PDMDAAC在海水混凝過程中的助凝作用

趙　瑾，王文華，姜天翔，王樹勛，王　靜，張雨山

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津300192）

PDMDAAC在海水混凝過程中的助凝作用

趙瑾，王文華，姜天翔，王樹勛，王靜，張雨山

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津300192）

將PAC與PDMDAAC協(xié)同使用處理近岸海水，考察其對海水中污染物的混凝效能，監(jiān)測絮體厚度的變化過程，并分析穩(wěn)定動力學(xué)規(guī)律。結(jié)果表明，與單獨投加PAC相比，PAC與PDMDAAC協(xié)同作用下的絮凝效果較好，對海水中濁度和磷酸鹽的去除率可分別提高22.3%、22.0%，生成的絮體厚度較大，絮凝持續(xù)時間較短，說明PDMDAAC有顯著的助凝作用。從體系穩(wěn)定性角度分析絮凝機理，投加PDMDAAC的海水體系具有較大的穩(wěn)定動力學(xué)參數(shù)，使海水更易脫穩(wěn)。

聚二甲基二烯丙基氯化銨；助凝；海水

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，淡水資源嚴(yán)重短缺，充分利用海水資源是緩解沿海地區(qū)水資源危機的重要舉措。由于海水利用工程所用海水一般為近岸海水，懸浮物、膠體及有機物含量較高，水質(zhì)惡劣且波動較大，在利用前必須經(jīng)過凈化處理。絮凝是海水預(yù)處理過程中的重要操作單元，絮凝劑的選擇是決定絮凝效能的核心。目前水處理中應(yīng)用較多的為無機高分子絮凝劑〔1〕，此類絮凝劑是在傳統(tǒng)的鋁鹽、鐵鹽絮凝劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類高分子絮凝劑，具有分子質(zhì)量大、成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。但海水含有大量懸浮粒子、膠體、微生物及氮、磷等污染物，且常年處于低溫低濁狀態(tài)，穩(wěn)定性強，能被絮凝劑捕獲的微粒數(shù)量較少，因此單純使用無機高分子絮凝劑效果并不理想，形成的絮體細而小，沉降速度較慢。此外，關(guān)于絮凝的研究多集中在絮凝性能及機理上〔2〕，對絮體分層厚度及穩(wěn)定動力學(xué)的研究較少。

聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDMDAAC）是一種帶正電荷的有機高分子助凝劑，水溶性好、高效無毒、成本低廉〔3〕。筆者以PAC為絮凝劑、PDMDAAC為助凝劑凈化處理近岸海水，考察其對濁度、磷酸鹽的去除效果，同時監(jiān)測絮體分層的厚度以反映絮體沉降變化過程，并進行海水體系穩(wěn)定動力學(xué)分析。

1　材料與方法

1.1儀器與試劑

TA6-2型程控混凝試驗攪拌儀，武漢恒嶺科技有限公司；2100Q濁度儀，美國哈希公司；Turbiscan Lab分散穩(wěn)定性分析儀，法國Formulaction公司；Smartchem300間斷化學(xué)分析儀，意大利AMS公司。

聚合氯化鋁（PAC），天津市聚鑫源水處理技術(shù)開發(fā)有限公司；聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDMDAAC），山東魯岳化工有限公司，黏度1 000～3 000 mPa·s。

1.2試驗用水

試驗所用水樣為天津塘沽近岸海水，水質(zhì)情況如表1所示。

表1　試驗用海水水質(zhì)

1.3試驗方法

采用程控混凝試驗攪拌儀進行混凝試驗，在快速攪拌階段開始時投加聚合氯化鋁，轉(zhuǎn)速為200 r/min，攪拌時間1.5 min；在慢速攪拌階段開始時投加PDMDAAC，轉(zhuǎn)速為60 r/min，攪拌時間10 min。提起攪拌槳，靜置20 min，于液面2 cm以下取樣，分析混凝前后海水中的各污染物。

1.4體系穩(wěn)定性分析

1.4.1Turbiscan Lab工作原理

Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀通過多重光散射技術(shù)，探測樣品的不同部位在不同掃描時間下透射光與背散射光的光線變化，通過Turbisoft軟件計算出體系穩(wěn)定性參數(shù)及絮體分層厚度的變化情況。

1.4.2測定方法

在快速混凝試驗階段取樣，加入測試瓶中，液面高度約為55 mm。待穩(wěn)定性分析儀穩(wěn)定后，將測試瓶放入樣品池，每1 min掃描1次，共掃描11次，測試溫度為30℃。利用Turbisoft軟件測定混凝過程中絮體厚度的動態(tài)變化過程和背散射光平均變化率ΔBS，綜合評價海水體系穩(wěn)定性。

2　結(jié)果與討論

2.1絮凝前后濁度的變化情況

以濁度為考察指標(biāo)，在PAC投加量分別為5、10、20、30、40 mg/L，PDMDAAC投加量為 0.5 mg/L時，考察PAC與PDMDAAC協(xié)同作用下對海水的混凝效果，并與單獨投加PAC作對比，結(jié)果見圖1。

如圖1所示，與單純投加PAC相比，投加PDMDAAC提高了對濁度的去除效果。當(dāng)PAC投加量分別為5、10、20、30、40mg/L時，對濁度的去除率分別為52.2%、66.3%、77.3%、80.6%、75.6%；在此基礎(chǔ)上投加等量的PDMDAAC，濁度去除率有所提高，絮凝后的濁度＜1 NTU，說明PDMDAAC具有助凝作用。

圖1　絮凝劑對濁度的去除效果

快速攪拌使絮凝劑分散在海水中并與膠體微?？焖倩旌习l(fā)生碰撞。海水中的膠體表面帶有負電荷，靜電斥力使其處于懸浮態(tài)，具有較強的分散穩(wěn)定性〔4〕。投加PAC后，電解質(zhì)的電中和作用減少了帶電荷膠體的數(shù)量，進而減弱粒子間的靜電斥力，懸浮膠體逐漸脫穩(wěn)，顆粒間距離變小并碰撞最終形成絮體；投加PDMDAAC后，PDMDAAC充分發(fā)揮其吸附架橋作用，使絮體變大，加速沉淀，增強了絮凝效果。

2.2絮凝前后磷酸鹽的變化情況

與單獨投加PAC作對比，考察PAC與PDMDAAC協(xié)同作用下（PAC投加量分別為5、10、20、30、40mg/L，PDMDAAC投加量為0.5 mg/L）對海水中磷酸鹽的去除效果，結(jié)果見圖2。

圖2　絮凝劑對磷酸鹽的去除效果

如圖2所示，隨著PAC投加量的增加，磷酸鹽去除率先增大后減小，PAC最佳投加量為30 mg/L；高投加量的絮凝劑增加了絮體數(shù)量，加大了微粒之間的碰撞概率，并通過吸附電中和作用使微粒脫穩(wěn)；當(dāng)投加過量的絮凝劑時，微粒表面吸附了過量的帶電荷的絮凝劑，海水又重新達到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)PAC投加量分別為5、10、20、30、40 mg/L，PDMDAAC投加量為0.5 mg/L時，海水中磷酸鹽的去除率分別為80.3%、83.6%、88.3%、90.5%、85.2%，與單純投加PAC相比，去除率提高了20%左右，PDMDAAC改善了絮凝效能，提高了對海水中磷酸鹽的去除率。

2.3絮體分層厚度分析

借助Turbiscan Lab穩(wěn)定性分析儀，考察PAC與PDMDAAC協(xié)同使用下海水絮凝過程中絮體厚度的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3　絮凝劑投加量對分層厚度的影響

絮體分層的厚度特征能直觀反映絮體沉降變化過程。由圖3可知，未加絮凝劑的天然海水沉降速度較慢，在第5分鐘才開始有明顯的沉降分層厚度，第6分鐘分層厚度不再變化，沉降過程結(jié)束，分層厚度為36.7 mm。與之相比，投加絮凝劑的海水沉降較快，絮體厚度均在第2分鐘有所變化，且沉降持續(xù)過程較長；其中單獨使用PAC產(chǎn)生的絮體厚度為38.3 mm，沉降過程在第 8分鐘結(jié)束；PAC與PDMDAAC協(xié)同使用產(chǎn)生的絮體厚度為41.4 mm，沉降過程在第7分鐘結(jié)束，持續(xù)的時間要比單獨使用PAC要短。海水在自然狀態(tài)下僅有些粗砂沉降，懸浮膠體基本保持分散穩(wěn)定狀態(tài)，因此其沉降厚度最小；由于PDMDAAC的吸附與架橋作用加快了海水中顆粒的凝聚速度，因此PAC與PDMDAAC協(xié)同作用下的絮凝效果最好，生成的絮體厚度最大，整個絮凝的持續(xù)時間也相對較短。

2.4絮凝劑對海水穩(wěn)定性的影響分析

采用穩(wěn)定性分析儀測定海水體系的穩(wěn)定性指數(shù)，計算得到背散射光平均變化率的均值ΔBST，以此作為海水體系穩(wěn)定性的評價指標(biāo)，比較絮凝劑的投加對海水體系穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　絮凝劑對海水穩(wěn)定動力學(xué)的影響

通過監(jiān)測背散射光平均變化率，可在短時間內(nèi)判斷出體系分散粒子的聚集和絮凝狀況〔5〕。ΔBST變化越小，穩(wěn)定動力學(xué)參數(shù)越小，其體系穩(wěn)定性越強。由圖4可知，掃描10 min內(nèi)，未加絮凝劑、投加PAC、投加PAC與PDMDAAC的3種海水的背散射光平均變化率的穩(wěn)定動力學(xué)曲線呈逐漸上升趨勢，其穩(wěn)定動力學(xué)參數(shù)分別為2.4、18.4、28.2。PAC的吸附與架橋作用較弱，相對分子質(zhì)量低，產(chǎn)生的絮體較松散、細小，而投加PAC與PDMDAAC得到的穩(wěn)定動力學(xué)參數(shù)最大，說明體系中的懸浮粒子和膠體越易脫穩(wěn)，絮凝效果顯著。

3　結(jié)論

（1）協(xié)同使用PDMDAAC與PAC能提高絮凝效能，PDMDAAC的助凝效果顯著。試驗條件下對海水中濁度和磷酸鹽的最高去除率可分別達 92.5%、90.5%。（2）PDMDAAC的吸附與架橋作用加快了海水中顆粒的凝聚速度，生成的絮體厚度最大，縮短了絮凝時間。（3）投加PAC與PDMDAAC使海水體系具有較大的穩(wěn)定動力學(xué)參數(shù)，PDMDAAC改善了絮凝效果，使體系中的懸浮粒子和膠體更易脫穩(wěn)。

［1］彭倩，王娟，丁玉強.聚硅酸亞鐵復(fù)合絮凝劑的制備及性能研究［J］.當(dāng)代化工，2015，44（2）：245-248.

［2］赫俊國，劉劍，何開帆，等.PAC投加對絮體破碎后再絮凝特性和顆粒去除的影響［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，47（2）：13-18.

［3］高寶玉，王燕，岳欽艷，等.PAC與PDMDAAC復(fù)合絮凝劑中鋁的形態(tài)分布［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2002，22（5）：472-476.

［4］朱文亭.海水濁度特性和混凝機理的探討［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，1993，6（4）：7-10.

［5］郭勇飛，尹明明，陳福良.光散射技術(shù)在4.5%高效氯氰菊酯水乳劑物理穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用［J］.農(nóng)藥學(xué)學(xué)報，2010，12（1）：79-84.

Coagulation aid function of PDMDAAC in the process of seawater coagulation

Zhao Jin，Wang Wenhua，Jiang Tianxiang，Wang Shuxun，Wang Jing，Zhang Yushan
（Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，Tianjin 300192，China）

PAC and PDMDAAC have been used synergistically for treating seawater from nearshore.The coagulation effect of flocculants on the pollutants in seawater is investigated，the changing process of the thickness of the flocs is monitored，and the rule of stability kinetics is analyzed.The results show that compared with using PAC singly，using PAC and PDMDAAC synergistically has better flocculation effect.The removing rates of turbidity and phosphate are increased by 22.3%and 22.0%.The thickness of the generated flocs is higher and the duration of flocculation is shorter.It indicates that PDMDAAC has obvious flocculation aid function.In addition，the mechanism of flocculation is analyzed at an angle of system stability.Seawater system added with PDMDAAC has large stability kinetics parameters，so that the seawater is apt to be destabilized.

PDMDAAC；coagulation aid；seawater

TQ314

A

1005-829X（2016）04-0077-03

海洋公益性行業(yè)科研專項項目（201105026，201405035）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（K-JBYWF-2015-G20）

趙瑾（1982—），碩士，E-mail：jane19821206@126.com。

2016-03-01（修改稿）