礦井水處理過程中聚丙烯酰胺殘量的檢測研究

田云福

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司環(huán)保綠化分公司，山西 太原 030053）

引言

礦井水處理通常采用混凝沉淀過濾法，原水先經(jīng)過調(diào)節(jié)池初沉，通過添加聚合氯化鋁（PAC）混凝、聚丙烯酰胺（PAM）絮凝，再經(jīng)斜管沉淀和多介質(zhì)過濾或無閥濾池過濾后回用或排放[1]。近年來，隨著國家環(huán)境保護(hù)力度的加大，對(duì)水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，因此，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上增加了超濾、陶瓷膜等各類膜處理工藝。由于傳統(tǒng)工藝中添加聚丙烯酰胺沒有具體的參考值，往往使其添加過量，使中水中聚丙烯酰胺的殘留量較高，容易發(fā)生陶瓷膜等的堵塞，既增加了處理成本，又影響了膜處理設(shè)施的正常運(yùn)行，因此，實(shí)時(shí)地檢測聚丙烯酰胺的殘量以及確定其最佳投藥量對(duì)減少藥劑使用量、確保運(yùn)行穩(wěn)定、延長設(shè)備使用壽命有著重要意義[2-3]。

目前，檢測聚丙烯酰胺殘留量的方法有如下幾種：紫外分光光度法、淀粉-碘化鎘法、黏度法、沉淀法等，這些方法在測定中有很多影響因素，對(duì)待測樣品純度及實(shí)驗(yàn)條件要求較苛刻，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差。而濁度法檢測方法的背景干擾小，重復(fù)性好，測定范圍廣，測試結(jié)果較準(zhǔn)確，故選用濁度法進(jìn)行水樣檢測[4-5]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理

濁度法測濃度的原理是加入一定濃度的醋酸溶液與次氯酸鈉溶液，與PAM 反應(yīng)生成不溶性物質(zhì)氯化銨鹽使溶液變渾濁，測得的吸光度值與PAM 的質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，可從預(yù)先繪制的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線上查出或計(jì)算出所測水中PAM 的濃度。

1.2 試驗(yàn)儀器及藥品

可見分光光度計(jì)；機(jī)械攪拌器。

無水乙醇；蒸餾水；冰醋酸，99.5%；次氯酸鈉，10%或5.2%；聚丙烯酰胺（PAM）。

1.3 試驗(yàn)試劑的配置

1.3.1 5 mol/L 醋酸溶液

準(zhǔn)確量取72 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%的醋酸溶液，置于250 mL 容量瓶，定容至刻度，搖勻，靜置。

1.3.2 1.31%次氯酸鈉溶液

有效氯為10%的次氯酸鈉：準(zhǔn)確量取33 mL 有效氯為10%的次氯酸鈉溶液，置于250 mL 容量瓶，定容至刻度，搖勻，靜置。

有效氯為5.2%的次氯酸鈉：準(zhǔn)確量取63 mL 有效氯為5.2%的次氯酸鈉溶液，置于250 mL 容量瓶，定容至刻度，搖勻，靜置。

1.3.3 200 mg/L PAM 標(biāo)準(zhǔn)溶液

取PAM 適量，無水乙醇洗滌，60℃干燥2h。準(zhǔn)確稱量0.100 0 g PAM，于500 mL 燒杯中，加入300 mL 蒸餾水，置于機(jī)械攪拌器上，以最低轉(zhuǎn)速攪拌溶解20 min 后，于500 mL 容量瓶蒸餾水定容至刻度，搖勻，靜置30 min。

1.4 試驗(yàn)條件的確定

1.4.1 體積比的確定

為了探究PAM 溶液、CH3COOH 溶液以及NaClO溶液之間的最佳體積比，在其他條件不變的情況下，選取質(zhì)量濃度為50 mg/L 的PAM 溶液、5 mol/L的醋酸、1.31%的次氯酸鈉,分別選取V（PAM）∶V（CH3COOH）∶V（NaClO）=1∶1∶1、2∶1∶1、3∶1∶1、4∶1∶1、5∶1∶1、6∶1∶1、8∶1∶1、10∶1∶1、15∶1∶1 配制檢測溶液并測定吸光度。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，做2 組平行實(shí)驗(yàn)。

隨著不同的藥劑體積配比的增大，吸光度值也增大，當(dāng)體積配比在8∶1∶1 時(shí)，反應(yīng)體系吸光度值最大；藥劑體積配比繼續(xù)增大，吸光度值呈下降趨勢。因此采用分光光度計(jì)進(jìn)行測試時(shí)，最佳藥劑體積配比為8∶1∶1。

1.4.2 反應(yīng)時(shí)間的確定

濁度法檢測PAM 質(zhì)量濃度是基于反應(yīng)體系產(chǎn)生使溶液渾濁沉淀的機(jī)理。為確定反應(yīng)時(shí)間（指從加入次氯酸鈉溶液開始直至測定吸光度數(shù)值的時(shí)間差）與吸光度的關(guān)系，對(duì)質(zhì)量濃度為100 mg/L 的PAM 溶液、5 mol/L 的醋酸、1.31%的次氯酸鈉,按照V（PAM）∶V（CH3COOH）∶V（NaClO）=8∶1∶1 的比例配制待測樣品，待混合充分后，在波長470 nm處，在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)測定吸光度，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸光度的影響

由圖1 可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，生成氯化銨鹽沉淀的量逐漸增加，所以吸光度不斷增大。反應(yīng)到30 min 時(shí)，吸光度隨反應(yīng)時(shí)間的延長變化很小，說明此時(shí)反應(yīng)已經(jīng)基本完成。當(dāng)反應(yīng)完成后，其吸光度值保持恒定，故選擇30 min 為最佳測試時(shí)間，可提高檢測效率。

1.5 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.5.1 梯度濃度PAM 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

分別移取上述200 mg/L 的PAM 標(biāo)準(zhǔn)溶液0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.50、1.75、2.00、2.25、2.50、5.00、7.50、10.00、12.50、15.00、20.00、25.00 mL，置于17 個(gè)50 mL 容量瓶中，用超純水定容至刻度，搖勻，分別配成質(zhì)量濃度為0、1、2、3、4、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、80、100 mg/L 的PAM 標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.5.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

分別移取配制溶液各16 mL（1 號(hào)瓶中加入16 mL去離子水），置于17 個(gè)50 mL 容量瓶中，分別加入2 mL 的5 mol/L 醋酸溶液，輕輕搖勻振蕩，靜置2 min 后，繼續(xù)加入2 mL 的1.31%次氯酸鈉溶液，并不斷搖勻，防止生成大顆粒，靜置30 min 左右。用可見分光光度計(jì)在波長470 nm 處測定吸光度值，平行實(shí)驗(yàn)3 次，取平均值，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到PAM 溶液的濃度與吸光度的標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程。

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大，為保證測量數(shù)據(jù)的精確性，繪制2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程。

對(duì)于質(zhì)量濃度小于10 mg/L 的樣品，其適用的標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程為式（1）。

對(duì)于濃度大于等于10 mg/L 的樣品，其適用的標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程為式（2）。

式中，y 為所測得的吸光度；x 為水樣中的PAM 質(zhì)量濃度。

1.5.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室中用自來水分別配制質(zhì)量濃度為6、10、30、50 mg/L 的PAM 溶液，分別移取配制溶液各16 mL（1 號(hào)瓶中加入16 mL 去離子水），置于5 個(gè)50 mL 容量瓶中，分別加入2 mL 的5 mol/L 醋酸溶液，輕輕搖勻振蕩，靜置2 min 后，繼續(xù)加入2 mL 的1.31%次氯酸鈉溶液，并不斷搖勻，防止生成大顆粒，靜置30 min 左右。用可見分光光度計(jì)在波長470 nm處測定吸光度值，平行實(shí)驗(yàn)3 次，取平均值，得到該溶液的吸光度并將吸光度值帶入對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程y=0.000 9x-0.000 545 或者y=0.001 48x-0.00 614中，得到計(jì)算質(zhì)量濃度，比較計(jì)算質(zhì)量濃度與實(shí)際質(zhì)量濃度可算出回收率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 PAM 溶液濃度回收率的計(jì)算

1.6 實(shí)際水樣檢測

1.6.1 采集、預(yù)處理

采集礦井水中水樣100 mL 左右，封口拿至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。用中速定性濾紙對(duì)各廠的采樣點(diǎn)水樣進(jìn)行預(yù)處理，過濾后得到澄清的水樣備用。

1.6.2 配制待測溶液

分別移取16 mL 待測水樣至容量瓶中，加入2 mL的5 mol/L 醋酸溶液，輕輕搖晃振蕩，靜置2 min 后，繼續(xù)加入2 mL 的1.31%次氯酸鈉溶液，并搖晃振蕩至充分混合，隨后靜置3 min。

1.6.3 測定吸光度

利用可見分光光度計(jì)測定各個(gè)配制好的待測水樣溶液，分別得到吸光度值。

1.6.4 利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算質(zhì)量濃度

將水樣測得的吸光度值代入到對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程公式（1）中（其中，y 為所測得的吸光度，x為水樣中的PAM 質(zhì)量濃度），計(jì)算得出PAM 質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

利用標(biāo)準(zhǔn)線性回歸方程計(jì)算出實(shí)際水樣中所殘留的PAM 質(zhì)量濃度，用Origin 數(shù)據(jù)分析軟件將西銘選煤水處理廠中PAM 的投藥量與殘留量進(jìn)行線性分析，以此方法找到最佳投藥比例，如圖2 所示。

圖2 投藥量與殘留量關(guān)系曲線

由圖2 可知，當(dāng)投藥量較小時(shí)，實(shí)際水樣中PAM 的殘留量也較小，PAM 殘留量隨著投藥量的增加而緩慢增大，此時(shí)關(guān)系曲線斜率較小，增幅相對(duì)較為緩慢；當(dāng)投藥量達(dá)到3.75 mg/L 時(shí)，殘留量與投藥量的關(guān)系曲線開始發(fā)生轉(zhuǎn)折，當(dāng)投藥量繼續(xù)增大時(shí)，整體斜率驟然增大，殘留量隨著投藥量變化的幅度驟增。

這意味著當(dāng)投藥量小于3.75 mg/L 時(shí)，投入水體中的PAM 溶液基本可以完全反應(yīng)，由于水量過大、流速過快等實(shí)際因素影響，因此會(huì)有些許殘留；當(dāng)投藥量大于3.75 mg/L 時(shí)，PAM 溶液對(duì)水體的絮凝效果到達(dá)反應(yīng)極限，過量的PAM 溶液不再參與絮凝，因此殘留量驟增。

3 結(jié)論

1）在配制溶液的過程中，溶液最佳體積比為V（PAM）∶V（CH3COOH）∶V（NaClO）=8∶1∶1。

2）當(dāng)投藥質(zhì)量濃度為3.75 mg/L 時(shí)，PAM 溶液對(duì)水體的絮凝效果最好且殘留量相對(duì)最少，故西銘選煤水處理廠的最佳投藥量為3.75×10-3kg/t 左右。為了達(dá)到最佳使用效果，建議將投藥方式由人工控制升級(jí)改造成自動(dòng)化或智能化的方式。