高分子水处理剂研究

时间：2022-10-05 23:25:10 化学毕业论文我要投稿

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高分子水处理剂研究

　　高分子水处理剂研究【1】

高分子水处理剂研究

　　【摘要】水是生命之源，但社会的进步，使人们对水资源的需求更大，水体污染也随之加剧。

　　为了能够实现高效环保的污水处理目标，本文对新型、环保、高效、且成本低廉的高分子水处理剂进行简要概述。

　　【关键词】水体污染;高分子;水处理剂

　　一、高分子水处理絮凝剂

　　(一)絮凝剂的发展

　　絮凝剂发展已经经历了较为漫长的过程。

　　最早研究和制备的都是传统的无机絮凝剂，主要是一些低价金属盐类，接着又陆续发展研究出了：无机高分子、有机高分子以及微生物絮凝剂。

　　1.无机絮凝剂

　　传统的无机絮凝剂主要是铝、铁盐类，如氯化铝、氯化铁、明矾等。

　　主要机理基本都是无机盐或其水解过程的中间产物，在水中产生的阳离子与胶体粒子或者悬浮颗粒表面带有的负电荷，在静电吸附作用力下相结合，使这些带负电荷的悬浮物沉淀而从水中分离。

　　但其分子量较低，用量大，絮凝效果较差。

　　无机高分子絮凝剂多为铁、铝类的聚合物，如聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚合氯化硫酸铁等。

　　但pH值及共存盐类对其絮凝效果影响较大，絮凝剂性能不稳定，储存时间短，还有可能造成二次污染问题。

　　2.有机高分子絮凝剂

　　有机高分子絮凝剂与无机絮凝剂相比，其用量少、沉降快、受温度、值和盐类的影响小，发展前景广阔。

　　合成有机高分子絮凝剂的原料主要为石化产品，最为广泛的是聚丙稀酰胺及其衍生物、同系物的应用。

　　聚丙稀酰胺类絮凝剂分子量高，在水中可通过架桥作用、电子吸附中和作用使悬浮粒子、有机物沉降出来。

　　但随着资源危机的加剧，导致石油产品价格上涨，使人们难以接受丙稀酰胺絮凝剂的价格。

　　天然高分子絮凝剂主要有淀粉、木质素及甲壳素及其衍生物等类絮凝剂等。

　　这类絮凝剂的成本低廉，产品可完全生物降解，环保无污染问题。

　　但其絮凝效果较差。

　　3.微生物絮凝剂

　　微生物絮凝剂，是生物技术发展的产物，它从微生物体内或其分泌物中提取、纯化得到的高分子聚合物，有较高的热稳定性且安全高效，并能自然降解。

　　但因其受易水质的影响、产量小、成本高，目前还处于研究中，无法实现工业化。

　　从上述絮凝剂的发展历史来看，经过漫长的过程，无机絮凝剂慢慢由有机和微生物絮凝剂代替。

　　二、淀粉改性絮凝剂的研究

　　天然淀粉具有亲水性，但是低温时与水不溶，且加热还会产生糊化、变稠及流动性差等缺陷，因此使用时有很大的局限性。

　　而聚丙稀酰胺在高分子絮凝剂中最具代表性，广泛应用于各种领域，但其价格高，受温度、酸碱度等条件的影响大。

　　因此研究以天然高分子经化学改性而形成的天然改性高分子絮凝剂势在必行。

　　淀粉接枝丙稀酰胺类絮凝剂弥补了性能上的不足，这种新型絮凝剂兼具天然、合成高分子的双重性能，把淀粉亲水的刚性链作为骨架，接枝柔性的聚丙炼酰胺支链，而形成刚柔并济的网状大分子，具有比更强的捕获能力。

　　其用量少、价格低、分子链宽、热稳定性强、效果好，备受人们关注。

　　近年来，淀粉接枝聚丙稀酰胺絮凝剂的报道有很多，郭玲等人利用60Coγ射线预辐照法制备出了淀粉接枝共聚物，絮凝效果比国产聚丙稀酰胺要好，处理过的废水达到了排放标准;史俊杰将玉米淀粉与丙炼酰胺接枝，并用于生活污水和含油废水的处理;李淑红等将淀粉接枝丙稀酰胺絮凝剂处理高矿化度的油田废水，且性能优良，处理后水的独度及都到达了排放标准;黄公洛将淀粉接枝丙烯酰胺聚合物应用于长江水的处理，与无机絮凝剂聚合氯化铝对比，可以明显看出淀粉接枝丙稀酰胺絮凝剂的效果更优。

　　三、超分子水处理吸附剂

　　(一)超分子化学的研究进展

　　超分子作用是具有分子识别能力的主客体分子间的相互作用，其分子间作用力包括：氢键、范德华力、静电作用力、疏水亲脂作用力、芳香堆积力、配位键作用力等。

　　所谓分子识别是指主体对客体选择性地结合并产生特殊功能的过程，它是构成超分子结构、体系的基础，是超分子化学研究的一个核心内容。

　　但并不是任意两个分子之间都能形成超分子体系，首要前提是需要一个特定空间环境，并能通过一定的形式进行相互匹配。

　　其中的匹配包括主客体的结合、尺寸与形态的兼容、分子与电子的互补、刚柔性的调节、主客体之间相互作用点和接触面积的多少等等。

　　这些匹配使得超分子具有的高度的选择识别能力，而自发形成有序结构的这种过程就称作超分子自组装。

　　(二)静电纺丝技术

　　静电纺丝是现有的唯一可以连续制备纳米纤维的技术，该技术在1934年间由Formhals提出，其原理是：在外加电场的作用下，在注射器内的聚合物溶液或溶体克服自身的表面张力而形成喷射细流，最终溶剂蒸发或溶体冷却得到纤维。

　　各种研究结果表明，静电纺丝得到的纤维具有各项优异性能，如比表面积大、硬度和强度都较高等，并且通过改变静电纺丝的参数，我们可以得到不同特殊结构的纤维，如多孔、中空、有序排列和三维结构的纤维等。

　　(三)纳米纤维在水处理中的应用

　　纳米纤维膜技术具有低操作成本、高效等特性。

　　广泛地应用于水处理领域。

　　静电纺丝制备的纳米纤维具有直径小、多孔、比表面积大等性能，是一种优良的膜材料，在水处理中可用作检测和过滤、吸附分离。

　　Haider Sajjad等人用静电纺丝法制备了壳聚糖膜并测定了其在水溶液中对金属的吸附性能，结果表明，壳聚糖膜在水中没有丧失生物适应性、活性和无毒性，并表现出了良好的抗腐烛及金属吸附性能。

　　Kris J Senecel等人将带有羧基的PVC，带有氨基的聚胺和聚亚安酯混纺得到纤维膜，该膜因带有特定的功能型官能团，所以对特定的抗体或污染物有很高的灵敏度，在污染物检测中很有应用前景。

　　四、小结

　　水资源短缺是我国面临的关系到国计民生的重大问题，对水体污染的治理显得极为重要。

　　目前，污水处理主要有吸附法、化学中和沉淀法、电解法、离子交换法、电渗析等，但这些方法或者所需费用昂贵，或者不能有效处理。

　　所以，寻找新型、环保、高效、且成本低廉的水处理材料将是以后的发展方向。

　　参考文献：

　　[1]刘鹤.纤维素纳米晶体及其复合物的制备与应用研究[D].中国林业科学研究院，2011.

　　[2]袁毅桦.基于壳聚糖与海藻酸钠的改性聚合物的制备结构与性能研究[D].华南理工大学，2012.

　　水处理中高分子铁盐絮凝剂的应用研究【2】

　　【摘要】近年来，水源水质不断恶化，城市供水水质标准日趋严格，对水厂出水水质提出了更高要求。

　　本文综述了几种高分子铁盐絮凝剂的研究情况，介绍了该领域内取得的进展，并指出了发展前景。

　　【关键词】无机高分子絮凝剂;铁盐;水处理

　　近年来，水源水质不断恶化但城市供水水质标准日趋严格，这就对水厂出水水质提出了更高要求。

　　由于传统絮凝剂受到诸多因素的限制，絮凝效果已很难满足目前的处理要求，高分子絮凝剂以其超强的凝聚效果、良好的脱色能力等优点，在水处理过程中起着越来越重要的作用。

　　1.无机高分子絮凝剂的絮凝机理及优势

　　无机高分子絮凝剂的作用机理是多核羟基络合物的中间产物，与颗粒物的吸附实际上是表面络合配位作用，吸附在表面后会从溶液中吸取羟基，继续其水解沉淀过程，直至饱和成为氢氧化物沉淀凝胶，与颗粒物生成絮团。

　　因此无机高分子絮凝剂和有机高分子絮凝剂相比较具有较多的优势：适应性广泛，絮凝沉降性能好，具有高效低耗的特点;水解产物或中间产物无毒或低毒;制备絮凝剂的原材料来源广泛，价格低廉;制备絮凝剂的工艺简便易行。

　　2.聚合高分子铁盐絮凝剂的研制

　　无机高分子铁盐絮凝剂的生产在水处理中的应用已取得了一定进展，目前聚合铁盐主要有聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚合磷酸铁等。

　　(1)聚合硫酸铁：一种在硫酸铁分子族的网状结构中插入羟基后形成的无机高分子絮凝剂，在水中以各种多核羟基络离子的形式存在，同时具有电中和和吸附架桥能力，具有很强的除浊、除色及去除重金属的能力。

　　此外，对浮游微生物也有较好的去除效果。

　　(2)聚合氯化铁：可按任意比例与水混合，水解速度快，腐蚀性小，适用范围广，净水效果比氯化铁好，特别适用于处理低温水。

　　随着聚铁盐研究的深入，在聚合氯化铁的基础上利用煤矸石、铁矿石等为原料研制出铁铝复合絮凝剂聚合氯化铝铁。

　　(3)聚铁的改性：为提高单一聚合铁盐聚合度、稳定性及净水效果等，对聚合铁盐进行复合改性。

　　一方面可在合成时加入某种添加剂，使其插入聚合铁的分子网络中或与之形成配合物;另一方面在铁盐体系中引入阳离子或阴离子，对聚合铁盐絮凝剂进行复合改性。

　　包括加入Al、Mg等进行阳离子改性，可充分发挥各种盐类的优势和它们的协同增效作用;引入阴离子，特别是高价阴离子，如硅酸根，不仅可增加聚合度，还可能产生新的物种;阴、阳离子都加入，形成阴阳离子复合改性体系。

　　有关聚铁研究表明Fe3+具有强烈的水解倾向，聚铁的絮凝性能与盐基度有关，盐基度越高，其分子聚合度越大，絮凝性能就越好，因此在聚铁生产基础上加入少量改性剂，使其盐基度提高，更好的改善絮凝效果。

　　3.复合型高分子铁盐絮凝剂的研制

　　无机高分子絮凝剂的研制主要向引入其他离子、制备复合型絮凝剂方向发展，因此，引入羟基、聚硅酸、磷酸根等以增强铁盐聚合物的聚集能力，从而改善絮凝效果。

　　(1)聚氯硫酸铁：利用硫酸-盐酸混合酸为原料可制得聚氯硫酸铁，这是在聚合硫酸铁基础上研制的复合铁盐絮凝剂，它具有良好的电荷中和与吸附架桥功能。

　　在给水处理中，聚氯硫酸铁沉降快，沉降的污泥脱水性能好。

　　在相同的絮凝条件下，聚氯硫酸铁的投加量仅为聚合硫酸铁的二分之一，且絮凝效果更好。

　　聚氯硫酸铁在pH=6～9的范围内具有良好的絮凝去浊性能。

　　聚氯硫酸铁的混凝效果优于 PFS和三氯化铁，当投加量在10×10-6～15×10-6时，处理后的原水浊度符合饮用水标准。

　　(2)聚合硅酸类复合铁盐：相对于聚合铁而言，对聚硅酸的聚合机制研究较为透彻，当聚硅酸铁盐用作絮凝剂投进水中后，一方面稀释作用、pH的升高会引起铁盐水解程度的变化和形态的转化，铁水解产物与聚硅酸结合，pH的升高导致聚硅酸的进一步聚合直至形成溶胶物;另一方面，铁的各水解产物在混合过程中被水中悬浮物颗粒吸附使颗粒脱稳，聚硅酸大分子或溶胶对吸附了铁水解产物的悬浮物产生架桥及黏附作用产生了大的絮体，从而取得净水效果，以上过程同时进行且可迅速完成。

　　目前，聚硅硫酸铁絮凝剂的合成方式主要有：将硫酸铁引入到活化后的硅酸聚合物中，陈化后得到聚硅硫酸铁絮凝剂;将聚硅酸与聚合硫酸铁在一定条件下复合，得到聚合硫酸铁-聚硅酸复合型絮凝剂。

　　此外，如将聚硅酸与聚合氯化铁复合可得聚合硅酸氯化铁。

　　(3)聚合磷酸类复合铁盐：在聚合铁盐中引入适量的磷酸盐可制得聚合磷酸类复合铁盐，磷酸根能影响Fe3+的水解反应，增强桥连作用，形成多核络合物，显著提高聚合铁盐的絮凝速度和絮凝能力。

　　絮凝剂絮凝能力的提高与磷酸根置换聚合铁的羟基，在铁原子间架桥形成高价的多核络合物有关。

　　此外将一定配比的三氯化铁、磷酸氢二钠一起研磨，搅拌均匀后置于瓷坩埚放入高温炉，控制温度280～320℃，分解一段时间，取出冷却至室温，加入适量去离子水，充分搅拌成软固体物即得聚磷氯化铁。

　　在聚合氯化铁中引入适量磷酸根，对聚铁有增聚作用，其混凝去污能力超过PFC。

　　此外，将聚铁与专用助凝剂Mz混合，可形成高聚合体复盐，其聚合和处理效果优于常见的铁盐絮凝剂。

　　此外在聚铁生产的基础上进行改性，其絮凝效果也远远优于传统聚铁盐。

　　4.无机-有机高分子铁盐絮凝剂的研制

　　无机高分子絮凝剂虽然对水处理的适应性强，但生成的絮体体积小，絮凝速度受到影响。

　　有机高分子絮凝剂同无机高分子絮凝剂相比，具有用量少，絮凝速度快，受共存盐类、PH值及环境温度影响小等优点。

　　此外，有机高分子絮凝剂脱色性好，某些有机絮凝剂的脱色率比无机絮凝剂高20%～30%。

　　但由于某些有机高分子絮凝剂在水解或降解过程中的产物有毒，所以在实践应用中发现无机-有机物进行共聚生成新型聚合物，使它不仅可消除副产物毒性而且其絮凝性能得到提高。

　　有机无机复合絮凝剂的品种日趋多样，性能也向多元化发展。

　　作用机理主要与协同作用相关。

　　无机高分子成分吸附杂质和悬浮微粒，使形成颗粒并逐渐增大;而有机高分子成分通过自身的桥联作用，利用吸附在有机高分子上的活性基团产生网捕作用，网捕其它杂质颗粒一同下沉。

　　同时，无机盐的存在使污染物表面电荷中和，促进有机高分子的絮凝作用，大大提高絮凝效果。

　　无机一有机高分子复合的优越性主要体现在：无机高分子絮凝剂的吸附架桥能力较弱，而有机高分子絮凝剂的加人会弥补这一弱点，使得絮凝剂的絮凝性能提高;絮体形成速度加快，体积更大，沉降性能更好;絮凝的有效pH范围会变宽;絮凝剂的投量会减少，处理成本会降低。

　　5.结束语

　　(1)应加强絮凝学科的基础研究：复合絮凝剂的组分复杂，其在水中存在的形态及相互作用还有很多模糊之处，通过加强对絮凝化学、絮凝动力学等的研究，进一步揭示复合絮凝剂的复杂作用机理，才能确定优势絮凝性能的物质及其形态，推动高效絮凝剂的开发。

　　(2)应加强絮凝剂的改性研究：普通聚铁因生产过程中使用了亚硝酸钠作为催化剂，其潜在的不安全性影响了作为生活饮用水处理剂的广泛应用，而改性后的聚铁则能有效去除亚硝酸盐，减少在使用过程中的二次污染。

　　(3)应加强复合絮凝剂的配比和最佳工艺研究：每种复合絮凝剂的组分在形态结构和絮凝效果中的作用大小，需要在实验中加以确定。

　　此外，最佳配比和工艺的研究可有效降低生产成本，获得良好的经济效益。

　　【参考文献】

　　[1]汤鸿霄.无机高分子絮凝剂的研制趋向中国给水排水，1999.

　　[2]肖锦.我国絮凝剂发展现状与对策现代化工，1997.

　　有机高分子絮凝剂动态絮凝的模拟研究【3】

　　摘要：指出了在离心脱水过程中,需对污泥投加絮凝剂进行化学调理,保证脱水效果。

　　通过对有机高分子絮凝剂静态与动态絮凝的模拟研究,考察了絮凝剂在高剪切力下的耐受程度,研究选择了适用于卧螺离心机的絮凝剂。

　　关键词：卧螺离心机;离心脱水;絮凝剂;动态絮凝;高剪切力

　　1引言

　　卧螺离心机因其分离效果好、自动化程度高等特点,广泛应用于市政、工业污水厂的污泥脱水工艺。

　　由于污泥的固体颗粒一般很细小,常常带负电荷,能够形成一种稳定的胶体悬浮液[1],为了提高污泥脱水效果,需对污泥进行预处理,目前普遍采用的方法为投加絮凝剂的化学调理方法,细小的污泥颗粒通过絮凝后形成较大颗粒,从而便于离心分离。

　　在卧螺离心机实际运行过程中,会产生很高的剪切力,最大时为2 500～3 000倍重力加速度,将絮凝好的颗粒搅碎。

　　实验室污泥絮凝实验时,通过对絮凝体沉降速度和上清液澄清度的考察,可衡量絮凝效果的好坏,由于实验是静态的过程,絮凝体耐受高剪切力的性能容易被忽略,待到上机实验时筛选合适的絮凝剂,往往会消耗大量的时间和资源。

　　因此采用模拟高剪切力环境的方法,进行动态絮凝,以便更加准确地选择适合的絮凝剂与预测用量。

　　2材料与方法

　　2.1实验方法

　　通过控制搅拌速度来模拟高剪切力的环境，搅拌速度会影响絮凝效果,速度过快,会将大胶体或絮体搅碎,同时高分子絮凝剂在高剪切作用下极易断链,造成降解失效。

　　一般搅拌速度以40～80r/min为宜,不要超过100r/min[2]。

　　由于各种文献资料表述的最大搅拌速度不尽相同,搅拌直径也未说明,故以线速度表示,采用两种实验方法，将污泥高速搅拌,再投加絮凝剂,通过对絮凝体沉降效果的考察,判断絮凝剂耐受高剪切力的程度;小试模拟后,进行中试模拟,采用上海市离心机械研究所有限公司研发的专利装置模拟卧螺离心机内部流动状态。

　　2.2实验仪器与试剂

　　仪器为恒速搅拌器S312-40,转速60～1 300r/min,搅拌器最大直径48mm,数字显示转速;试剂为聚丙烯酰胺絮凝剂(PAM),阳离子、阴离子各两种,相对分子量分别800万和1 200万;

　　样品为二沉池污泥,取自上海长桥污水处理厂,污泥浓度3%(m/m)。

　　2.3实验数据

　　2.3.1小样实验

　　将PAM絮凝剂配成0.1%浓度的溶液备用。

　　取200mL污泥,加入絮凝剂至获得良好的絮凝效果,留作对比样,观察并记录絮凝体大小、絮凝剂用量;将物料在高速下搅拌,转速分为5档:400、600、800、1 000、1 200r/min,分别对应线速度为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0m/s,加入絮凝剂絮凝,搅拌10s后倒入量筒,测定污泥沉降比(SV),计算污泥指数(SVI)。

　　6结语

　　泵送矸石充填采空区技术具有以下优点。

　　(1)实现矸石不升井,减少矸石山占地,有利于保护环境,降低污染,彻底解决了地面矸石山占地及其所造成的环境污染等问题,实现了以矸换煤、绿色环保开采。

　　(2)实现工作面前进式开采、沿空留巷,少掘进一条巷道,减少巷道掘进工程量,杜绝掘进巷道施工时的各种不安全隐患。

　　(3)能够减小顶板下沉,减少地表沉陷,可以实现“三下”采煤,提高煤炭回收率,可以大幅度解放煤炭储量。

　　采用泵送矸石充填开采技术,为煤矿开采探索出一套安全、经济、简单易实施的充填技术,可在煤炭行业推广应用;具有巨大的经济效益和社会效益。

　　实验数据见图1,实验显示动态絮凝时的絮凝体要比静态小许多,阴离子絮凝剂在高速搅拌下容易被打散,污泥回到原有状态,沉降性能差;阳离子絮凝剂相对比较稳定,絮凝体比阴离子大些,分子量高的絮凝剂沉降性能好些。

　　图1小样实验数据

　　2.3.2中试实验

　　实验装置如图2所示,进泥量1.0m3/h,线速度8.0m/s,采用阳离子絮凝剂进行实验。

　　实验步骤:进泥同时投加絮凝,从取样口取样测定SVI值,调节絮凝剂的量直至SVI值达到小样实验时的水平,记录絮凝剂的用量。

　　阳离子1 200万分子量用量为静态时的1.5倍,800万分子量为1.9倍。