納米三氧化二鋁與無機(jī)絮凝劑復(fù)配的絮凝實(shí)驗(yàn)

蔡 靖，盧勃如，王澤甲（ 燕京理工學(xué)院化工與材料工程學(xué)院，河北 廊坊 065201）

環(huán)保與三廢利用

納米三氧化二鋁與無機(jī)絮凝劑復(fù)配的絮凝實(shí)驗(yàn)

蔡 靖，盧勃如，王澤甲
（ 燕京理工學(xué)院化工與材料工程學(xué)院，河北 廊坊 065201）

為了提高單一無機(jī)絮凝劑的污水處理效果，將納米三氧化二鋁（nano-Al2O3）與聚合氯化鋁（PAC）、三氯化鐵（FeCl3）進(jìn)行了復(fù)配絮凝實(shí)驗(yàn)，并對(duì)復(fù)配絮凝劑處理城市生活污水的絮凝性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，復(fù)配絮凝劑的COD去除率為88.3%，比PAC、FeCl3單獨(dú)處理時(shí)分別提高了51.7%、64.7%，脫色率為88.5%，比PAC提高了65.4%，沉降時(shí)間比PAC減少了74.1%，污泥體積比PAC、FeCl3分別減少了30.2%、38.0%， 出水pH值為6.8，處理優(yōu)勢(shì)較明顯；但也存在氨氮去除率低等不足，需要進(jìn)一步研究改善。

納米三氧化二鋁；復(fù)配；聚合氯化鋁；三氯化鐵；絮凝

絮凝法是水處理中操作最簡(jiǎn)單、應(yīng)用最廣泛的方法。該方法是在絮凝劑的作用下，去除水體中的溶膠和懸浮體，包括有機(jī)物、無機(jī)物和其它一些溶解性物質(zhì)［1］。因此，絮凝劑是決定絮凝處理效果的關(guān)鍵，研發(fā)新型高效的絮凝劑一直是水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近年來，納米技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用研究發(fā)展迅速。研究表明，納米材料高的表面活性、高表面能和高的比表面積使其具有吸附和強(qiáng)化絮凝的功能［2-8］。以此為理論依據(jù)，在一定的實(shí)驗(yàn)室條件下，將少量的納米三氧化二鋁（nano-Al2O3）與無機(jī)絮凝劑聚合氯化鋁（PAC）、三氯化鐵（FeCl3）進(jìn)行了復(fù)配，并對(duì)復(fù)配絮凝的方式進(jìn)行了優(yōu)化。最后，對(duì)優(yōu)化后的復(fù)配絮凝劑的污水處理效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了該復(fù)配絮凝劑的優(yōu)勢(shì)與不足。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)器材

主要材料：nano-Al2O3（粒徑10nm）、固體PAC、固體FeCl3。

主要儀器：XJ-Ⅲ型COD消解裝置、721型分光光度計(jì)、光電分析天平（感量0.0001g）、JHS-1型電子恒速攪拌器、粉碎機(jī)（轉(zhuǎn)速12000r·min-1）、CH1006恒溫水浴鍋、秒表及其它成套玻璃容器。

1.2實(shí)驗(yàn)水樣

水樣來源于北京市海淀區(qū)小月河河水，為城市生活污水。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1燒杯絮凝實(shí)驗(yàn)

取水樣500mL置于1L的燒杯中，快速攪拌（轉(zhuǎn)速為300r·min-1）投加絮凝劑，反應(yīng)1min后，改變攪拌速度為50r·min-1，再攪拌10min，最后靜置20min，于距上清液面約2cm處吸取上清液測(cè)定指標(biāo)。每個(gè)水樣分別進(jìn)行3次平行處理，結(jié)果取均值。

1.3.2絮凝劑的復(fù)配方法

1）PAC與nano-Al2O3的優(yōu)化復(fù)配。首先用粉碎機(jī)將固體PAC充分粉碎，再與nano-Al2O3在粉碎機(jī)中進(jìn)行充分粉碎混合，得到的混合粉末作為溶質(zhì)，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的液體復(fù)合絮凝劑（以原品質(zhì)量計(jì)）。將上述配制好的液體復(fù)合絮凝劑在60℃左右的恒溫水浴中，以100r·min-1的轉(zhuǎn)速用電子恒速攪拌器攪拌20min，得到處理過的液體復(fù)合絮凝劑［9-11］。通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化該復(fù)配方式，將參數(shù)優(yōu)化后的液體復(fù)合絮凝劑命名為復(fù)配絮凝劑1#，并應(yīng)用于下一步復(fù)配中。

2）FeCl3與復(fù)配絮凝劑1#進(jìn)行優(yōu)化復(fù)配。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的液體FeCl3和質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%復(fù)配絮凝劑1#按總投加量120mg·L-1分別同時(shí)投加，改變FeCl3的投加量，從30mg·L-1起以10mg·L-1的幅度遞增，進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果確定FeCl3和復(fù)配絮凝劑1#兩者較好的質(zhì)量配比，并將該配比的復(fù)配絮凝劑命名為復(fù)配絮凝劑2#。

1.4測(cè)定指標(biāo)及方法

COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，濁度采用分光光度法測(cè)定，氨氮采用納氏試劑光度法測(cè)定［12］，色度去除率（脫色率）采用分光光度法計(jì)算［13］，污泥體積采用量筒測(cè)定絮凝沉淀30min時(shí)產(chǎn)生絮體的體積，沉降時(shí)間采用測(cè)定絮體高度達(dá)到3.2cm時(shí)所用的時(shí)間，pH值采用pH計(jì)測(cè)定。

2　結(jié)果與分析

2.1優(yōu)化 PAC與nano-Al2O3復(fù)配條件的正交實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)研究表明，PAC與nano-Al2O3的復(fù)配條件不同，處理效果不同。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，PAC與nano-Al2O3的質(zhì)量組成、水浴溫度、混合攪拌復(fù)合時(shí)間是影響復(fù)合絮凝劑COD去除率的主要因子，所以選用3因子3水平的正交表L9（34）安排實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)的因子與水平見表1，具體的實(shí)驗(yàn)方案見表2。

表1　影響因子水平表Table 1 Table of influence Factor Level

表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各因子的級(jí)差大小關(guān)系為RA＞RB＞RC，說明兩者質(zhì)量組成對(duì)COD去除率影響最大，溫度、攪拌時(shí)間的影響較小，最佳復(fù)配參數(shù)為A3B2C1，即首先將PAC粉末與nano-Al2O3粉末用粉碎機(jī)進(jìn)行充分混合后，再配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的液體復(fù)合絮凝劑（質(zhì)量組成為85%+15%），然后將該液體在60℃的恒溫水浴中，以100r·min-1的轉(zhuǎn)速用電子恒速攪拌器攪拌20min，將這種方法得到的液體復(fù)合絮凝劑命名為復(fù)配絮凝劑1#。下面對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行具體分析。

1）PAC與nano-Al2O3的質(zhì)量百分組成中，85%+15%為最佳水平，且因子對(duì)COD的去除效果影響最大，說明納米材料的含量決定處理效果，機(jī)理就是納米材料的強(qiáng)化絮凝作用。

表2　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析L9（34）Table 2 Results and analysis of orthogonal experiment

2）反應(yīng)溫度中，“水熱法”復(fù)合PAC與nano-Al2O3的最佳水平為水浴溫度60℃。溫度太低，兩者復(fù)合不易形成可能存在的化學(xué)鍵，溫度太高又易使分子揮發(fā)和分解，降低有效成分含量。溫度在50～70℃范圍內(nèi)改變時(shí)，對(duì)絮凝劑的COD去除率影響很小，級(jí)差RB只有1.5%，說明在此溫度范圍內(nèi)，“水熱法”均可減少納米粒子團(tuán)聚［14］，較好地提高處理效果。

3）混合攪拌復(fù)合時(shí)間的影響很小，級(jí)差RC只有0.9%，實(shí)驗(yàn)中的最佳水平是20min。原因如下：液體露置于空氣中，如高溫下攪拌時(shí)間過長(zhǎng)，容易造成有效成分的揮發(fā)、分解，從而影響處理效果。

2.2FeCl3與復(fù)配絮凝劑1#的復(fù)配絮凝

研究表明，F(xiàn)eCl3與PAC之間存在著協(xié)同效應(yīng)［15-16］。為了減少PAC和nano-Al2O3的用量，從而降低出水中的鋁殘留和生產(chǎn)成本，將FeCl3與復(fù)配絮凝劑1#進(jìn)行復(fù)配。實(shí)驗(yàn)方法見1.3中絮凝劑的復(fù)配方法（2），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。隨著FeCl3投加量的增加，絮凝處理效果和沉降性能的變化趨勢(shì)見表3。

表3　FeCl3的投加量對(duì)復(fù)配絮凝處理效果的影響Table3 Influence of FeCl3dosage on treatment efficiency of combinated flocculation

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）FeCl3和復(fù)配絮凝劑1#之間同樣存在協(xié)同效應(yīng)，兩者在一定的配比范圍內(nèi)，COD、濁度去除率均有所提高，當(dāng)同時(shí)投加70mg ·L-1的FeCl3、50mg·L-1的復(fù)配絮凝劑1#入水樣復(fù)配絮凝時(shí)，比復(fù)配絮凝劑1#單獨(dú)處理時(shí)，COD、濁度去除率分別提高3.2%、1.3%，出水COD為50.7mg·L-1，達(dá)到國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8987-1996）的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［17］。2）FeCl3去除色度和濁度的效果最好，脫色率、去濁率分別為92.1%、96.8%，沉降速度也是最快的。脫色率和沉降速度隨著FeCl3投加量的增加均不同程度地增加，同時(shí)投加70 mg·L-1的FeCl3和50mg·L-1的復(fù)配絮凝劑1#入水樣時(shí)，比復(fù)配絮凝劑1#單獨(dú)處理時(shí)脫色率提高了3.2%，沉降時(shí)間減少24.6%。但是濁度不符合這一規(guī)律，原因可能是：對(duì)懸浮體的去除，F(xiàn)eCl3與復(fù)配絮凝劑1#之間的協(xié)同作用使絮凝變得更復(fù)雜，但去濁率總體保持在95.0%以上，這與FeCl3本身很好的去濁性相關(guān)，同時(shí)協(xié)同效應(yīng)也在一定程度上提高了去濁率。3）污泥體積總體呈上升趨勢(shì)，復(fù)配絮凝劑1#單獨(dú)處理時(shí)最小。當(dāng)FeCl3含量≤70mg·L-1，污泥體積由11.3mL僅增加到13.1mL，增幅比較小。沉降時(shí)間總體呈下降趨勢(shì)，因鐵鹽的比重較大，F(xiàn)eCl3的引入較大程度提高了沉降速度。結(jié)果顯示，同時(shí)投加70mg·L-1的FeCl3和50mg·L-1的復(fù)配絮凝劑1#入水樣復(fù)配絮凝時(shí)，COD去除率、去濁率、脫色率分別為88.0%、96.3%、88.3%，沉降時(shí)間、污泥體積分別為1′38″、12.9mL ，均比較理想。此時(shí)復(fù)配絮凝劑的組分質(zhì)量配比為：58.33% FeCl3+35.42% PAC+6.25% nano-Al2O3，將其作為較好的參考組分比，命名該復(fù)配絮凝劑為復(fù)配絮凝劑2#。

2.3復(fù)配絮凝劑處理生活污水的絮凝性能分析

將PAC、FeCl3、復(fù)配絮凝劑1#、復(fù)配絮凝劑2#各自分別用于生活污水的處理，進(jìn)行絮凝燒杯實(shí)驗(yàn)，不同絮凝劑投加量均為120mg·L-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4　不同絮凝劑處理效果對(duì)比Table 4 Comparison of treatment effects of different flocculants

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）復(fù)配絮凝劑2#和單一無機(jī)絮凝劑相比，去除效果優(yōu)勢(shì)明顯。COD去除率、濁度去除率、脫色率分別為88.3%、96.5%、88.5%，比PAC、FeCl3的 COD去除率分別提高了51.7%、64.7%，比PAC的脫色率提高了65.4%。不同的絮凝劑如果要達(dá)到相同的處理要求，投加相對(duì)少量的該復(fù)配絮凝劑就可以，有望降低處理成本。

2）在沉降性能方面，復(fù)配絮凝劑2#沉降時(shí)間比PAC減少了74.1%。分析主要原因，一是nano-Al2O3的復(fù)合增加了絮體的密度；二是鐵鹽的比重大于鋁鹽，鐵鋁復(fù)合增大了絮體密度，使沉降速度加快。同時(shí)，絮體更緊實(shí)，污泥體積比PAC、FeCl3分別減少了30.2%、38%，可減輕后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)，節(jié)約資源。

3）所有絮凝劑去除氨氮的效果均不理想，分析原因，可能是絮凝過程主要是去除水體中的溶膠和懸浮體，氨氮以NH4+的形式存在于銨鹽中，這些鹽類為可溶性鹽，靠吸附作用很難去除。

4）復(fù)配絮凝劑2#處理后水樣pH值為6.8，接近中性，出水二次污染小。

5）與復(fù)配絮凝劑1#相比，復(fù)配絮凝劑2#除沉降時(shí)間和污泥體積略遜一籌外，其他指標(biāo)均勝出，更重要的是減少了PAC和nano-Al2O3的用量，降低了出水中的鋁殘留和生產(chǎn)成本，更具安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3　結(jié)論

1）將nano-Al2O3與PAC復(fù)配絮凝后，無論是污染物的去除率還是沉降性能均有了較大提高，體現(xiàn)了納米材料強(qiáng)化絮凝的特性。

2）通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的PAC與nano-Al2O3的復(fù)配方式為：先用粉碎法將PAC與nano-Al2O3（質(zhì)量組成為85%+15%）充分混合后配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的溶液，再在溫度60℃的恒溫水浴中，用電子恒速攪拌器以轉(zhuǎn)速100r·min-1攪拌20min水熱復(fù)合，此方法得到的復(fù)配絮凝劑被命名為復(fù)配絮凝劑1#（質(zhì)量配比85% PAC+15% nano-Al2O3）。

3）將FeCl3引入復(fù)配絮凝劑中，通過降低nano-Al2O3的含量有效降低了處理成本，同時(shí)通過降低PAC的含量提高了出水安全性。FeCl3的含量可根據(jù)不同的處理要求在一定的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)。同時(shí)投加70mg·L-1的FeCl3和50mg·L-1的復(fù)配絮凝劑1#入水樣進(jìn)行復(fù)配絮凝，此時(shí)復(fù)配絮凝劑的質(zhì)量配比為：58.33% FeCl3+35.42% PAC+6.25% nano-Al2O3，作為較好的參考組分比，命名為復(fù)配絮凝劑2#，對(duì)其進(jìn)行絮凝效果的研究分析。

4）在處理生活污水的絮凝實(shí)驗(yàn)中，復(fù)配絮凝劑2#（質(zhì)量百分組成58.33% FeCl3+35.42% PAC+6.25% nano-Al2O3）和常規(guī)無機(jī)絮凝劑相比，具有處理率較高、沉降性能較好、出水二次污染較小、污泥體積較小等優(yōu)勢(shì)，但受實(shí)驗(yàn)條件和研究深度的限制，也存在氨氮去除率低、投加稍復(fù)雜等不足。

5）需要對(duì)復(fù)配絮凝劑的絮凝條件，如溫度、pH值、靜置時(shí)間等參數(shù)進(jìn)一步研究。

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Nano- Al2O3Compounded with Inorganic Flocculants in Flocculation Experiment

CAI Jing， LU Bo-ru， WANG Ze-jia
（School of Chemical and Materials Engineering， Yanching Institute of Technology， Langfang 065201， China）

Nano-Al2O3， PAC and FeCl3were used together in the flocculation experiment in order to improve the water treatment efficiency of inorganic flocculants. As well as， the compound flocculation performance of the treating domestic sewage was studied. As a result， the compound flocculation could make the removal rate of COD reach 88.3%， which was increased by 51.4% and 64.7% respectively compared to PAC and FeCl3. Meanwhile， The decolorization rate of the compound flocculation was 88.5%， which was increased by 65.4% than PAC. The sedimentation time of the compound flocculation was reduced by 74.1% than PAC. At the same time， the slurry volume was reduced by 30.2% and 38.0% respectively compared to PAC and FeCl3. The pH value of effluent was 6.8. However， It had low removal rate of ammonia nitrogen， so it was necessary to improve it by research in the future.

nano-Al2O3； compound； polyaluminium chloride； FeCl3； flocculation

X 703

A

1671-9905（2016）08-0048-04

河北省廊坊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（2015-2016）（2015011054）

蔡靖（1980-），女，碩士，講師，主要從事水污染治理研究工作。 E-mail：caijing1012@126.com

2016-06-06