【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。與此同時(shí)，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，用水量越來越大，對(duì)水質(zhì)要求也越來越高，工業(yè)廢水和生活污水的排放量也越來越多。我國每年污水的排放量達(dá)到 600 億噸 [4]，面對(duì)如此嚴(yán)峻的形勢(shì)，有效處理廢水和再生水資源是緩解水荒極其重要的途徑 。而且在很多地方，并不是沒有水，而是水質(zhì)不合用，因此迫切要求進(jìn)行水質(zhì)處理，并且要求廢水處理必需達(dá)到一定的量。 水處理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵取決于水處理技術(shù)和水處理藥劑的發(fā)展，尤其是對(duì)水處理藥劑 要求不僅效果好，而且要對(duì)水質(zhì)沒有二次污染。水處理的主要任務(wù)是改善水質(zhì)，研究與開發(fā)良好的水處理藥劑是提高水處理效果、從根本意義上改善水質(zhì)的重要手段之一，其中絮凝劑是水處理中應(yīng)用最多的水處理藥劑 [5]。 絮凝劑的分類及研究應(yīng)用現(xiàn)狀 絮凝劑又稱沉降劑，是一類可使溶液中不易沉降的固體懸浮顆粒凝集、沉淀的物質(zhì)。目前絮凝沉降技術(shù)己被廣泛應(yīng)用于給水、廢水處理和污泥脫水等領(lǐng)域，絮凝效果主要取決于絮凝劑種類 [6]。絮凝劑分類的方法很多。按組成不同，一般可分為無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑以及近年來興起的生物絮凝劑；若根據(jù)分子量 的高低、官能團(tuán)的特性及官能團(tuán)離解后所帶電荷的性質(zhì)，可分為高分子、低分子、陽離子型、陰離子型和非離子型絮凝劑等等，如表 所示。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類生活水平的提高，人們對(duì)水質(zhì)提出了越來越高的要求。這自然推動(dòng)了水處理技術(shù)科學(xué)的飛速發(fā)展。用于水處理的傳統(tǒng)絮凝劑都是低分子的無機(jī)鹽類，由于其存在投量大、處理效果差等問題，已逐漸被高分子絮凝劑所替代。高分子絮凝劑以其良好的絮凝效果、較強(qiáng)的除濁脫色能力和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代水處理應(yīng)用中的主流絮凝劑。高分子絮凝劑主要有無機(jī)高分子絮凝劑、有機(jī)高分子絮凝劑和生物絮凝 劑三個(gè)大類。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 表 絮凝劑 品種 分類 無機(jī)絮凝劑 無機(jī)絮凝劑按金屬鹽可分為鋁鹽系及鐵鹽系 :按陰離子成分可分為鹽酸系和硫酸系 :按分子量可分為低分子系和高分子系 [7]，現(xiàn)分述如下。 (1)無機(jī)低分子絮凝劑 無機(jī)鹽類絮凝劑主要分為鋁鹽和鐵鹽，包括硫酸鋁、氯化鋁、硫酸鐵、氯化鐵等。它們存在很大的缺點(diǎn)：用于水處理時(shí)，無機(jī)低分子絮凝劑存在著成本高、腐蝕性大以及在某些場(chǎng)合凈水效果還不理想等缺點(diǎn) [8]，殘留在水中的鋁離子會(huì)導(dǎo)致二次污染；鐵離子本身有顏色，并對(duì)設(shè)備有腐蝕作用；投加量大，產(chǎn)泥量高，運(yùn)行費(fèi)用高．為克服二次污染及腐蝕設(shè)備問題，從 20 世紀(jì) 60 年代開始無機(jī)鹽聚合物的研究．使用無機(jī)鹽聚合物類絮凝劑效果好，殘留在水中的鋁、鐵離子少，而且易生產(chǎn)、價(jià)廉、使用范圍廣，在我國實(shí)際用量占絮凝劑總量的 80％以上。 （ 2）無機(jī)高分子絮凝劑 無機(jī)低分子絮凝劑在水處理過程中存在一些問題，如處理水中殘余離子濃度較大，影響水質(zhì)；絮體沉降速度相對(duì)較慢，有的還會(huì)使水體帶色。造成二次污染，為此出現(xiàn)了無機(jī)高分子絮凝劑。 無機(jī)高分子絮凝 劑是 20 世紀(jì) 60 年代以來在傳統(tǒng)的鋁鹽、鐵鹽低分子混凝劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要是聚鋁、聚鐵、聚硅酸及其復(fù)合物，它們的混合和反應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)絮凝劑要短，同時(shí)具有更好的電中和脫穩(wěn)和吸附架橋及網(wǎng)捕功能，更適合于接觸絮凝作用。 目前，國內(nèi)外對(duì)無機(jī)高分子絮凝劑的研究與應(yīng)用己有相當(dāng)規(guī)模，且種類繁多。它們都是鋁和鐵鹽的水解過程的中間產(chǎn)物與不同陰離子的結(jié)合體，是經(jīng)基多核絡(luò)合物或無機(jī)高分子化合物 [9]。主要包括簡(jiǎn)單的無機(jī)聚合物絮凝劑、改性的無機(jī)聚合物絮凝劑、復(fù)合無機(jī)聚合物絮凝劑。無機(jī)絮凝劑的共同特點(diǎn)是用量大、具有一定的腐蝕性和毒性、對(duì)環(huán)境有二次污染。 有機(jī)絮凝劑 有機(jī)絮凝劑主要依靠架橋作用使粒子沉降，故常常被稱為助凝劑 [10]。近幾十年來有毛龍飛：一種新型復(fù)合絮凝劑的制備和性能研究 4 機(jī)絮凝劑的發(fā)展十分迅速，現(xiàn) 多采用 無機(jī) /有機(jī)復(fù)合絮凝劑 以彌補(bǔ)單獨(dú)使用有機(jī)絮凝劑與無機(jī)絮凝劑的不足 ,來促進(jìn)有機(jī)高分子絮凝劑的作用 。有機(jī)高分子絮凝劑出現(xiàn)于 20世紀(jì) 50年代，它們應(yīng)用前途廣闊。與無機(jī)絮凝劑相比，有機(jī)高分子絮凝劑具有用量少、絮凝速度快、受共存鹽類、介質(zhì) pH值及環(huán)境溫度影響小、生成物泥量少、可具鏈狀、環(huán)狀等多種結(jié)構(gòu)、利于污染物進(jìn)入絮體、脫色性好等優(yōu)點(diǎn) [11]。 而天然類有機(jī)高分子絮凝劑又經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單的天然有機(jī)高分子絮凝劑到天然改性有機(jī)高分子絮凝劑的飛躍過程。 根據(jù)化學(xué)成分， 有機(jī)絮凝劑大體可分為合成類有機(jī)高分子絮凝劑和天然類有機(jī)高分子絮凝劑兩大類。 （ 1） 合成類有機(jī)高分子絮凝劑 從結(jié)構(gòu)上看，有機(jī)合成高分子絮凝劑以聚乙烯、聚丙烯類聚合物及其共聚物為主，其中聚丙烯酞胺類用量最大，占有機(jī)高分子絮凝劑的 80%左右 [12]。目前，國內(nèi)外有關(guān)陽離子型合成高分子絮凝劑的報(bào)導(dǎo)比較多，主要是季胺鹽類、聚胺鹽類以及陽離子型聚丙烯酞胺等，其中研究與應(yīng)用最多的是季胺鹽類 [1316]。它們均己研制成功并在工業(yè)水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。 目前的有機(jī)高分子絮凝劑產(chǎn)品以粉末型為主，存在溶解速度慢，作業(yè)時(shí)粉塵飛揚(yáng)的缺點(diǎn)。近年來開發(fā)出了乳液型高分子絮凝劑，其固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá) 30 一 40%，比傳統(tǒng)的水溶液型高分子絮凝劑高出很多。因其采用反相乳液聚合法制造，高分子粒徑可小至 一 5um，所以在水中的溶解分散速度快，只需 10~15min，易于在生產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化。目前乳液型高分子絮凝劑在美國的市場(chǎng)比例己占 70%左右，歐洲需求已達(dá) 30%，日本已有多家公司生產(chǎn)，市場(chǎng)比例約占 10%，而且需求量正逐年增加 [17]。 （ 2）天然類有機(jī)高分子絮凝劑 天然有機(jī)高分子絮凝劑包括碳水化合物類 (多聚糖類、淀粉類和單寧 )、殼聚糖和甲殼素類、微生物絮凝劑類等，目前其產(chǎn)量約占高分子絮凝劑總量的 20%左右 [18]。由于原料來源廣泛、價(jià)格低廉、無毒、絮凝效率高、易于生物降解和對(duì)生態(tài)環(huán)境無不良影響等優(yōu)點(diǎn)，所以天然高分子絮凝劑具有良好的應(yīng)用前景。 我國在有機(jī)高分子絮凝劑研制及應(yīng)用方面起步較晚，也取得了一定的成就，但在生產(chǎn)規(guī)模和工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量、品種和應(yīng)用上與國際先進(jìn)水平存在較大差距。國內(nèi)現(xiàn)在研究工作多偏重于實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)有機(jī)高分子絮凝劑在水中的形態(tài)特征、功能特性及絮凝作用機(jī)理等基礎(chǔ)方面進(jìn)行的系統(tǒng)研究比較少。只有在理論指導(dǎo)下進(jìn)行新型、復(fù)合型絮凝劑的開發(fā)和應(yīng)用，才能盡快縮短與國外的差距 [19]。 微生物絮凝劑 由于微生物絮凝劑不存在二次污染，具有使用安全、方便、絮凝效果好等特點(diǎn)，因此，其開發(fā)和應(yīng)用引人注目，前景極為廣闊。國外微生物絮凝劑的商 業(yè)化生產(chǎn)始于 20世紀(jì) 90年代，如紅平紅球菌及由此制成的 NOC1是目前發(fā)現(xiàn)的最佳微生物絮凝劑，具有很強(qiáng)的絮凝活性，廣泛用于畜產(chǎn)廢水、膨化污泥、有色廢水的處理 [20]。然而目前微生物絮凝劑的研究還處于菌種篩選的實(shí)驗(yàn)室研究階段，所用成本較高，一些工藝條件不太成熟，離工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。 微生物絮凝劑主要包括利用微生物細(xì)胞壁提取物的絮凝劑，利用微生物細(xì)胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑、直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑。微生物產(chǎn)生的絮凝劑物質(zhì)為糖蛋白、粘多糖、蛋白質(zhì)、纖維素、 DNA等高分子化合物，相對(duì)分子質(zhì)量在 105以上。微生物絮凝劑是利用生物技術(shù)，從微生物體或其分泌物提取、純化而獲安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 得的一種安全、高效，且能自然降解的新型水處理劑。由于微生物絮凝劑可以克服無機(jī)高分子和合成有機(jī)高分子絮凝劑本身固有的缺陷，最終實(shí)現(xiàn)無污染排放，因此微生物絮凝劑的研究正成為當(dāng)今世界絮凝劑方面研究的重要課題。 復(fù)合絮凝劑的發(fā)展趨勢(shì)及國內(nèi)外現(xiàn)狀 從化學(xué)組成上來看，復(fù)合絮凝劑大致上可以分為無機(jī)復(fù)合絮凝劑，有機(jī)復(fù)合絮凝劑及無機(jī)有機(jī)復(fù)合絮凝劑三大類，其中無機(jī)有機(jī)復(fù)合絮凝劑以其品種多樣化、性能多元化而占主導(dǎo)地位。無機(jī)有機(jī)復(fù)合絮凝劑的復(fù)配機(jī)理主要與其協(xié)同作用有關(guān)。一方面污水雜質(zhì)為無機(jī)絮凝劑所吸附，顆粒逐漸變大 。另一方面又通過有機(jī)高分子的橋連作用，利用有機(jī)高分子的活性基團(tuán)吸附膠體顆粒，從而網(wǎng)捕其它的雜質(zhì)顆粒一同下沉，起到優(yōu)于單一絮凝劑的絮凝效果。 在國內(nèi)，環(huán)境工作者對(duì)無機(jī) 合成有機(jī)絮凝劑和無機(jī) 天然有機(jī)絮凝劑也有一定的研究。 龍柱等 [21]人利用協(xié)同增效原理將聚 和氯化鋁與有機(jī)合成高分子復(fù)合，制得一種新型有機(jī)一無機(jī)復(fù)合高分子絮凝劑，處理造紙廢水，效果優(yōu)于單獨(dú)使用聚和氯化鋁。 孔愛平等 [22]人以殼聚糖（ CTS）和聚合氯化鋁鐵為原料，制備了聚合氯化鋁鐵 殼聚糖（ PAFCCTS）無機(jī)與有機(jī)復(fù)合絮凝劑，結(jié)果表明 : 通過正交試驗(yàn)確定 PAFCCTS 的最佳復(fù)合工藝條件，在除濁、除色、除 COD 中配比（ PAFC： CTS）為主要影響因素，且最佳PAFC： CTS 為 5： 1。在對(duì)城市生活污水的絮凝試驗(yàn)中，在最佳投加量為 34 mg L1，廢水水樣 pH 為 6～ 8 時(shí)，濁度去除率達(dá) 95%以上，色度去除率達(dá) 71%， COD 去除率最高達(dá)%。陸金仁等 [23]人制備了鎂鐵復(fù)合絮凝劑 (MFF),研究了其對(duì)印染廢水的處理效果 ,并與 MgCl PAC 和 PFS 進(jìn)行了比較。結(jié)果表明 MFF 在一定程度上結(jié)合了鎂鹽和 PFS 各自的優(yōu)點(diǎn) ,所能適應(yīng)的 pH 范圍廣 ,去除 COD 及脫色效果較好 ,形成污泥沉降性能好 ,綜合性能優(yōu)于 PFS、 PAC及鎂鹽。田澍等 [24]人以接枝共聚物殼聚糖季銨鹽 (PCD)和聚合氯化鋁 (PAC)為原料 ,制備了一種新型復(fù)合絮凝劑 PCDAC,并用于印染廢水的絮凝脫色，結(jié)果表明在pH 值 PCDAC 投 藥量 200 mg/L 條件下 ,濁度去除率和脫色率最高分別可達(dá) 98. 2%和 96. 1%。 國外很少有無機(jī) 有機(jī)復(fù)合絮凝劑的研究。但國外關(guān)于無機(jī)、有機(jī)絮凝劑復(fù)配使用的研究較多 ,而且絮凝劑的復(fù)配品種、搭配方式都比較多樣 ,同時(shí)對(duì)無機(jī)與有機(jī)之間的協(xié)同作用也進(jìn)行了研究。這些都給無機(jī) 有機(jī)復(fù)合絮凝劑的研究開辟了新的思路 ,具有一定的參考價(jià)值。 Entry 等 [25]將 PAM 分別與 A12(SO4)3和 CaO 連用 ,使牲畜廢水中的總大腸桿菌數(shù)和糞大腸桿菌數(shù)都減少了 30— 50%。對(duì)滲濾液中的 NH4+、正磷酸鹽和總磷也有一定的去除作用。 Aguilar 等 [26]以 Fe2(SO4)3作混凝劑 ,分別以陽離子 PAM、聚乙烯醇、聚丙烯酸、陰離子 PAM 等作助凝劑處理屠宰場(chǎng)廢水。其中 Fe2(SO4)3與陰離子 PAM 復(fù)合使用對(duì)顆粒物的去除率達(dá)到了 99%。在納米無機(jī)材料與有機(jī)絮凝劑的復(fù)合方面 ,Xiao等 [27]將 N三甲基丙基硅烷 N,N,N三甲基氯化胺在納米硅表面通過共價(jià)結(jié)合 ,生成季胺型納米硅絮凝劑。 本課題選題的目的和意義 污水是一種復(fù)雜、穩(wěn)定的分散體系，單一的絮凝劑往往無法滿足處理的需要，因此為了滿足水處理的需要，研發(fā)各種新型高效、低毒、特性和專屬型絮凝劑勢(shì)在必行。 絮凝技術(shù)（ flocculant technique）是目前國內(nèi)外普遍用來提高水質(zhì)處理的一種既毛龍飛：一種新型復(fù)合絮凝劑的制備和性能研究 6 經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)便的水處理方法，它被廣泛應(yīng)用于循環(huán)用水、工業(yè)廢水的處理及污泥脫水等過程 [28]。 絮凝劑是絮凝法水處理技術(shù)的核心。近年來，絮凝劑的開發(fā)從傳統(tǒng)無機(jī)絮凝劑發(fā)展到無機(jī)高分子絮凝劑、有機(jī)高分子絮凝劑。 無機(jī)鹽類絮凝劑主要分為鋁鹽和鐵鹽，包括硫酸鋁、氯化鋁、硫酸鐵、氯化鐵等， 它們存在很大的缺點(diǎn)：用于水處理時(shí)，無機(jī)低分子絮凝劑存在著成本高、腐蝕性大以及在某些場(chǎng)合凈水效果還不理想等缺點(diǎn) [8]，殘留在水中的鋁離子會(huì)導(dǎo)致二次污染 。 在水處理系統(tǒng)中 ,鋅鹽是一種常用的、極好的緩蝕劑 ,它成膜迅速 ,成本低 [29],因此 ,近兩年才出現(xiàn)的新型含鋅絮凝劑 ,具有安全無毒、無腐蝕等優(yōu)點(diǎn) [30]。無機(jī)小分子鋅鹽和鋁鹽在凈水過程中起著相似的絮凝作用，它們都能使水中的微細(xì)膠體凝聚成較大顆粒后共同沉降，使渾水變清。而且鋅鹽比鋁鹽的凝聚沉降速度更快，沉淀物含水率更低等，但是對(duì) COD 的去除和脫色等處理鋅鹽沒有鋁鹽好。 有機(jī)高分子具有以下優(yōu)點(diǎn)：（ 1）分子量高，絮凝效果好，對(duì)膠體物質(zhì)的吸附架橋能力強(qiáng)；（ 2）適用范圍廣，產(chǎn)品穩(wěn)定性好；（ 3）投加量少，產(chǎn)生的污泥量少。單獨(dú)使用有機(jī)絮凝劑時(shí)存在的缺點(diǎn)是合成工藝較復(fù)雜，最佳投藥范圍窄，水處理成本高 [31]。兩類絮凝劑各自存在優(yōu)缺點(diǎn)，二者在性能和成本上又具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，因此考慮將二者復(fù)配制成有機(jī) 無機(jī)復(fù)合絮凝劑，以克服各自缺點(diǎn)，強(qiáng)化效能，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。 所以將鋅鹽和鋁鹽 等無機(jī)低分子鹽類按一定的比例 與有機(jī)高分子絮凝劑 聚丙烯酰組合，配制出一種新型無機(jī) /有機(jī)復(fù)合絮凝劑，它將具有有機(jī)絮凝劑 和無機(jī)絮凝劑的作用，同時(shí)無機(jī)鹽部分還包含鋁鹽和鋅鹽的優(yōu)點(diǎn)，不僅 COD 和色度等去除率高，而且凝聚沉降快、沉淀物含水率低。 安徽工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第二章 實(shí)驗(yàn)材料、儀器及方法 化學(xué)試劑 主要試劑 如表 所示： 表 2. 1 試驗(yàn)藥劑 藥品名稱 分子式 型號(hào) （含量） 聚丙烯酰胺 》 10000000 非離子型 氯化鋅 ZnCl2 》 99% 氯化鋁 AlCl3 分析純 氯化鐵 分析純 硫脲 CH4N2S 》 99% 硫酸亞鐵銨 （ NH4） 2Fe(SO4) 分析