陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑對(duì)高嶺土懸浮液的絮凝處理*

王香愛，張洪利,葛子龍

(渭南師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(TA)：自制；聚合三氯化鋁(PAC)：工業(yè)品，玉米淀粉：工業(yè)品，NaOH：AR，無水甲醇：AR，HCl：AR，無水乙醇：AR，西安化學(xué)試劑廠，高嶺土：CP，河北紅鑫礦產(chǎn)品加工廠。

JJ-1精密增力攪拌器：上海雷磁儀器廠；PB-10型pH計(jì)：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；WGZ-1數(shù)字濁度儀：上海珊科儀器廠；Acculab電子分析天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司；秒表：上海秒表星鉆秒表有限公司。

1.2 陽離子淀粉的合成

1.2.1 反應(yīng)機(jī)理[6]

其中，反應(yīng)式(1)和(2)為陽離子淀粉的生成反應(yīng)，反應(yīng)式(3)和(4)為陽離子化試劑和陽離子淀粉在堿性條件下的水解反應(yīng)[7]。

1.2.2 陽離子淀粉的制備

稱取一定量氫氧化鈉于500 mL的燒杯中，加水進(jìn)行溶解，冷卻后加入醚化劑(CTA)并攪拌均勻，反應(yīng)10 min后加入100 g玉米淀粉在室溫下攪拌1 h，在熱水浴中預(yù)干燥至淀粉含水量降至約14%，壓碎混合均勻，置于一密閉容器中放置到恒溫烘箱中，在溫度60～70 ℃下反應(yīng)4 h，得到干的白色固體粗產(chǎn)品，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%乙酸溶液浸泡，過濾，洗滌，真空干燥得白色粉末狀季銨型高取代度陽離子淀粉。

1.2.3 陽離子淀粉的表征

用IRPRESTIGE-21(200VCE)型紅外光譜儀對(duì)陽離子淀粉進(jìn)行了表征，結(jié)果見圖1。

σ/cm-1圖1 陽離子淀粉的紅外光譜圖

由圖1可以看出，在3 426 cm-1有O—H的吸收峰，1 014 cm-1有醚鍵的吸收峰，1 220 cm-1為C—N吸收峰，表明淀粉已接上了陽離子基團(tuán)。

1.3 陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑對(duì)高嶺土懸浮液的絮凝實(shí)驗(yàn)

1.3.1 配置ρ(陽離子淀粉)=1 g/L溶液

準(zhǔn)確稱取1 g陽離子淀粉于小燒杯中，加100 mL蒸餾水使其溶解，轉(zhuǎn)入1 000 mL的容量瓶中，用少量的蒸餾水洗滌小燒杯數(shù)次，將洗滌液一并轉(zhuǎn)入1 000 mL的容量瓶中，然后用蒸餾水稀釋到刻度，搖勻，待用。

1 3.2 配置ρ(聚合三氯化鋁)=1 g/L的溶液

用相同的方法配置1 g/L的聚合三氯化鋁溶液。

1.3.3 絮凝性能的測(cè)定

在2 L的燒杯中,分別加入高嶺土5 g,加水1 L,攪拌均勻后按一定質(zhì)量配比加入陽離子淀粉溶液和聚合三氯化鋁溶液，調(diào)整變速攪拌器以120 r/min的轉(zhuǎn)速快速攪拌10 min，轉(zhuǎn)速降至30 r/min繼續(xù)慢攪15 min，記錄沉降時(shí)間，取上清液測(cè)其濁度。

2 結(jié)果與討論

單獨(dú)使用PAC對(duì)高嶺土懸浮液進(jìn)行絮凝處理，最佳條件：PAC用量為100 mg/L，沉降時(shí)間為4 h，pH = 7。在此條件下，高嶺土懸浮液的濁度降為40。

2.1 陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的添加量對(duì)高嶺土懸浮液的絮凝性能的影響

取7個(gè)2 L的燒杯，分別加入高嶺土5 g,加水1 L，攪拌均勻。固定陽離子淀粉溶液的用量5 mg，pH=7,沉降時(shí)間30 min,改變m(PAC)∶m(陽離子淀粉)。不同配比的陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑對(duì)高嶺土懸浮液絮凝性能的影響見表1。

表1 聚合三氯化鋁和陽離子淀粉的配比對(duì)高嶺土懸浮液的絮凝性能的影響

由表1可以看出,濁度值隨m(PAC)∶m(陽離子淀粉)的比例增大而減小,當(dāng)m(PAC)∶m(離子淀粉)=10∶1時(shí),濁度降為最小27,當(dāng)加入量繼續(xù)增大時(shí),濁度值有所回升。一方面，陽離子淀粉的架橋作用使得污水雜質(zhì)吸附在其活性基團(tuán)上形成卷掃作用,從而攜帶其它的雜質(zhì)顆粒一同下沉；另一方面PAC具有高的正電荷，當(dāng)ρ(PAC)在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，其正電荷增多使得污水中的負(fù)離子可以被充分中和，有助于復(fù)合絮凝劑快速、充分地同膠體物質(zhì)碰撞、脫穩(wěn)、凝聚、絮凝效果增加,但質(zhì)量濃度過高時(shí)絮凝效果反而下降,這是由于顆粒表面被過多的絮凝體所飽和，顆粒表面已無吸附空位，而使絮凝劑失去架橋作用，同時(shí)由于高分子吸附膜的空間位阻效應(yīng)，使顆粒間互相排斥，顆粒又重新處于穩(wěn)定分散狀態(tài)，從而絮凝效果下降。m(PAC)∶m(陽離子淀粉)的最佳配比為 10∶1。

2.2 沉降時(shí)間對(duì)陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的絮凝性能的影響

取7個(gè)2 L的燒杯，分別加入高嶺土5 g,加水1 L,攪拌均勻。固定陽離子淀粉的用量5 mg，m(PAC)∶m(陽離子淀粉)=10∶1，pH=7,改變沉降時(shí)間。沉降時(shí)間對(duì)陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的絮凝性能的影響見表2。

表2 沉降時(shí)間對(duì)陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的絮凝性能的影響

由表2 可以看出隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng),濁度值由大變小,這是因?yàn)殛栯x子淀粉和PAC均帶有正電荷，通過靜電吸引和吸附，將水中的粒子凝聚成絮體。所以聚體達(dá)到一定體積后沉降，時(shí)間的延長(zhǎng)有利于絮凝劑充分與膠體物質(zhì)碰撞所以濁度減小。當(dāng)沉降時(shí)間為30 min時(shí)，懸浮液的濁度降至最小值22.5，再延長(zhǎng)沉降時(shí)間，濁度值反而增大。這是由于當(dāng)沉降時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，陽離子淀粉和PAC所帶的正電荷與懸浮液中微粒所帶的負(fù)電荷達(dá)到靜電平衡[7]，使絮團(tuán)表面缺少相應(yīng)的吸附點(diǎn),同時(shí)，由于空間位阻作用和架橋吸附不穩(wěn)定的膠粒會(huì)重新分散到溶液中，所以濁度值反而增大。最佳沉降時(shí)間為 32 min。

2 3 pH值對(duì)陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的絮凝效果的影響

取7個(gè)2 L的燒杯，分別加入高嶺土5 g,加水1 L,攪拌均勻。固定陽離子淀粉的用量5 mg，m(PAC)∶m(陽離子淀粉)=10∶1，沉降時(shí)間32 min，改變pH(用1 mol/L的NaOH或H2SO4調(diào)節(jié)pH)。pH值對(duì)陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的絮凝效果的影響見表3。

表3 pH值對(duì)陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的絮凝性能的影響

表3看出，隨著pH的增加，濁度值由大變小，pH =9時(shí)濁度值最小為3.1，當(dāng)pH>9時(shí)，濁度值增大。即在弱堿性條件下，陽離子淀粉復(fù)合絮凝劑的絮凝效果較好。這是因?yàn)橐环矫婢酆箱X鹽是從Al3+鹽到Al(OH)3之間的一系列亞穩(wěn)態(tài)物，一般是三鋁到十三鋁的羥基絡(luò)合物，只要條件稍有變化，就會(huì)出現(xiàn)脫穩(wěn)現(xiàn)象，即產(chǎn)生絮凝。許多學(xué)者認(rèn)為Al13([Al13O4(OH)24(H2O)12]7+)帶有高的正電荷和較強(qiáng)的架橋能力，在絮凝過程中較穩(wěn)定，是聚合氯化鋁混凝的有效成分。而聚合三氯化鋁在強(qiáng)酸性條件下以單體形式Al3+存在，在強(qiáng)堿性條件下則生成Al(OH)3沉淀，均降低了聚鋁的有效成分Al13([Al13O4(OH)24(H2O)12]7+)[8]。另一方面，pH值過低時(shí),體系中正電荷增多，會(huì)排斥陽離子淀粉的正電荷,導(dǎo)致絮凝效果下降；pH過高時(shí),體系中負(fù)電荷增多，會(huì)中和陽離子淀粉的正電荷，而且陽離子淀粉在堿性條件下水解為3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨[6]而部分失效,甚至使已經(jīng)形成的絮體重新變成膠體[9],失去絮凝效果。pH=9時(shí)效果最好。

3 結(jié) 論

以自制的陽離子淀粉與聚合三氯化鋁復(fù)配使用對(duì)高嶺土懸浮液的絮凝處理，最佳實(shí)驗(yàn)條件為：陽離子淀粉為用量為5 mg/L,m(PAC)∶m(陽離子淀粉)=10∶1，沉降時(shí)間為32 min，pH=9。在該條件下，高嶺土懸浮液的濁度值可降至3.1。

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