淀粉与聚硅酸配合比的优化阳离子改性淀粉与聚硅酸质量比是影响复合絮凝剂絮凝性能的重要因素,在确定阳离子改性淀粉的最佳制备工艺后优化配比,阳离子取代度的变化见图 4。由图
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