納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑的制備及在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

鄧博文，海文杰，王梓浩，姚銘栩，謝 穎，尹奮平

（1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)商旅學(xué)院，四川 都江堰 610081）

有機(jī)廢水的特點(diǎn)是強(qiáng)酸強(qiáng)堿性、污染大、毒性大、COD值高，對(duì)水中的藻類魚類有巨大的傷害，會(huì)造成二次污染，從而直接影響人們的身體健康。傳統(tǒng)處理有機(jī)廢水的方法有化學(xué)氧化法、生物降解法、吸附法、光催化法等，但因成本太高等原因，很難達(dá)到預(yù)期的處理效果，因此需要尋找高效廉價(jià)的處理方法。絮凝沉降法因設(shè)備簡單、成本低、效率高、容易操作、間歇或連續(xù)運(yùn)行均可等眾多優(yōu)點(diǎn)，在有機(jī)廢水處理中獲得廣泛應(yīng)用[1]。絮凝劑根據(jù)其化學(xué)成分可分為無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑、天然絮凝劑、生物絮凝劑以及由多種絮凝劑制得的復(fù)合絮凝劑。絮凝劑加入水中，會(huì)使水中原本穩(wěn)定的膠粒被破壞，然后通過中和、吸附、架橋的方式形成新的絮體，再通過沉淀的方法去除，從而達(dá)到除污凈化的目的。

聚合硫酸鐵（PFS）是一種常見的無機(jī)高分子絮凝劑，價(jià)格低廉且適應(yīng)的pH范圍較寬。相較于傳統(tǒng)的無機(jī)低分子絮凝劑，PFS具有礬花大、沉降速度快、架橋周期短的優(yōu)點(diǎn)[2]，但是PFS形成的礬花不夠密實(shí)，在水中易發(fā)生水解。利用納米材料比表面積大的特點(diǎn)以及優(yōu)越的吸附能力來增強(qiáng)絮凝劑的除污能力和沉降速率，可使絮凝劑更容易與納米材料搭橋，從而形成更穩(wěn)定的礬花[3]。

本實(shí)驗(yàn)采用超聲波分散法，將聚合硫酸鐵（簡稱PFS）與納米TiO2復(fù)合制備了納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑，對(duì)化工有機(jī)廢水進(jìn)行處理，研究了納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑對(duì)有機(jī)廢水的處理效果，以期為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

儀器：AB204電子天平、電動(dòng)攪拌器、超聲波清洗器、干燥箱、COD恒溫加熱器（自配加熱回流管）、50mL堿式滴定管。

試劑：冰醋酸（AR）、蒸餾水、無水乙醇（AR）、鈦酸丁酯(AR)、聚合硫酸鐵（PFS）、聚丙烯酰胺、98%濃硫酸、重鉻酸鉀（AR）、1,10-菲繞啉硫酸銀、硫酸亞鐵銨。

實(shí)驗(yàn)水樣：自制廢水[4]，配方見表1。

表1 廢水配方表Table 1 wastewater formula table

1.2 納米TiO2的制備

采用溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦[5-7]。將22mL鈦酸丁酯與少量無水乙醇混合攪拌后記為A。取34mL無水乙醇，加入少量去離子水和冰醋酸，形成混合溶液后記為B。將A緩慢滴加到B中勻速攪拌，將所得的溶液置于60℃下干燥直到形成凝膠，再在120℃下干燥6h。取出樣品進(jìn)行研磨，在500℃下煅燒3h，即可得到納米二氧化鈦。

1.3 納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑的制備

將納米TiO2充分研磨后，與PFS形成1%的液體復(fù)合絮凝劑（以質(zhì)量計(jì)）[8]。將上述復(fù)合絮凝劑在60℃的水浴鍋中，用恒速攪拌器以400r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌2h后保溫1h，在超聲波下分散30min，最后熟化24h，得到復(fù)合絮凝劑TiO2-PFS。

1.4 正交實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)研究表明，不同制備條件下得到的復(fù)合絮凝劑，處理效果有顯著差異。在有機(jī)廢水的處理中，納米TiO2與PFS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和合成溫度，對(duì)有機(jī)廢水上清液的COD有決定性的影響。采用雙因子三水平正交表L9(23)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)的因子與水平設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2 因子水平表Table 2 Factor level table

1.5 有機(jī)廢水絮凝實(shí)驗(yàn)

取自制廢水200mL，調(diào)節(jié)攪拌速率，分別加入自制復(fù)合絮凝劑1、2、4、6、8mg，攪拌5min后加入助凝劑PAM，減慢攪拌速率，慢速攪拌3min后停止，靜止30min。于上清液面3cm處吸取清液做水質(zhì)分析，采用標(biāo)準(zhǔn)滴定法[9]測定COD值[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

制備納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑時(shí)需要確定的條件，有納米TiO2與PFS的配比A及合成溫度B。以出水COD為指標(biāo)，根據(jù)表3得到最佳條件，用于合成納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Data table of orthogonal experiment

納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑的合成條件不同時(shí)，復(fù)合絮凝劑對(duì)有機(jī)廢水的COD去除率有顯著差異。由表3可知，RA＞RB，因此納米TiO2與PFS的配比對(duì)復(fù)合絮凝劑的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合成溫度。最優(yōu)合成條件為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的納米TiO2與85%的PFS復(fù)合，在65℃下制備得到復(fù)合絮凝劑。

2.2 復(fù)合絮凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響

取自制廢水200mL，調(diào)節(jié)pH，分別加入在最優(yōu)條件下合成的復(fù)合絮凝劑1、2、4、6、8mg，攪拌5min加入助凝劑PAM，慢速攪拌3min后停止，靜止30min。納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響如圖1所示。

圖1 納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑投加量對(duì)COD去除率的影響Fig.1 Effect of dosage of Nano-TiO2- PFS composite flocculant on COD removal rate

由圖1可知，復(fù)合絮凝劑的COD去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PFS的去除率，這是由于納米TiO2具有很大的比表面積和超強(qiáng)的吸附能力，與PFS形成復(fù)合絮凝劑后其架橋能力增強(qiáng)，可形成更加致密的礬花，加快沉降速率。隨著復(fù)合絮凝劑的投放量逐漸增加，自制有機(jī)廢水的COD去除率也隨之增加，當(dāng)復(fù)合絮凝劑投加量達(dá)到4mg·(200 mL)-1時(shí)，自制有機(jī)廢水的COD去除率達(dá)到80%以上。因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑的投加量取4mg·(200 mL)-1。

3 結(jié)論

1) 由正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，TiO2與PFS的配比對(duì)COD去除率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合成溫度。納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑合成的最佳條件為：15%的納米TiO2和85%的PFS反應(yīng)，合成溫度65℃。

2) 當(dāng)pH值為7、納米TiO2-PFS復(fù)合絮凝劑的投入量為4mg·(200 mL)-1時(shí)，自制有機(jī)廢水的COD去除率達(dá)到80%以上。