稻殼改性陽(yáng)離子絮凝劑的性能研究

付穎寰， 林程琳， 陳麗鳳， 馬紅超， 宋 宇， 馬 春

（1.大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

目前我國(guó)水資源污染嚴(yán)重，水環(huán)境的惡化促使人們不斷地尋找更好的廢水治理方法。絮凝作為廢水處理的一種重要方法，是一種應(yīng)用廣泛、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的水處理技術(shù)。通過(guò)絮凝作用，達(dá)到凈化水的目的［1］。對(duì)于低濁低溫水，合成有機(jī)高分子絮凝劑的處理效果明顯，并且對(duì)高負(fù)荷水有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。因此合成有機(jī)高分子在水處理中廣泛應(yīng)用，但其合成單體有毒，給環(huán)境帶來(lái)了不安全因素，甚至給環(huán)境造成二次污染［2］，因此發(fā)展天然有機(jī)復(fù)合絮凝劑具有廣闊的市場(chǎng)前景和現(xiàn)實(shí)意義［3］。

稻殼是稻米加工后的副產(chǎn)品，大量的稻殼都被丟棄或是燒掉，浪費(fèi)了資源，污染了環(huán)境［4］。我國(guó)農(nóng)村早有用布包裹稻殼截堵污水口以獲得較干凈灌溉水的做法，可見(jiàn)稻殼可以作為污水凈化處理之用，但直接使用效果并不理想，為了提高稻殼的綜合經(jīng)濟(jì)效益，減輕環(huán)境壓力，也為了得到較理想的水處理劑，可用稻殼制備絮凝劑［5］。

高錳酸鉀因其價(jià)格便宜，性能優(yōu)良而在絮凝劑改性中應(yīng)用頗廣，但改性天然纖維素尚未見(jiàn)報(bào)道。絮凝作用是復(fù)雜的化學(xué)和物理過(guò)程，影響絮凝作用的因素也是復(fù)雜和多方面的［6］。因此有必要對(duì)這些因素進(jìn)行具體討論。本文用高錳酸鉀作為引發(fā)劑在適當(dāng)條件下制備絮凝劑，并運(yùn)用燒杯實(shí)驗(yàn)，對(duì)模擬廢水的處理情況進(jìn)行了有效的探索。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

試劑：無(wú)水乙醇，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；十八烷基三甲基氯化銨，廈門(mén)英諾威化工有限公司；30%H2O2，沈陽(yáng)市新西試劑廠；高錳酸鉀、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸亞鐵，均為分析純。

儀器：HJ－7型六聯(lián)恒溫磁力攪拌器；SRJX－4－9箱形電阻爐；AR1530／C型電子天平；WK891型臺(tái)式高速離心機(jī)；WGZ－1型數(shù)字濁度儀；p H計(jì)。

1.2 方 法

將經(jīng)過(guò)堿浸反應(yīng)的稻殼（80目）倒入三口燒瓶中，加入一定量的醚化劑十八烷基三甲基氯化銨使用恒溫磁力加熱攪拌器加熱攪拌，在K Mn O4引發(fā)體系下反應(yīng)3 h，反應(yīng)溫度50℃，得到的反應(yīng)物在室溫下冷卻、離心，多次淋洗后低溫干燥，即得固體改性陽(yáng)離子絮凝劑。

1.3 性能測(cè)試

配置硅藻土模擬廢水的質(zhì)量濃度為1.0 g／L，高速攪拌20 min后，在室溫下密閉養(yǎng)護(hù)一整天。在每個(gè)燒杯中加入1 000 mL模擬水樣，加入適量絮凝劑，用六聯(lián)攪拌器在120 r／min高速攪拌使藥液分散完全，再以20～60 r／min攪拌20 min后靜置20 min，取上清液分別測(cè)定濁度。計(jì)算除濁率公式為

圖1 絮凝劑對(duì)自沉效果的影響Fig.1 Effect of flocculant on deposition

2 結(jié)果與討論

2.1 體系的自沉實(shí)驗(yàn)

稱取制備好的改性絮凝劑1.0 g投入到500 mL的硅藻土懸濁液中，按照絮凝實(shí)驗(yàn)方法，計(jì)算出除濁率，對(duì)比實(shí)驗(yàn)為自然條件下靜置的硅藻土懸濁液，變化情況如圖1所示。從圖1可以看出，自沉狀態(tài)下的硅藻土懸濁液，沉降速度慢且不明顯，靜置約1 h后，最高只能達(dá)到21.2%；而加入絮凝劑后，其沉降速度就快得多，靜置20 min就能基本澄清，且最終濁度的去除率可達(dá)到約86%，由此可見(jiàn)，完全依賴體系的自沉來(lái)達(dá)到澄清的效果顯然是不可行的，必須借助絮凝劑的作用，而自制絮凝劑的效果也十分明顯。

2.2 投加量的確定

利用燒杯實(shí)驗(yàn)確定不同投加量對(duì)除濁率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，隨著絮凝劑投加量的增加，在剛開(kāi)始時(shí)曲線有一個(gè)大幅度的上升趨勢(shì)，在投加量超過(guò)2.0 g／L之后，隨著絮凝劑投加量的增加絮凝效果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)投藥量過(guò)量后，體系帶有正電荷，同種電荷相互排斥，令架橋作用困難，使絮體再分散；另一方面，隨著絮凝劑投加量的增加，產(chǎn)生膠體保護(hù)作用，膠粒表面被絮凝劑包裹，使絮凝效果逐漸變差。多加入的絮凝劑會(huì)成為另一種污染物，加重濁度。由此可見(jiàn)，絮凝劑的最佳投加量為2.0 g／L，這時(shí)的除濁率能達(dá)到84%。

圖2 絮凝劑投加量對(duì)絮凝效果的影響Fig.2 Effect of flocculant dosage on turbidity removal

2.3 p H的影響

選擇合適的p H既可以提高絮凝效果，又能節(jié)約成本。配置1 000 mL的硅藻土懸濁液，用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)燒杯中溶液p H分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0。投加量為2.0 g／L。由圖3可以看出酸性條件下加入改性陽(yáng)離子絮凝劑的硅藻土懸濁液濁度的去除率比堿性時(shí)要高，在p H為5時(shí)除濁率能達(dá)到87%。陽(yáng)離子絮凝劑一般呈堿性，所以酸性條件更有利于其絮凝效果的發(fā)揮。

2.4 空間效應(yīng)

為考察單位體積待處理水樣所需絮凝劑的最佳投加量，設(shè)計(jì)下面的考察實(shí)驗(yàn)：樣品體積分別為100～800 mL，硅藻土質(zhì)量濃度為1.0 g／L，p H≤7，溫度為所處室溫（23.4℃），用燒杯實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。結(jié)果如圖4所示，單位體積投加量隨著待處理水樣的體積的增大而減少，超過(guò)500 mL時(shí)，最佳投加量又變大。也就是處理體積的加大有助于絮凝劑的有效實(shí)驗(yàn)。理論上體積的增大直接增加分子間的接觸面積，間接增加了分子的接觸幾率，不過(guò)這種增益被分子的空間分布梯度所抵消［7］。

圖3 酸堿度對(duì)除濁率的影響Fig.3 Effect of p H on turbidity removal

圖4 處理水樣體積對(duì)絮凝劑投加量的影響Fig.4 Effect of handling water volu me on dosage of flocculant

2.5 絮凝劑有效時(shí)間

絮凝劑穩(wěn)定性的研究對(duì)于實(shí)際應(yīng)用和大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)都具有重要意義［8］。以模擬廢水為空白對(duì)照，測(cè)定絮凝劑投加量為2 g／L時(shí)，除濁率的變化情況，實(shí)驗(yàn)共觀察2周。絮凝劑A為Fe2＋／H2O2為引發(fā)劑所制得的絮凝劑，操作方法參照文獻(xiàn)［9］；B為高錳酸鉀為引發(fā)劑所制得的絮凝劑。從圖5可以看出，加入了絮凝劑A，在6 d時(shí)間內(nèi)絮凝劑對(duì)濁度的去除效果較好，第7天絮凝效果隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸呈下降的趨勢(shì)，并在14 d后基本失去絮凝的性能。而加入絮凝劑B開(kāi)始時(shí)除濁率比加入了絮凝劑A高，但3 d以后就開(kāi)始出現(xiàn)絮凝效果減弱的趨勢(shì)。所以實(shí)際使用時(shí)，要盡可能減少絮凝劑的放置時(shí)間。

圖5 絮凝劑的有效時(shí)間Fig.5 Effective ti me of flocculant

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）對(duì)硅藻土模擬廢水的除濁實(shí)驗(yàn)中，絮凝劑在投加量為2.0 g／L、p H為5時(shí)，絮凝效果最佳，除濁率能達(dá)到87%。

（2）實(shí)驗(yàn)證明所制備的絮凝劑，使模擬廢水沉降速度快，除濁率高。而且分解速度快，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。

（3）實(shí)驗(yàn)所制得的稻殼改性高分子絮凝劑原料簡(jiǎn)單易得，制備工藝簡(jiǎn)單，容易操作。所得結(jié)果對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)提供了依據(jù)。

［1］林桂熾，黃玲珍.廢水處理過(guò)程中絮凝劑的應(yīng)用［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，29（1）：153－156.

［2］XIE Chenxin，F(xiàn)ENG Yujun，CAO Weiping，et al.Novel biodegradable flocculating agents prepared by phosphate modification of konjac［J］.Car bohydrate polymers，2007，67（4）：566－571.

［3］宋力.絮凝劑在水處理中的應(yīng)用與展望［J］.工業(yè)水處理，2010，30（6）：4－7.

［4］周雯雯，李湘洲，歷悅.稻殼及其產(chǎn)品在環(huán)保等領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.林產(chǎn)化工通訊，2005，39（4）：44－46.

［5］鄶會(huì)東.天然高分子陽(yáng)離子改性絮凝劑的制備及其性能研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007：4.

［6］陳捷.天然高分子改性陽(yáng)離子絮凝劑的研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2005：42.

［7］許映軍.天然有機(jī)高分子改性絮凝劑的研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2003：46.

［8］蘇振興，黃萬(wàn)金，謝娟毅，等.高效天然陽(yáng)離子絮凝劑RHNF的結(jié)構(gòu)及其性能研究［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2007，15（6）：48－51.

［9］蔣文新，張?zhí)靹伲瑥垵?，?天然改性陽(yáng)離子絮凝劑的制備及其應(yīng)用研究［J］.工業(yè)水處理，2005，25（6）：43－46.