高分子絮凝劑PVX對(duì)重金屬的絮凝研究

曾 娜，黎哲祺，王湘英

湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412008

近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，排入環(huán)境中的含有重金屬離子的廢水已成為最常見(jiàn)的污染物之一[1-3]．在礦物加工、金屬冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的重金屬離子隨著廢水、廢渣和煙氣排放到環(huán)境中，而存儲(chǔ)在大氣和土壤中的重金屬離子隨著降雨、地表徑流和地下水的流動(dòng)，逐漸被遷移到水體中．水是人類生產(chǎn)、生活中不可缺少的物質(zhì)，通過(guò)飲用水和食物進(jìn)入人體的重金屬離子在人體中累積對(duì)人體器官造成嚴(yán)重破壞，而且很難排出體外．含鉛廢水主要來(lái)自各種電池工業(yè)、石油化工行業(yè)，對(duì)人體健康和動(dòng)植物生長(zhǎng)都有嚴(yán)重危害[4]．鎘對(duì)人體和環(huán)境有很大的危害，因而被列為第一類有毒污染元素[5-6]．全世界每年通過(guò)河流輸入海洋的鋅約393萬(wàn)t，采礦場(chǎng)、機(jī)器制造廠等排放的工業(yè)廢水中含有大量的鋅化物[7-10]．

目前，處理重金屬離子污水的方法分別有生物法、物理法和化學(xué)法[11-15]．生物法利用耐金屬離子細(xì)菌，以其為處理手段，該法處理周期長(zhǎng)；物理法采用離子交換樹(shù)脂或者膜過(guò)濾的方法，該法存在費(fèi)用高、處理量小等問(wèn)題；化學(xué)法是用無(wú)機(jī)堿做沉淀劑，該法存在金屬離子去除率低，同時(shí)產(chǎn)生大量廢渣等問(wèn)題．因此，水體中重金屬離子污染的治理成為亟待解決的問(wèn)題．

重金屬鰲合絮凝劑不僅具有水溶性，而且對(duì)重金屬離子具有良好的螯合絮凝沉淀性能．該絮凝劑分子量大，具有很強(qiáng)的吸附能力，有吸附容量大、效率高、使用方便、原料來(lái)源廣、合成工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品無(wú)毒無(wú)臭等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)Pb2+，Cd2+和Zn2+的絮凝效果很好，去除率均在99%以上，可以大規(guī)模治理含重金屬離子的污水．在治理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將沉淀過(guò)濾后濾渣量很少，可直接焚燒灰化，灰中的金屬可以再次回收或者直接安全填埋，以此達(dá)到快速、高效、大規(guī)模治理含重金屬離子污水的目的，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

儲(chǔ)備液制備：準(zhǔn)確稱取Pb(NO3)2，Cd(NO3)2和Zn(NO3)2試劑，分別配成含Pb2+，Cd2+和Zn2+的1 g/L(以Pb2+，Cd2+，Zn2+計(jì))的標(biāo)準(zhǔn)溶液，其作為儲(chǔ)備液．

水樣制備：絮凝實(shí)驗(yàn)時(shí)，從儲(chǔ)備液中用移液管吸取25 mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液于150 mL燒杯中，再加入25 mL 分子水，使溶液體積大約為50 mL，攪拌均勻即為待處理含鉛、鎘、鋅水樣．

Ca2+和Mg2+溶液制備：準(zhǔn)確稱取CaCl2及MgCl2試劑，分別配成1 g/L的含Ca2+和Mg2+(以Ca2+，Mg2+計(jì))的標(biāo)準(zhǔn)溶液，其作為Ca2+和Mg2+的儲(chǔ)備液．根據(jù)所需用移液管吸取不同的量，來(lái)制備不同質(zhì)量濃度的Ca2+及Mg2+溶液．

重金屬絮凝劑PVX，為本實(shí)驗(yàn)自制；Pb(NO3)2，Cd(NO3)2，Zn(NO3)2，CaCl2，MgCl2，NH4Cl，NH3·H2O，HAc，NaAc，EDTA，二甲酚橙，鉻黑T及六次甲基四胺，以上試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水，均為分子水．

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

25 mL滴定管、250 mL錐形瓶、250 mL抽濾瓶、125 mL布氏漏斗、10 mL移液管，真空泵，電子天平，加熱磁力攪拌器．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取100 mL含鉛、鎘、鋅水樣各9組，分別投加一定量的PVX絮凝劑，然后用磁力攪拌器快速攪拌(120 r/min)1 min，靜置5 min后抽濾，分別得到含鉛、鎘及鋅的離子清液．采用EDTA滴定法，分別按照鉛的測(cè)定方法[16]、鎘的測(cè)定方法[17]、鋅的測(cè)定方法[17]，分別測(cè)定清液中殘余的鉛、鎘及鋅離子的質(zhì)量濃度，并通過(guò)計(jì)算得出各金屬離子的去除率．

2 結(jié)果與討論

2.1 PVX用量對(duì)去除率的影響

首先用0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液和0.01 mol/L的鹽酸溶液調(diào)節(jié)已制備的鉛、鎘、鋅離子水樣，使pH值為6，然后分別投加不同質(zhì)量濃度的PVX．研究PVX用量對(duì)Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率的影響，結(jié)果如圖1所示．

圖1 PVX用量對(duì)Pb2+，Cd2+及Zn2+去除率的影響Fig.1 Influence of PVX dosage on removal rate of Pb2+, Cd2+ and Zn2+

從圖1可見(jiàn)：PVX對(duì)含鉛、鎘、鋅離子水樣有較好的去除效果，且隨著PVX投加量的增加，對(duì)Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率逐漸升高；當(dāng)PVX投加量為40 mg/L時(shí)Pb2+的去除率為99.9%，當(dāng)PVX投加量為70 mg/L時(shí)Cd2+的去除率為99.9%，當(dāng)PVX投加量為100 mg/L時(shí)Zn2+去除率為99.9%．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著PVX投加量的增加，生成的絮體大且多，沉降速度也更快，對(duì)Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除效果更好．這是因?yàn)椋寒?dāng)PVX質(zhì)量濃度較低時(shí)，PVX與Pb2+，Cd2+及Zn2+的接觸機(jī)會(huì)較小，形成的螯合絮體的量較少，其捕集、卷掃的作用較弱，導(dǎo)致Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率較低；當(dāng)PVX質(zhì)量濃度增大時(shí)，Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率升高．這是因?yàn)?，有機(jī)高分子絮凝劑的絮凝劑機(jī)理是通過(guò)電中和，使高分子鏈與多個(gè)膠體顆粒以化學(xué)鍵相結(jié)合形成橋鏈，同時(shí)高分子具有較強(qiáng)的吸附作用，因而形成大的膠體顆粒分子團(tuán)而沉降下來(lái)[18]．

2.2 Ca2+和Mg2+含量對(duì)去除率的影響

2.2.1 Ca2+及Mg2+含量對(duì)Pb2+去除率的影響

在已制備好的含鉛水樣及PVX投加量為20 mg/L的條件下，分別投加不同質(zhì)量濃度的Ca2+和Mg2+溶液，并調(diào)節(jié)水樣的pH值為6．研究Ca2+及Mg2+含量對(duì)Pb2+的去除率的影響，結(jié)果如圖2所示．

圖2 Ca2+及Mg2+含量對(duì)Pb2+去除率的影響Fig.2 The effect of Ca2+ and Mg2+ content on the removal rate of Pb2+

從圖2可見(jiàn)：隨著Ca2+和Mg2+添加量的增加(小于50 mg/L時(shí))，Pb2+的去除率呈上升趨勢(shì)，表明Ca2+和Mg2+對(duì)Pb2+的去除起到明顯的促進(jìn)作用，這是由于Ca2+和Mg2+存在時(shí)發(fā)生了電中和作用而壓縮了雙電層，從而降低了ζ電位，減弱了排斥作用，加速了PVX-Pb絮體沉降，從而表現(xiàn)為一定的促進(jìn)作用[19]；當(dāng)Ca2+和Mg2+添加量分別達(dá)到50 mg/L時(shí)，Pb2+的去除率達(dá)到最高，分別為99.4%和99.9%．

2.2.2 Ca2+及Mg2+含量對(duì)Cd2+去除率的影響

取已制備好的含鎘水樣，在PVX投加量為20 mg/L的條件下，投加不同質(zhì)量濃度的Ca2+和Mg2+溶液，并調(diào)節(jié)水樣的pH值為6，研究 Ca2+和Mg2+含量對(duì)Cd2+的去除率影響，結(jié)果如圖3所示．

圖3 Ca2+及Mg2+含量對(duì)Cd2+去除率的影響Fig.3 The effect of Ca2+ and Mg2+ content on the removal rate of Cd2+

從圖3可見(jiàn)：隨著Ca2+及Mg2+添加量的增加，Cd2+的去除率呈上升趨勢(shì)，表明Ca2+和Mg2+起到明顯的促進(jìn)作用；當(dāng)Ca2+的添加量為80 mg/L及Mg2+的添加量為90 mg/L時(shí)，Cd2+的最高去除率分別為97.9%和98%．

2.2.3 Ca2+及Mg2+含量對(duì)Zn2+去除率的影響

取已制備好的含鋅水樣，在PVX投加量為20 mg/L的條件下，投加不同質(zhì)量濃度的Ca2+及Mg2+溶液，并調(diào)節(jié)水樣的pH值為6．研究Ca2+和Mg2+含量對(duì)Zn2+去除率的影響，結(jié)果如圖4所示．

圖4 Ca2+及Mg2+含量對(duì)Zn2+去除率的影響Fig.4 The effect of Ca2+ and Mg2+ content on the removal rate of Zn2+

從圖4可見(jiàn)：當(dāng)Ca2+及Mg2+添加量達(dá)到20 mg/L時(shí)，Zn2+去除率最高為93.8%和74.2%，表明Ca2+和Mg2+存在對(duì)Zn2+去除起到明顯的促進(jìn)作用；但是隨著Ca2+及Mg2+添加量的增加，Zn2+去除率反而降低，與對(duì)Pb2+和Cd2+的去除效果相比，PVX對(duì)Zn2+去除效果略差．這主要是因?yàn)镻VX分子中以-S-為主的配位，S原子不易與堿金屬和堿土金屬離子發(fā)生配位或配位后穩(wěn)定性較差[20]，加入的Ca2+和Mg2+不易與二硫代羧基中的S發(fā)生配位反應(yīng)，不能生成沉淀物，而且Ca2+和Mg2+帶有較高的正電荷，且離子半徑較小，當(dāng)它們大量存在時(shí)容易使PVX-Pb絮體周圍存在大量正電荷，由于靜電斥力會(huì)阻礙絮體的聚集，致使去除率有所下降．

3 結(jié) 論

(1)高分子絮凝劑PVX對(duì)Pb2+和Cd2+具有很好的去除效果，相比之下對(duì)Zn2+去除效果略差．總的來(lái)說(shuō)，高分子絮凝劑PVX具有投加量少、形成的絮體大、沉降速度快，可以大規(guī)模治理含重金屬離子污水．

(2)PVX投加量相同時(shí)，對(duì)Pb2+去除效果最好，Cd2+去除效果次之，Zn2+去除效果再次之．

(3)水樣中鉛、鎘、鋅的去除率達(dá)到99.9%時(shí)， PVX的用量分別為40，70和100 mg/L．

(4)有Ca2+及Mg2+存在時(shí)，對(duì)PVX去除Pb2+和Cd2+均起到促進(jìn)作用；當(dāng)Ca2+及Mg2+含量小于20 mg/L時(shí)，對(duì)Zn2+的絮凝起促進(jìn)作用，大于20 mg/L效果不明顯．