热改性凹土复合聚丙烯酰胺絮凝剂在受污河水处理中的应用

马喜君，刘黎华

( 1.淮阴工学院生化学院，江苏 淮安 223003； 2.江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏 淮安 223003)

混凝沉淀法是目前水处理技术中最常用的物理处理方法。聚丙烯酰胺(PAM)是目前使用最为广泛的人工合成有机高分子混凝剂，它的混凝效果在于对胶体表面具有强烈的吸附作用，在胶粒之间形成桥联，广泛用于污水的沉淀处理和污泥的脱水。优点在于其官能团多、分子量高、稳定性好、吸附架桥能力强、絮凝效果好，同时投加量少、使用范围广、具有产生的污泥少等优点。PAM单独使用絮凝效果一般，通常都是和无机混凝剂复配使用，而且PAM成本较高，其水解、降解产物有毒，在水中的残留会对人类的健康带来一定的潜在风险。

凹凸棒石黏土(简称凹土)是一种铝镁硅酸盐矿物，属稀有非金属矿产资源。凹土具有独特的纤维状晶体结构及优越的胶体、吸附、催化和充填等物化性能，在废水处理中具有广泛的应用[1-3]。基于凹土特殊的性能，利用凹土复合PAM，提高PAM的絮凝性能，降低PAM的使用成本，可以达到PAM与无机混凝剂的复配效果。利用凹土所具有的选择性吸附有害物及各种有机和无机污染物[4-5]的功能，凹土复合PAM开发新型的复合絮凝剂，可用于处理高色度、高COD废水，也可以利用凹土的阳离子可交换性可用于处理含重金属废水[6]。本文在合成凹土复合聚丙烯酰胺絮凝剂的基础上，对受污河水的COD和浊度的去除效果进行了讨论，为新型絮凝剂产品的研发提供了一定的借鉴。

1 实验部分

1.1 实验药品

凹土购自江苏盱眙玖川科技有限公司，其他化学试剂均为分析纯，购买后直接使用。废水水样取自学校附近河水。

1.2 实验方法

1.2.1 凹土改性

采用热改性，一方面脱除水分，增大有效比表面积；另一方面活化吸附中心，提高其吸附效果。称取一定量经预处理后的凹土，分别在马弗炉中经不同温度(100℃、200℃、300℃、400℃、500℃)烘培1h，冷却至室温，研磨，过325目筛，密封保存。

1.2.2 复合絮凝剂的制备

将一定量的热改性凹凸棒土溶于去离子水中，超声振荡30min后得悬浊液，随后加入一定量丙烯酰胺，超声振荡3min，在氮气气氛中搅拌，在35℃下加入一定量的N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，过硫酸钾引发聚合反应，制得凹土复合PAM絮凝剂产品。

1.3 分析方法

1.3.1 FT-IR分析

用Nicolet NEXUS 670 FT-IR红外光谱仪分析复合絮凝剂的组成。

1.3.2 受污河水COD，浊度的测定

实验采用的受污河水初始COD为45.5 mg/L，浊度为2.5NTU，pH值为7.2。取受污河水700mL，加入一定量的复合絮凝剂，搅拌时间5min，静止沉淀时间30min，取上清液测定COD和浊度。COD采用重铬酸钾快速消解分光光度法，浊度采用YZD-1B型液体浊度仪测量。

2 结果与讨论

2.1 复合絮凝剂的FT-IR分析

图1为改性凹土复合PAM絮凝剂的FT-IR分析图。复合絮凝剂的FT-IR中，νN-H伸缩振动吸收位于3430 cm-1，酰胺羰基特征吸收峰νC=O位于1661 cm-1，1618 cm-1为δN-H弯曲振动吸收。在1100 cm-1、900 cm-1附近出现两个显著的新吸收峰，为Si-O的不对称和对称伸缩振动吸收峰，是硅酸盐的特征峰[7-8]，说明复合絮凝剂中凹土的存在。在1000 cm-1附近有Si-O-C振动。说明凹土与聚丙烯酰胺单体发生了接枝聚合，并不是简单的复配。

图1 改性凹土复合PAM絮凝剂的FT-IR

2.2 凹土热改性温度对复合絮凝剂絮凝效果的影响

图2为热改性温度对复合絮凝剂絮凝效果的影响曲线。COD去除率随着改性温度的升高先增后降。在400℃左右时，COD的去除率最大，达到37.8%，主要是因为随改性温度的升高，凹土经历了外表面吸附水、孔道吸附水和部分结晶水的脱出过程。凹土中的有机质及部分矿物质分解，使原先杂乱堆积的针棒状纤维变得疏松多孔，孔隙容积和比表面积大大增加，其吸附性能也大大增强。当温度超过400℃时，因结晶水的大量脱出，会使凹凸棒土结构发生变形甚至破坏，其比表面积会降低，吸附絮凝性能下降，导致COD的去除率也随之下降。

2.3 热改性凹土投加量对复合絮凝剂絮凝效果的影响

图3为热改性凹土投加量对复合絮凝剂絮凝效果的影响图。随改性凹土投加量的增加，复合絮凝剂的絮凝效果先增高后降低，凹土的的最佳投加量为0.5%。凹土与PAM复合，形成了以凹土为核的局部高分子体系，絮凝效果增强。当凹土投加量增大时，凹土团聚增强，分散性变差，导致絮凝效果减弱。

2.4 复合絮凝剂投加量对受污河水浊度的影响

图4为复合絮凝剂投加量对受污河水浊变的影响图。复合絮凝剂的加入，导致受污河水杂质悬浮颗粒迅速絮凝沉降，致使污水浊度下降。在投加量为50mg/L时，絮凝效果最好，随后絮凝剂的增加使浊度去除率减小，符合DLVO理论，与常规混凝剂的混凝机理类似。

图2 凹土热改性温度对复合絮凝剂絮凝效果的影响

图3 改性凹土投加量对复合絮凝剂絮凝效果的影响

图4 复合絮凝剂投加量对受污河水浊度的影响

2.5 凹土、PAM、复合混凝剂处理受污河水效果比较

由图5、图6可以看出，复合絮凝剂与改性凹土和聚丙烯酰胺单独使用相比较，复合絮凝剂具有COD去除率高、浊度去除率高、投加量少的优点，复合絮凝剂对受污河水COD的去除率达到45.6%，浊度的去除率达到66.3%。复合絮凝剂、PAM、凹土单独使用时的絮凝效果，随投加量的增加趋势基本一致，但出现了COD，浊度去除率最优点不同的情况。单独使用凹土时，投加量200mg/L时，受污河水浊度去除率最大为35.4%；单独使用PAM时，投加量150mg/L时，受污河水浊度去除率最大为37.7%；复合絮凝剂投加量50mg/L时，受污河水浊度去除率最大为66.3%。说明复合絮凝剂中凹土与PAM协同效应显著，处理效果得到大幅度提升，相应的COD去除效果实验也具有相似的规律。

图5 受污河水浊度去除比较

3 结论

通过热改性凹土复合PAM制备新型絮凝剂，研究结果表明：

1)热改性温度在400℃时，复合絮凝剂的絮凝效果最佳。

图6 受污河水COD去除比较

2)热改性凹土的投加量在0.5%时，复合絮凝剂的絮凝效果最佳。

3)复合絮凝剂中凹土和PAM协同效应显著，复合絮凝剂投加量50mg/L时，受污河水的COD和浊度的去除效果最好。

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