淀粉接枝丙烯酰胺共聚物与聚合氯化铝复配处理高岭土废水

陈 瑞 朱升干

（浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310012）

淀粉与丙烯酰胺单体经接枝共聚反应获得的淀粉接枝共聚物，是使用绿色环保、廉价的淀粉代替部分丙烯酰胺，将其作为絮凝剂应用于废水处理，表现出许多独特的性能，具有低成本、无污染、无毒、可生物降解的优点，是目前天然高分子絮凝剂重点发展方向之一[1-3]。

近年来将淀粉基高分子絮凝剂应用于废水处理，已有不少成果[4-6]，然而废水是一种极为复杂的分散体系，单一絮凝剂往往无法满足处理的需要。实践证明无机-有机絮凝剂之间复配表现出优于单一絮凝剂的效果[7]。目前关于单一絮凝剂处理废水的研究报道较多，而关于淀粉基高分子絮凝剂与无机絮凝剂复配处理废水报道相对较少。本文采用淀粉接枝共聚物与聚合氯化铝复配处理高岭土悬浊液，利用图像拍摄分析技术分析絮体平均粒径，并利用正交实验筛选出各因素对浊度去除率与絮体粒径的最佳工艺条件，从而为淀粉接枝共聚物与PAC絮凝剂复配处理废水过程提供一定的指导。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚合氯化铝，工业级；盐酸、氢氧化钠，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；高岭土，分析纯，上海五四化学试剂有限公司；淀粉接枝丙烯酰胺共聚物，分子量>200万，自制。

1.2 高岭土废水配置

取一定量的高岭土，配置成10 g/L的悬浊液。絮凝实验使用的高岭土废水是将悬浊液进行稀释，制成浓度为100 mg/L的废水溶液。

1.3 絮凝实验方法

1.3.1 浊度去除率测定方法

絮凝实验采用自制的带控速控温装置与搅拌装置的反应釜中进行，取一定量废水于反应釜中，利用盐酸与氢氧化钠溶液调节废水pH值，加入一定量的絮凝剂，在500 r/min快搅2 min，在200 r/min慢搅10 min。将废水静置沉降30 min，吸取液面下3 cm处上清液，废水浊度去除率按国标GB13200-1991用731型分光光度计测定。

1.3.2 絮体平均粒径的检测

在理想状态下，根据雷诺数Re≤2的层流区的固体颗粒沉降理论[8-9],相同介质条件下的同种颗粒会因为粒径差异而产生不同的沉降速度。将上述配好的体系转移到配有四个取样口的直径为10 cm，高为120 cm的柱子里，使絮凝体进行缓慢沉降。采用图片摄像技术，利用光学数码相机在固定条件下对絮体进行连续拍摄，并运用配有图像标尺的图形处理软件Image-Pro Plus6.0软件对絮体大小进行测定[10]，获得的絮体粒径数据按从大到小顺序排列，取前50个絮体求得平均粒径。

2 实验结果与讨论

2.1 因素的确定

在单因素实验基础上，确定以下4个因素为考察因素：

（1）聚合氯化铝PAC用量对废水处理效果的影响：PAC具有很好的絮凝效果，其水解形成多核羧基络合物，可吸附废水中胶体颗粒，起粘附卷扫作用，且其可与水中胶粒或悬浮物发生电中和作用导致颗粒脱稳而沉降。通过化学键合和吸附架桥作用形成絮体。选用水平为15、20、25、30 mg/L。

（2）淀粉接枝丙烯酰胺共聚物（St-g-PAM）用量对废水处理效果的影响：有机高分子絮凝剂具有很高的分子量，在水中线状或分枝状伸展，其一端与胶粒表面发生吸附，另一端则与另一个表面有空位的胶粒吸附，发生吸附架桥作用而发生絮凝。当St-g-PAM用量超过一定量时，胶粒表面没有空位，已完全被吸附的高分子物质覆盖，则高分子絮凝剂起的是保护作用而影响絮凝效果。选用水平为 4、6、8、10 mg/L。

（3）废水pH值对废水处理效果的影响：复配絮凝剂在不同pH值下絮凝效果不同，pH值对混凝效果的好坏起着关键性的作用，合适的酸碱环境可以很好发挥絮凝剂的絮凝性能。一般来说，聚合氯化铝絮凝剂一般在6～8之间具有较好的絮凝效果，而淀粉基高分子絮凝剂适应的pH值范围很广。同时，废水中颗粒表面的电荷（ζ电位）会随pH值的改变而改变。选用水平为5.5、6.5、7.5、8.5。

（4）混凝温度对废水处理效果的影响：随着温度升高，废水中化学反应速度加快，水的粘性降低，分子之间扩散速度增加，从而有利于絮凝与沉降，且聚合氯化铝水解需要吸热，温度升高，可加快絮凝剂的水解与有机絮凝剂的吸附架桥作用。但温度过高，会使分子的布朗运动过快，使絮体的水合作用增加，架桥作用减弱，位阻效应增加，会导致已凝聚的絮体再次破碎，不利于混凝作用。选用水平为 15、25、35、45 ℃。

本文按4因素4水平安排实验，选用L16(45)正交实验表确定实验方案，因素水平确定见表1。实验以浊度去除率与絮体平均粒径作为指标，结果见表2。

表1 正交实验因素与水平Table1 Factors and levels of the orthogonal experiment

由表3可知，以浊度去除率为指标的最佳工艺条件为：A3B3C2D2，即PAC用量为25 mg/L、Stg-PAM用量为8 mg/L、pH值为6.5、混凝温度为25℃。根据R值可得各个因素对浊度去除率的影响大小顺序为：A>B>C>D。其中PAC用量与Stg-PAM用量影响很显著，pH值与混凝温度影响相对较弱。

由表4可知，以絮体平均粒径为指标的最佳工艺条件为：A3B3C3D2，即PAC用量为25 mg/L、St-g-PAM用量为8 mg/L、pH值为7.5、混凝温度为25℃。根据R值可得各个因素对絮体平均粒径的影响大小顺序为：A>B>D>C。其中PAC用量影响很显著，St-g-PAM用量、pH值与混凝温度影响相对较弱。

2.2 最佳工艺确定与讨论

以浊度去除率与絮体平均粒径为指标，分析获得两者最佳工艺条件，两者的差异在于pH值的不同，由上述分析可以看出，pH值在选择的水平范围内对实验结果影响很小。综合考虑各方面因素，采用以浊度去除率为指标的最佳工艺条件;A3B3C2D2，即PAC用量为25 mg/L、St-g-PAM 用量为8 mg/L、pH值为6.5、混凝温度为25℃，在此基础上，做重复实验，浊度去除率为98.89%，絮体平均粒径为1.211 mm，浊度去除率优于正交实验的16组实验结果，而絮体平均粒径稍好于正交实验结果的大部分数据。

表2 正交实验结果Table2 Results of the orthogonal experiment

表3 各因素对浊度去除率的影响Table3 Effect of factors on the removal rate of turbidity

表4 各因素对絮体平均粒径的影响Table4 Effect of factors on the average particles of floes

St-g-PAM是高分子聚合物，溶于水后有较多的活性吸附位点，具有很好的吸附架桥作用，可捕获废水中颗粒形成大而密实的絮体颗粒。PAC在水中水解形成多核羧基络合物，具有粘附卷扫与电中和效应，其与St-g-PAM复配，可有效的提高絮凝效果。但从正交实验数据分析可知，絮体粒径大不代表浊度去除率高，这可能是由于网捕效应的存在[9,11]，即适宜形态的絮体在重力沉降过程中，不断卷扫水中胶粒与细微颗粒过程。故絮体粒径大小对网捕作用影响很大，絮体粒径的控制可有效的发挥絮凝过程中的网捕沉降作用，从而提高絮凝效果。

3 结论

（1）采用淀粉接枝共聚物与聚合氯化铝复配处理高岭土悬浊物，并利用图像拍摄分析技术对絮体平均粒径分析。实验通过正交实验获得了最佳的高岭土废水处理工艺：PAC用量为25 mg/L、St-g-PAM用量为8 mg/L、pH值为6.5、混凝温度为25℃，在此条件下，浊度去除率为98.89%，絮体平均粒径为1.211。

（2）各因素对浊度去除率的影响大小顺序为：PAC用量>St-g-PAM用量>pH值>混凝温度，对絮体平均粒径的影响大小顺序为：PAC用量>St-g-PAM用量>混凝温度>pH值。其中PAC用量与St-g-PAM用量对实验结果影响显著，pH值与混凝温度影响较弱。

（3）大的絮体粒径不代表高的浊度去除率，絮体粒径大小对网捕作用影响很大，絮体粒径大小的控制可有效的发挥絮凝过程中絮凝剂的网捕沉降作用，提高废水处理效果。

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