殼聚糖絮凝劑去除水源水濁度

胡文云，盧 樺

（武漢工業(yè)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430023）

0 引 言

高分子聚合物殼聚糖的分子結(jié)構(gòu)呈直鏈型，因其分子結(jié)構(gòu)中存在游離態(tài)的氨基，在稀酸溶液中很容易被質(zhì)子化，而使其分子鏈上帶上大量的正電荷，形成一種典型的陽離子型絮凝劑.在絮凝過程中，它表現(xiàn)電性中和絮凝和吸附架橋絮凝的雙重作用，即一方面是高分子鏈上的陽離子活性基團(tuán)與帶負(fù)電荷的膠體顆粒相互吸引，從而中和了膠體顆粒表面所帶負(fù)電荷，同時(shí)壓縮顆粒的擴(kuò)散層而使膠粒脫穩(wěn)，另一方面借助高分子鏈的吸附架橋作用而產(chǎn)生絮凝沉淀，可用于除去水中無機(jī)的懸浮固體.因此，殼聚糖作為一種絮凝劑用于處理工業(yè)廢水中的懸浮物成為研究的熱點(diǎn)［1－5］，但其作為絮凝劑用于水源水濁度處理的研究鮮見報(bào)道.筆者對此進(jìn)行了研究.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

NaOH（天津市富祿化工試劑廠）.

稀鹽酸（信陽市化學(xué)試劑廠）.

蝦皮（市售）.

TA6型系列程控混凝試驗(yàn)攪拌儀（武漢恒嶺科技有限公司）.

LP2000－11型數(shù)顯濁度儀（北京哈納科儀科技有限公司）.

pH－2型酸度計(jì)（美國奧立龍）.

微波消解爐（型號MS－3國家環(huán)境保護(hù)總局華南科學(xué)研究所華南環(huán)境科技開發(fā)公司）尺寸306 mm×510mm×360mm.

紅外光譜測定儀（FT＿IR200傅立葉變換紅外光譜儀）.

1.2 殼聚糖絮凝劑的制備

將蝦皮洗凈，用稀HC1脫鈣后，置于濃堿溶液中直接用微波作用，一步脫去乙?；偷鞍踪|(zhì)，制備殼聚糖.主要過程是：以脫鈣蝦皮為原料，在質(zhì)量濃度為40%左右的NaOH溶液中浸泡及微波作用下，一步實(shí)現(xiàn)脫蛋白質(zhì)和乙?；?在適當(dāng)條件下，脫鈣蝦皮在微波作用下反應(yīng)15min，可制得脫乙酰度高的殼聚糖［6－9］.然后用稀醋酸溶液配制成0.2%的殼聚糖溶液作為絮凝劑.

1.3 實(shí)驗(yàn)用水

以長江武漢段（7月份）水源水作為實(shí)驗(yàn)用水，原水水質(zhì)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)用水原水水質(zhì)Table 1 The water analysis of drinking water source

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜表征

用微波消解法制備的殼聚糖經(jīng)紅外光譜測試儀器測得其紅外光譜圖如圖1所示，并與標(biāo)準(zhǔn)殼聚糖紅外光譜對照.

圖1 殼聚糖的紅外光譜圖Fig.1 The infrared spectroscopy of chitosan

殼聚糖標(biāo)準(zhǔn)紅外譜在3446、2920、1665 cm－1出現(xiàn)殼聚糖特征吸收峰，而本實(shí)驗(yàn)制備的殼聚糖共聚物的紅外光譜如圖1.與標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖對照發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)制備得到的殼聚糖與標(biāo)準(zhǔn)相差無幾.

2.2 混凝劑投加量對除濁效果的影響

在室溫，設(shè)定混合轉(zhuǎn)速為130r／min，混合時(shí)間為30s，反應(yīng)轉(zhuǎn)速為30r／min，反應(yīng)時(shí)間為10min，沉淀時(shí)間為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察殼聚糖絮凝劑的投加量對濁度去除效果的影響，結(jié)果如圖2所示.

圖2 殼聚糖絮凝劑的投加量對濁度去除效果的影響Fig.2 The effect of dosage of coagulant on turbidity removal result

由圖2可看出，隨著絮凝劑投加量的增加，水源水的濁度去除率快速增加，當(dāng)絮凝劑的投加量達(dá)到3.0mL／L時(shí)，上清液濁度去除率達(dá)到90%，表現(xiàn)出最好的去除效果，這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，投藥量越多，藥劑與懸浮顆粒接觸越充分，吸附電中和和吸附架橋作用也越明顯，因此絮凝效果增強(qiáng).以后隨著絮凝劑用量的增加，濁度去除率又有所下降.

2.3 水樣pH值對除濁效果的影響

在室溫，設(shè)定混合轉(zhuǎn)速為130r／min，混合時(shí)間為30s，反應(yīng)轉(zhuǎn)速為30r／min，反應(yīng)時(shí)間為10min，投加量為3mL／L，沉淀時(shí)間為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察水樣pH值對濁度去除效果的影響，結(jié)果如圖3.

圖3 水樣pH值對濁度去除效果的影響Fig.3 The effect of pH on turbidity removal result

由圖3所示，當(dāng)pH＜8時(shí)，隨著pH值升高，濁度去除率快速增加，這是因?yàn)?，?dāng)pH小于8的時(shí)候，隨著溶液中的OH－濃度的提高，水解產(chǎn)物之間發(fā)生羥基架橋聚合反應(yīng)，生成不同聚合度的高電荷絡(luò)離子，另一方面，在此pH值范圍內(nèi)，聚合度極大的中性殼聚糖羥基占絕對優(yōu)勢，膠體間發(fā)生了沉淀物網(wǎng)捕作用，所以絮凝效果增強(qiáng).隨著pH的繼續(xù)升高，濁度去除率反而下降，這是因?yàn)檫_(dá)到最佳pH后，繼續(xù)增加pH值，此時(shí)水中大量的OH－會極力地排斥這些負(fù)離子，使膠體出現(xiàn)再穩(wěn)現(xiàn)象，因而絮凝效果變差.與此同時(shí)，生成的多核聚合物又會繼續(xù)水解，因此隨著pH的升高，絮凝效果變差.

2.4 混合轉(zhuǎn)速對濁度去除效果的影響

在室溫，混合時(shí)間設(shè)定為30s，反應(yīng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為30r／min，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為10min，投加量為3mL／L，pH值調(diào)為8，沉淀時(shí)間設(shè)定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察混合階段轉(zhuǎn)速對水源水濁度去除效果的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 混合階段轉(zhuǎn)速對濁度去除效果的影響Fig.4 The effect of mix－speed on turbidity removal result

圖4表明，開始時(shí)隨混合階段轉(zhuǎn)速的增大，處理水上清液的濁度去除率快速增加.當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到130r／min時(shí)，上清液的濁度去除率最高達(dá)到86.5%，此時(shí)表現(xiàn)出最佳絮凝效果.此后，隨著混合階段轉(zhuǎn)速的不斷增大，濁度去除率又出現(xiàn)較快的下降趨勢.這是因?yàn)樵谝欢ㄞD(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越大，絮凝劑與水中懸浮顆粒接觸碰撞越充分，因而絮凝效果越好.當(dāng)達(dá)到最佳混合轉(zhuǎn)速后，繼續(xù)增加混合階段轉(zhuǎn)速，濁度去除率反而呈下降趨勢，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速過大，使得已經(jīng)形成的絮體因強(qiáng)烈的剪切而打碎，不易沉淀，所以絮凝效果變差［10］.

2.5 混合時(shí)間對濁度去除效果的影響

室溫，混合轉(zhuǎn)速設(shè)定為130r／min，反應(yīng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為30r／min，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為10min，投加量為3mL／L，pH值調(diào)為8，沉淀時(shí)間設(shè)定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察混合時(shí)間對濁度去除效果的影響，結(jié)果如圖5所示.

圖5 混合時(shí)間對濁度去除效果的影響Fig.5 The effect of mix－time on turbidity removal result

由圖5可見，開始時(shí)隨著混合時(shí)間的延長，處理水上清液的濁度去除率不斷增加，當(dāng)混合時(shí)間達(dá)到30s時(shí)，上清液的濁度去除率達(dá)到最大，此時(shí)濁度去除率為91.1%，此時(shí)絮凝效果表現(xiàn)最好.隨著混合時(shí)間繼續(xù)延長，濁度去除率出現(xiàn)不斷下降.這是因?yàn)樵谝欢ǖ幕旌蠒r(shí)間范圍內(nèi)，混合時(shí)間越長，絮凝劑與廢水接觸越充分，混合越均勻，因而絮凝效果增強(qiáng).當(dāng)達(dá)到混合時(shí)間的最佳值后，繼續(xù)延長混合時(shí)間，濁度去除率反而下降，這是因?yàn)樵谶@段時(shí)間范圍內(nèi)，存在多余的混合時(shí)間，在這些多余時(shí)間內(nèi)，由于混合轉(zhuǎn)速較大，把剛形成的絮體打碎，從而降低了絮凝效果.

2.6 反應(yīng)轉(zhuǎn)速對濁度去除效果的影響

在室溫，混合轉(zhuǎn)速設(shè)定為130r／min，混合時(shí)間設(shè)定為30s，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為10min，投加量為3mL／L，pH值調(diào)為8，沉淀時(shí)間設(shè)定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察反應(yīng)轉(zhuǎn)速對濁度去除效果的影響，結(jié)果如圖6所示.

圖6 反應(yīng)轉(zhuǎn)速對濁度去除效果的影響Fig.6 The effect of react－speed on turbidity removal result

由圖6可見，隨著反應(yīng)轉(zhuǎn)速增大，濁度去除率先是快速增加，當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)速達(dá)到30r／min時(shí)，上清液濁度去除率最高為96.4%，此時(shí)絮凝效果最佳.其后隨著反應(yīng)階段轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，濁度去除率出現(xiàn)緩慢下降.這是由于在一定反應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)轉(zhuǎn)速的增大，絮體間的接觸碰撞機(jī)會增多，此時(shí)的轉(zhuǎn)速又不至于將形成的絮體打碎，因而絮凝效果增強(qiáng)［10］.當(dāng)達(dá)到最佳反應(yīng)轉(zhuǎn)速后，繼續(xù)增大反應(yīng)階段轉(zhuǎn)速，濁度去除率反而緩慢下降，這是由于反應(yīng)轉(zhuǎn)速過大，將已經(jīng)形成的絮體打碎，不利于沉淀，因而絮凝效果降低［10］.

2.7 反應(yīng)時(shí)間對濁度去除效果的影響

室溫，混合轉(zhuǎn)速設(shè)定為130r／min，混合時(shí)間設(shè)定為30s，投加量為3mL／L，pH值調(diào)為8，反應(yīng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為30r／min，沉淀時(shí)間設(shè)定為15min，水樣體積為1000mL的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對水源水濁度去除效果的影響，結(jié)果如圖7所示.

由圖7可見，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，處理水上清液的濁度去除率開始快速上升，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到15min時(shí)，上清液的濁度去除率最大，去除率達(dá)到96.4%，當(dāng)達(dá)到最佳反應(yīng)時(shí)間后，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，濁度去除率下降，這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間過長，反應(yīng)已經(jīng)結(jié)束，攪拌還在進(jìn)行，導(dǎo)致膠體再穩(wěn)，反而不易沉淀，因而絮凝效果變差.

2.8 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對前面的單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2.

圖7 反應(yīng)時(shí)間對濁度去除效果的影響Fig.7 The effect of react－time on turbidity removal result

表2 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)直觀分析計(jì)算表Table 2 The direct analysis and calculation of orthogonal experiment

由表2可見，最佳工藝組合為：投加量為3mL／L，pH為10，沉淀時(shí)間為25min，混合轉(zhuǎn)速為130r／min.

根據(jù)極差的大小分析可知，絮凝劑性能的影響因素主次順序?yàn)椋撼恋頃r(shí)間＞絮凝劑投加量＞pH＞混合轉(zhuǎn)速.

3 結(jié) 語

通過上述實(shí)驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論：

a.以蝦皮作為原料制取甲殼素后，用NaOH濃溶液浸泡，然后在微波作用下脫去乙?；偷鞍踪|(zhì)制得殼聚糖；選擇w（NaOH）＝40%，微波功率400W，一次微波法反應(yīng)時(shí)間10min，可得脫乙酰度較高的殼聚糖.

b.單因素實(shí)驗(yàn)考察了投加量、pH值、水力條件等影響因素.各因素的最佳取值分別為：0.2%的殼聚糖絮凝劑投加量為3mL／L，原水pH值調(diào)為8，混合階段轉(zhuǎn)速設(shè)定為130r／min，混合時(shí)間設(shè)定為30s，反應(yīng)階段轉(zhuǎn)速設(shè)定為30r／min，反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為15min，沉淀時(shí)間設(shè)定為15min.

c.通過L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，確定了該絮凝劑絮凝性能的最佳組合水平為：0.2%的殼聚糖絮凝劑最佳投加量為3mL／L，最佳pH值為10，最佳混合轉(zhuǎn)速為130r／min，最佳沉淀時(shí)間為25min.各因素對混凝性能的影響大小為：沉淀時(shí)間＞投加量＞pH＞混合轉(zhuǎn)速.

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