紫外過(guò)硫酸鹽法去除水中聚丙烯酰胺的影響因素分析研究

黃婧，龐維海，趙詩(shī)媛，解昊，廖勇

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

聚丙烯酰胺(PAM)作為一類重要的水溶性高分子聚合物，可作為固液分離中的絮凝劑、污泥脫水的調(diào)理藥劑、配方藥劑，與活性炭等凈水藥劑聯(lián)用，但其使用過(guò)程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)往往容易被人們忽視。在降解作用下，廢水中的PAM主鏈斷開并逐步降解產(chǎn)生大量的丙烯酰胺(AM)單體，對(duì)人和動(dòng)物的周圍神經(jīng)系統(tǒng)造成傷害[1-4]。

本文通過(guò)采用UV/PS法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中的PAM的降解，并研究其主要影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

PAM(分子量約為1.5×107，陽(yáng)離子型)、過(guò)硫酸鈉、AM、冰醋酸(CH3COOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95%)、次氯酸鈉(有效氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥5%)均為分析純。

DR3900紫外可見分光光度計(jì)(UV設(shè)備采用主波長(zhǎng)254 nm的UV燈)； LC-2030高效液相色譜儀；H01-1D磁力攪拌器。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 PAM濃度的測(cè)定方法 冰醋酸與次氯酸鈉反應(yīng)生成Cl2，Cl2再與PAM反應(yīng)生成不溶性的氯酰胺而使溶液渾濁[6]。在470 nm的最大吸收波長(zhǎng)下，PAM的質(zhì)量濃度與吸光度有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 4。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)并計(jì)算平均回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，平均回收率在99.08%～100.15%之間，RSD的范圍為1.56%～2.37%。濁度法的平均回收率、精密度以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性均高于淀粉碘化鎘法。

1.2.2 AM測(cè)定方法 利用高效液相色譜檢測(cè)氧化降解前后PAM溶液的主要成分變化情況。同時(shí)，通過(guò)測(cè)定丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液的高效液相色譜圖，考察氧化降解后是否產(chǎn)生丙烯酰胺單體。采用的色譜條件如下：流動(dòng)相為甲醇和水(體積比90∶10)，流速0.8 mL/min，柱溫40 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm，進(jìn)樣體積2 μL。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)建筑和地鐵施工泥漿脫水濾液，為便于計(jì)算，以自制100 mg/L的PAM溶液作為實(shí)驗(yàn)用水。加入一定量的過(guò)硫酸鹽，并打開UV燈，使用磁力攪拌器勻速攪拌，待裝置穩(wěn)定后定時(shí)取樣，經(jīng)過(guò)過(guò)濾分離后測(cè)定PAM的質(zhì)量濃度變化。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，在2 L的燒杯中加入藥劑與水樣后，開啟UV燈，打開磁力攪拌器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

2 結(jié)果與討論

2.1 過(guò)硫酸鹽投加量對(duì)PAM去除率的影響

室溫20 ℃，PAM濃度為100 mg/L，在紫外燈光照下，過(guò)硫酸鹽投加量分別為0，0.25，0.50，0.75，1.00 mmol/L，pH值保持溶液初始值。反應(yīng)時(shí)間分別為20，40，60，80，100，120 min，并在反應(yīng)后取樣，測(cè)量反應(yīng)前后溶液中PAM濃度，并計(jì)算去除率，結(jié)果見圖2。

圖2 過(guò)硫酸鹽投加量對(duì)PAM去除率的影響Fig.2 Effect of persulfate dosage on PAM removal rate

(1)

(2)

2.2 pH對(duì)PAM去除率的影響

室溫20 ℃，PAM濃度為100 mg/L，在紫外燈光照下，過(guò)硫酸鹽投加量為0.75 mmol/L，調(diào)節(jié)溶液開始時(shí)的pH分別為3.0，5.0，7.0，9.0，11.0。反應(yīng)時(shí)間分別為20，40，60，80，100，120 min，反應(yīng)結(jié)束后取樣，測(cè)量反應(yīng)前后溶液中PAM濃度，并計(jì)算PAM去除率，結(jié)果見圖3。

圖3 pH對(duì)PAM去除率的影響Fig.3 Effect of pH on PAM removal rate

(3)

2.3 PAM初始濃度對(duì)PAM去除率的影響

室溫20 ℃，PAM初始濃度分別為100，200，300，400 mg/L，在紫外燈光照下，過(guò)硫酸鹽投加量為0.75 mmol/L，調(diào)節(jié)pH值=9.0。反應(yīng)時(shí)間分別為20，40，60，80，100，120 min，反應(yīng)結(jié)束后取樣，測(cè)量反應(yīng)前后溶液中PAM濃度，計(jì)算PAM去除率，結(jié)果見圖4。

圖4 PAM初始濃度對(duì)PAM去除的影響Fig.4 Effect of initial PAM concentration on PAM removal

2.4 Cl-對(duì)PAM去除率的影響

室溫20 ℃，PAM濃度為100 mg/L，在UV/TiO2/H2O2和UV/PS兩種體系中分別加入0.5，1，2，3，5，10 mmol/L的Cl-，反應(yīng)120 min后分別取樣，測(cè)量反應(yīng)前后溶液中PAM濃度，計(jì)算PAM去除率。不同體系中PAM的去除率差異見表1。

表1 Cl-對(duì)不同體系中PAM去除率的影響Table 1 Effect of Cl- on PAM removalrate in different systems

2.5 UV/PS體系的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

室溫20 ℃，PAM濃度為100 mg/L，過(guò)硫酸鹽投加量為0.75 mmol/L，初始pH=9.0的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，研究UV/PS體系的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。由吸光度與濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線可求得不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的PAM濃度C，根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理，用微分法確定反應(yīng)級(jí)數(shù)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)列于表2。

表2 微分法求UV/PS體系反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的有關(guān)數(shù)據(jù)Table 2 Differential data to obtain data on the kineticparameters of UV/PS system reaction

由表2可知，對(duì)lnC和t進(jìn)行線性回歸，線性回歸方程為lnC=-0.028 8t+4.637 1，相關(guān)系數(shù)R2=0.997 3，本實(shí)驗(yàn)條件下的反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)。

3 結(jié)論

(2)室溫20 ℃，PAM濃度為100 mg/L，最優(yōu)條件下，反應(yīng)120 min后，UV/PS體系對(duì)PAM的去除率為90.5%。但該體系對(duì)pH要求較高，在pH=9.0時(shí)氧化效率最高。