PAFC－CPAM高分子杂合絮凝剂表征及絮凝效果分析

刘文敏，王光华，李文兵，刘 奇，雷 琪，杨书琴

（武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北武汉，430081）

降低焦化废水的色度和浊度一般采用的是絮凝法［1］，无机高分子混凝剂和有机高分子絮凝剂是其中较常用的两种高分子絮凝剂。无机高分子混凝剂在絮凝效果方面优于传统絮凝剂，但存在投加量大、污泥多、沉降速度慢等缺点；有机絮凝剂具有沉降速度快、投药量少等优点［2］，但生产成本较高。近年来，无机－有机杂合絮凝剂因其高效性和低成本而受到广泛关注［3］。高分子杂合絮凝剂综合利用了无机絮凝剂的高电荷密度和有机絮凝剂吸附桥架作用，既增强了两者的协同作用，又弥补了两者的缺点，且采用的是一步投加方式，较之于两步投加的复配絮凝剂，节省了人力和物力［4］。

本文通过对PAFC－CPAM高分子杂合絮凝剂的合成，研究其最佳合成条件及其用于焦化废水再生处理效果。

1 实验

1.1 实验材料及仪器

实验材料为结晶氯化铝、结晶氯化铁、氢氧化钠（以上均为分析纯）、阳离子聚丙烯酰胺（CPAM，工业品级）。废水取自某焦化厂生化处理后的二沉池水，原水水质指标如表1所示。

检测仪器为：VERTEX70型红外光谱仪（德国Bruker公司）；XL30 TMP型扫描电镜（荷兰PHILIPS公司）。

表1 原水水质指标Table 1 Index of raw wastewater

1.2 PAFC－CPAM高分子杂合絮凝剂制备

取一定量AlCl3·6 H2O和FeCl3·6 H2O，溶解于蒸馏水中，配制成浓度为1 mol／L的溶液，在磁力搅拌器作用下，以一定速度缓慢滴加0.5 mol／L NaOH溶液，制成碱化度B为2的聚合氯化铝铁（PAFC，［Al3＋］／［Fe3＋］为9∶1），静置熟化24 h。

取一定量的PAFC溶液，在磁力搅拌下控制反应温度，按预定的质量比以一定速度缓慢滴加0.5 g／L CPAM溶液，滴加完毕后静置熟化24 h，浓缩、定容后即得一定质量分数的PAFC－CPAM高分子杂合絮凝剂。根据极差分析，综合平衡诸因素，选取w（PAFC）／w（CPAM）为100∶1、碱化度为1.5作为PAFC－CPAM高分子杂合絮凝剂的最佳合成条件。

1.3 净化处理

在250 m L烧杯中加入200 m L焦化废水，投加一定量絮凝剂，以150 r／min的转速搅拌2 min，再以50 r／min的转速搅拌5 min，静置沉降20 min，于液面下3 cm处吸取一定量清液，测定CODCr、色度。COD测定采用重铬酸钾法（GB／11914—89），色度测定采用铂钴比色法（GB／11903—89）。用去除率作为衡量指标。

2 结果与讨论

2.1 絮凝效果分析

不同絮凝剂对CODCr去除率的影响如图1所示。由图1可看出，PAFC－CPAM对COD去除率明显高于AlCl3、CPAM对COD的去除率；PAFC－CPAM对CODCr去除率随絮凝剂投加量的增大呈先增大后减小趋势，最大去除率可达52.17%。其原因为，PAFC是一种阳离子型无机高分子混凝剂，其絮凝机理主要为吸附／电中和，CPAM的絮凝机理主要为吸附／桥架［5］，PAFCCPAM投加量增大，其电中和能力和吸附桥架作用同时增强，较强的静电中和与吸附桥架作用使废水中的有机物及悬浮颗粒迅速沉降，故CODCr去除率增大；当CODCr去除率增大到极限值后，水中大部分有机物及悬浮颗粒已被去除，若继续增大絮凝剂投加量，则由于CPAM本身为一种有机物会使废水中CODCr含量增加，因而导致CODCr去除率下降。

图1 不同絮凝剂对CODCr去除率的影响Fig.1 CODCr removal rate at different flocculants

2.2 IR分析

PAFC、CPAM、PAFC－CPAM的IR谱图如图2所示。从图2中可看出，PAFC谱线上，3 404 cm－1处的强吸收峰为羟基伸缩振动叠加所致，667 cm－1处的峰为表面与整体Fe—O—H弯曲振动所致，由此可知，合成PAFC有聚合态存在［6－7］。PAFC－CPAM谱线上，3 200～3 600 cm－1之间的强吸收峰是为PAFC的—OH和CPAM中C—H、N—H的伸缩振动吸收峰相互发生了重叠，且表明PAFC－CPAM分子间存在大量由O—H、N—H形成的链内、链间氢键；在1 640 cm－1和1 680 cm－1处的强吸收峰表明，羧酸根离子与铝、铁离子之间存在相互作用，也证明了PAFC与CPAM进行了复合［8］。此外，PAFCCPAM在3 400、1 640、660 cm－1处均发生了蓝移，由此可以推断，PAFC与CPAM先借助氢键形成氢键聚合体，然后与PAFC中聚铝、聚铁基团通过羟基桥联作用以配位键将PAFC引入到CPAM长链上，从而形成新的聚合物。

图2 PAFC、CPAM、PAFC－CPAM的红外光谱Fig.2 FTIR spectra of PAFC，CPAM，PAFC－CPAM

2.3 SEM分析

图3 PAFC、PAFC－CPAM的SEM照片Fig.3 SEM images of PAFC，PAFC－CPAM

PAFC、PAFC－CPAM的SEM图如图3所示。从图3中可看出，PAFC与CPAM杂合后，PAFC－CPAM颗粒表面形貌发生了改变。PAFC表面为光滑、平整结构，几乎看不到微孔；而PAFC－CPAM表面为皱褶、多孔疏松结构，且呈现出鳞片状，其比表面积明显大于PAFC。PAFC－CPAM微观结构表明其具有较高的吸附性，这种形貌上的改变，说明了PAFC与CPAM两者间发生了化学反应［9］。

3 结论

（1）PAFC－CPAM最佳合成条件是，PAFC与CPAM的质量比为100∶1，碱化度为1.5。

（2）PAFC－CPAM对CODCr去除率随絮凝剂投加量增大呈先增大后减小趋势，最大去除率达52.17%。

（3）PAFC－CPAM的合成机理为PAFC与CPAM之间发生了化学反应，PAFC通过氢键桥联作用被“接枝”到CPAM链上。

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