复合型絮凝剂在海水淡化预处理中的应用研究

2014-11-18程俊

河北能源职业技术学院学报 2014年2期

程俊

(中国环境管理干部学院，河北秦皇岛 066004)

海水淡化是将海水脱盐处理获得淡水的过程，是解决全球淡水危机的有效措施之一，反渗透膜法进行海水淡水技术比较成熟。反渗透法进行海水淡化，延长反渗透膜的寿命可以有效降低海水淡化设施的运行成本;通常采用絮凝法对海水进行预处理，絮凝法处理海水，絮凝剂的选择是关键。笔者以自制的聚硅酸氯化铁和自制的改性壳聚糖进行复配，通过海水絮凝试验效果比较，确定最优的反应条件。

1．聚硅酸氯化铁(PFSC)与改性壳聚糖(CAM)的制备

1．1 PFSC的制备方法

将水玻璃(Na2SiO3·9H2O)用蒸馏水配置成一定浓度的溶液，常温条件下，加入一定浓度的稀硫酸溶液，并用搅拌器不断搅拌使其混合均匀，pH值保持在2以下，熟化4～5h后即可制得聚硅酸;在不同温度下滴加FeCI3溶液，反应过程中用搅拌器匀速搅拌，可调节pH值，选择最佳的聚合条件，聚合反应完成后，反应30min后静置一段时间，就可得到PSFC产品。

1．2 改性壳聚糖(CAM)的制备

通过阅读大量相关文献，采用羧基化反应对壳聚糖改性有利于絮凝反应的发生。向壳聚糖分子上引入羧基以后，可以有效增加亲水性，大大改善壳聚糖的水溶性，有效提高壳聚糖的絮凝性能。对壳聚糖进行羧基化改性的方法有氯乙酸法、微波法、相转移催化法等。

本实验采用氯乙酸法，用异丁醇做溶胀剂。发生的化学反应原理为:

将壳聚糖溶解在有机溶剂中，制成浆状物，加入NaOH溶液进行钠质化反应，在加热的条件后加入固体氯乙酸发生羧基化反应，发生的化学反应可以表示为:

2．复合型絮凝剂PFSC－CAM的制备

2．1 实验所需药剂

自制的聚硅酸氯化铁;自制的改性壳聚糖。

2．2 制备复合型絮凝剂

本实验首先将壳聚糖进行羧基化反应制得改性壳聚糖与自制的聚硅酸氯化铁进行复配，制得复合型絮凝剂PFSC－CAM。改性壳聚糖和聚硅酸氯化铁通常以两种形式复合，一种是投加前复合，即在对海水进行絮凝前将两种絮凝剂以一定比例混合，混合搅拌后制得具有一定特征的溶液;一种是絮凝海水过程中复合，即在将海水加氯消毒静置后，按不同投加顺序和投加比例加入海水中，以一定搅拌速度搅拌后静置。经过对两种复合方式对海水进行絮凝效果，选择絮凝海水过程中复合的方式制得PFSCCAM絮凝剂。

3．复合型絮凝剂在海水淡化预处理中的应用

3．1 PFSC－CAM在海水淡化预处理中的应用技术路线

复合型絮凝剂PFSC－CAM在海水淡化预处理过程中的应用过程如图1所示，首先在一定条件下制得聚硅酸氯化铁(PFSC)，利用氯乙酸法对壳聚糖进行羧基化处理制得改性壳聚糖(CAM)，取250ml海水，经加氯消毒后进行絮凝实验，絮凝沉淀后进行过滤，利用碱性高锰酸钾法、浊度仪法测定絮凝前后海水性质的变化。

图1 PFSC－CAM复合型絮凝剂在海水淡化预处理中的应用

3．2 海水絮凝实验

采用烧杯絮凝沉淀法:取自秦皇岛渤海近海的海水;温度为20℃的海水，经浊度仪测得所取海水浊度值为28NTU，利用高锰酸钾法测得海水COD为9．1。实验中用烧杯取250ml的海水经加次氯酸消毒后进行絮凝沉淀实验。

通过改变两种药剂的投加顺序、投加药剂量，海水pH等条件，对海水絮凝沉淀后进行浊度和COD的比较。

3．2．1 投加顺序和投加量对海水浊度去除率的影响

图2 复合型絮凝剂投加顺序和投加量对海水浊度的影响

对于絮凝反应过程中进行复合的絮凝剂，两种药剂性质和絮凝机理不同，不同的投加顺序絮凝效果有明显差别，具体如图2所示。在海水絮凝过程中，先投加聚硅酸氯化铁的海水浊度去除率明显高炽利于先投加改性壳聚糖的。分析原因，主要因为海水中存在着大量呈负电性的胶体颗粒，未投加絮凝剂的海水中胶体颗粒间由于受到互相的静电斥力，而彼此独立地存在，投加到海水中的聚硅酸氯化铁在海水中发生水解反应，反应后会产生大量的铁离子，这些铁离子可以有效地中和胶粒的表面所带的负电荷，从而使胶体粒子之间的静电斥力大大降低，并使其能更易于聚集形成较小的絮体。改性壳聚糖的絮凝剂机理与聚硅酸氯化铁不同，主要为吸附、架桥和网捕作用。先投加的聚硅酸氯化铁在海水絮凝过程中中和了海水胶体粒子表面的负电荷，使海水中的胶体粒子形成细小的絮体，后投加改性壳聚糖发挥其独特作用使之前形成的小絮体一步步变成较容易去除的大絮体，使海水絮凝达到最佳的效果。而先投加改性壳聚糖时先发挥了吸附架桥作用，却无法破坏胶体粒子之间的静电斥力，使水中带负电荷的胶粒被“包裹”起来，这时再投加聚硅酸氯化铁就没有意义了，相反还可能进一步增加了海水的浊度。从图1还可以看出，等复合絮凝剂的投加量达到最佳后，再继续投加，浊度去除率明显降低，当复合絮凝剂的投加量聚硅酸氯化铁用量为0．2mg/L，改性壳聚糖用量为2mg/L时，复合絮凝剂对海水的絮凝效果最佳，海水浊度去除率可达到98．6%，后投加的改性基壳聚糖对海水中的铁离子还可起到吸附作用，从而进一步降低了海水浊度。

3．2．2 复合絮凝剂投加顺序和投加量对COD去除率的影响

从图3可以明显看出，先投加聚硅酸氯化铁的处理效果明显优于先投加羧甲基壳聚糖的，复合絮凝剂的用量为“1”时，即聚硅酸氯化铁用量为0．2mg/L，改性壳聚糖用量为2mg/L时，对海水COD去除效果最明显，可达到82．6%。这主要因为海水中的胶体微粒大部分呈负电性，而无机絮凝剂聚硅酸氯化铁可以有效中和胶体表面电性，明显降低胶体之间的静电斥力，而后投加的改性壳聚糖可以发挥吸附架桥和网捕的作用。两种絮凝剂有机结合，充分发挥其絮凝作用，有效降低了海水中的COD值。

图3 复合絮凝剂的投加量和投加顺序对COD去除率的影响

3．2．3 单一絮凝剂与复合絮凝剂的效果比较

通过对海水进行絮凝实验，确定单一絮凝剂(PFSC、CAM)的最佳实验条件，与PFSC－CAM复合絮凝剂在最佳实验条件下的絮凝效果进行比较，并对絮凝成本进行粗略计算，做一简单比较，结果见表1。

4．结论

对壳聚糖进行羧基化改性处理，将改性后的壳聚糖与自制的聚硅酸氯化铁进行复合，用于海水淡化预处理，确定最佳实验条件为:先投加聚硅酸氯化铁0．2mg/L，改性壳聚糖用量为2mg/L时，海水絮凝效果最好，海水浊度去除率可以达到98．6%，COD去除率可达到82．6%。复合絮凝剂与单独使用两种絮凝剂进行比较，复合型絮凝剂PFSC－CAM应用于海水絮凝具有投加药剂少、处理效果好、成本低等明显优势。