復(fù)合型絮凝劑在海水淡化預(yù)處理中的應(yīng)用研究

程 俊

(中國環(huán)境管理干部學院，河北 秦皇島 066004)

海水淡化是將海水脫鹽處理獲得淡水的過程，是解決全球淡水危機的有效措施之一，反滲透膜法進行海水淡水技術(shù)比較成熟。反滲透法進行海水淡化，延長反滲透膜的壽命可以有效降低海水淡化設(shè)施的運行成本;通常采用絮凝法對海水進行預(yù)處理，絮凝法處理海水，絮凝劑的選擇是關(guān)鍵。筆者以自制的聚硅酸氯化鐵和自制的改性殼聚糖進行復(fù)配，通過海水絮凝試驗效果比較，確定最優(yōu)的反應(yīng)條件。

1．聚硅酸氯化鐵(PFSC)與改性殼聚糖(CAM)的制備

1．1 PFSC的制備方法

將水玻璃(Na2SiO3·9H2O)用蒸餾水配置成一定濃度的溶液，常溫條件下，加入一定濃度的稀硫酸溶液，并用攪拌器不斷攪拌使其混合均勻，pH值保持在2以下，熟化4～5h后即可制得聚硅酸;在不同溫度下滴加FeCI3溶液，反應(yīng)過程中用攪拌器勻速攪拌，可調(diào)節(jié)pH值，選擇最佳的聚合條件，聚合反應(yīng)完成后，反應(yīng)30min后靜置一段時間，就可得到PSFC產(chǎn)品。

1．2 改性殼聚糖(CAM)的制備

通過閱讀大量相關(guān)文獻，采用羧基化反應(yīng)對殼聚糖改性有利于絮凝反應(yīng)的發(fā)生。向殼聚糖分子上引入羧基以后，可以有效增加親水性，大大改善殼聚糖的水溶性，有效提高殼聚糖的絮凝性能。對殼聚糖進行羧基化改性的方法有氯乙酸法、微波法、相轉(zhuǎn)移催化法等。

本實驗采用氯乙酸法，用異丁醇做溶脹劑。發(fā)生的化學反應(yīng)原理為:

將殼聚糖溶解在有機溶劑中，制成漿狀物，加入NaOH溶液進行鈉質(zhì)化反應(yīng)，在加熱的條件后加入固體氯乙酸發(fā)生羧基化反應(yīng)，發(fā)生的化學反應(yīng)可以表示為:

2．復(fù)合型絮凝劑PFSC－CAM的制備

2．1 實驗所需藥劑

自制的聚硅酸氯化鐵;自制的改性殼聚糖。

2．2 制備復(fù)合型絮凝劑

本實驗首先將殼聚糖進行羧基化反應(yīng)制得改性殼聚糖與自制的聚硅酸氯化鐵進行復(fù)配，制得復(fù)合型絮凝劑PFSC－CAM。改性殼聚糖和聚硅酸氯化鐵通常以兩種形式復(fù)合，一種是投加前復(fù)合，即在對海水進行絮凝前將兩種絮凝劑以一定比例混合，混合攪拌后制得具有一定特征的溶液;一種是絮凝海水過程中復(fù)合，即在將海水加氯消毒靜置后，按不同投加順序和投加比例加入海水中，以一定攪拌速度攪拌后靜置。經(jīng)過對兩種復(fù)合方式對海水進行絮凝效果，選擇絮凝海水過程中復(fù)合的方式制得PFSCCAM絮凝劑。

3．復(fù)合型絮凝劑在海水淡化預(yù)處理中的應(yīng)用

3．1 PFSC－CAM在海水淡化預(yù)處理中的應(yīng)用技術(shù)路線

復(fù)合型絮凝劑PFSC－CAM在海水淡化預(yù)處理過程中的應(yīng)用過程如圖1所示，首先在一定條件下制得聚硅酸氯化鐵(PFSC)，利用氯乙酸法對殼聚糖進行羧基化處理制得改性殼聚糖(CAM)，取250ml海水，經(jīng)加氯消毒后進行絮凝實驗，絮凝沉淀后進行過濾，利用堿性高錳酸鉀法、濁度儀法測定絮凝前后海水性質(zhì)的變化。

圖1 PFSC－CAM復(fù)合型絮凝劑在海水淡化預(yù)處理中的應(yīng)用

3．2 海水絮凝實驗

采用燒杯絮凝沉淀法:取自秦皇島渤海近海的海水;溫度為20℃的海水，經(jīng)濁度儀測得所取海水濁度值為28NTU，利用高錳酸鉀法測得海水COD為9．1。實驗中用燒杯取250ml的海水經(jīng)加次氯酸消毒后進行絮凝沉淀實驗。

通過改變兩種藥劑的投加順序、投加藥劑量，海水pH等條件，對海水絮凝沉淀后進行濁度和COD的比較。

3．2．1 投加順序和投加量對海水濁度去除率的影響

圖2 復(fù)合型絮凝劑投加順序和投加量對海水濁度的影響

對于絮凝反應(yīng)過程中進行復(fù)合的絮凝劑，兩種藥劑性質(zhì)和絮凝機理不同，不同的投加順序絮凝效果有明顯差別，具體如圖2所示。在海水絮凝過程中，先投加聚硅酸氯化鐵的海水濁度去除率明顯高熾利于先投加改性殼聚糖的。分析原因，主要因為海水中存在著大量呈負電性的膠體顆粒，未投加絮凝劑的海水中膠體顆粒間由于受到互相的靜電斥力，而彼此獨立地存在，投加到海水中的聚硅酸氯化鐵在海水中發(fā)生水解反應(yīng)，反應(yīng)后會產(chǎn)生大量的鐵離子，這些鐵離子可以有效地中和膠粒的表面所帶的負電荷，從而使膠體粒子之間的靜電斥力大大降低，并使其能更易于聚集形成較小的絮體。改性殼聚糖的絮凝劑機理與聚硅酸氯化鐵不同，主要為吸附、架橋和網(wǎng)捕作用。先投加的聚硅酸氯化鐵在海水絮凝過程中中和了海水膠體粒子表面的負電荷，使海水中的膠體粒子形成細小的絮體，后投加改性殼聚糖發(fā)揮其獨特作用使之前形成的小絮體一步步變成較容易去除的大絮體，使海水絮凝達到最佳的效果。而先投加改性殼聚糖時先發(fā)揮了吸附架橋作用，卻無法破壞膠體粒子之間的靜電斥力，使水中帶負電荷的膠粒被“包裹”起來，這時再投加聚硅酸氯化鐵就沒有意義了，相反還可能進一步增加了海水的濁度。從圖1還可以看出，等復(fù)合絮凝劑的投加量達到最佳后，再繼續(xù)投加，濁度去除率明顯降低，當復(fù)合絮凝劑的投加量聚硅酸氯化鐵用量為0．2mg/L，改性殼聚糖用量為2mg/L時，復(fù)合絮凝劑對海水的絮凝效果最佳，海水濁度去除率可達到98．6%，后投加的改性基殼聚糖對海水中的鐵離子還可起到吸附作用，從而進一步降低了海水濁度。

3．2．2 復(fù)合絮凝劑投加順序和投加量對COD去除率的影響

從圖3可以明顯看出，先投加聚硅酸氯化鐵的處理效果明顯優(yōu)于先投加羧甲基殼聚糖的，復(fù)合絮凝劑的用量為“1”時，即聚硅酸氯化鐵用量為0．2mg/L，改性殼聚糖用量為2mg/L時，對海水COD去除效果最明顯，可達到82．6%。這主要因為海水中的膠體微粒大部分呈負電性，而無機絮凝劑聚硅酸氯化鐵可以有效中和膠體表面電性，明顯降低膠體之間的靜電斥力，而后投加的改性殼聚糖可以發(fā)揮吸附架橋和網(wǎng)捕的作用。兩種絮凝劑有機結(jié)合，充分發(fā)揮其絮凝作用，有效降低了海水中的COD值。

圖3 復(fù)合絮凝劑的投加量和投加順序?qū)OD去除率的影響

3．2．3 單一絮凝劑與復(fù)合絮凝劑的效果比較

通過對海水進行絮凝實驗，確定單一絮凝劑(PFSC、CAM)的最佳實驗條件，與PFSC－CAM復(fù)合絮凝劑在最佳實驗條件下的絮凝效果進行比較，并對絮凝成本進行粗略計算，做一簡單比較，結(jié)果見表1。

4．結(jié)論

對殼聚糖進行羧基化改性處理，將改性后的殼聚糖與自制的聚硅酸氯化鐵進行復(fù)合，用于海水淡化預(yù)處理，確定最佳實驗條件為:先投加聚硅酸氯化鐵0．2mg/L，改性殼聚糖用量為2mg/L時，海水絮凝效果最好，海水濁度去除率可以達到98．6%，COD去除率可達到82．6%。復(fù)合絮凝劑與單獨使用兩種絮凝劑進行比較，復(fù)合型絮凝劑PFSC－CAM應(yīng)用于海水絮凝具有投加藥劑少、處理效果好、成本低等明顯優(yōu)勢。

表1 不同絮凝劑的絮凝比較

[1]周軍，常芙蓉．海水淡化及其預(yù)處理技術(shù)研究進展[J]．蘇鹽科技，2008

[2]WILFM，SCHIERACH M K．Improved performance and cost reduction of RO seawater systems using UF pretreatment[J]．Desalination，2001

[3]田澎，顧學芳．羧甲基殼聚糖的制備及應(yīng)用研究[J]．化工時刊，2004，18(4)

[4]王麗敏，劉振鴻．羧甲基殼聚糖的制備及在水處理中的應(yīng)用研究進展[J]．安徽化工，2005(4)

[5]涂盛輝，龔美青，萬金保．一種新型復(fù)合絮凝劑的合成及其應(yīng)用[J]．工業(yè)水處理，2013，33(11)

[6]張雨山，王靜，寇希元等．絮凝法強化大生活用海水一級處理研究[J]．海洋技術(shù)，2002，21(4)