造纸厂废水中木质素的混凝检测分析
2017-03-10杜韶光��
杜韶光��
【摘要】本文选取在不同pH值条件下投加不同浓度的PAC进行比较实验，据此推断木质素的混凝机理。
【关键词】造纸废水；木质素；混凝机理；检测
Paper mill wastewater coagulation detection and analysis of lignin
Du Shao-guang
（Handan City Environmental Engineering Technical Service CenterHandanHebei056002）
【Abstract】Paper selected under different pH dosing comparing different concentrations of PAC experiments infer coagulation mechanism lignin.
【Key words】Papermaking wastewater；Lignin； coagulation mechanism；Detection
1. 概述
造纸废水中由于含有木质素及其衍生物具有较高的色度和COD，水处理中多采用铝盐混凝剂通过混凝沉淀加以净化。本文就pH值和混凝剂投加量对造纸废水混凝反应的影响进行研究，试图揭示造纸废水混凝反应的机理。
2. 废水来源
造纸废水由邯郸造纸厂的木浆黑液稀释而成。PAC（聚合氯化铝）和PAM（聚丙烯酰胺）由邯郸市自来水厂提供。搅拌器选用DBJ-621型定时变速搅拌机。
3. 试验方法
混凝方法参照文献取1000ml水样装入烧杯中，定位在搅拌机上；把药剂装入试剂架的试管中，开动搅拌器在高速（120～200 r/min）搅拌1min，加入PAC，再搅拌1min，若加入PAM在搅拌30s后加入，低速（20～40 r/min）下搅拌20min，沉降15min后在清液的二分之一处取样。按GB/T 9724-88标准方法分别测定COD，pH值。
4. pH值对造纸废水混凝的影响
（1）调节废水的pH值分别为4、6、7、9在每一个pH值下分别投加60、80、100、120、140、160mg/L PAC进行混凝试验。得出在不同pH值下PAC不同投加量对造纸废水COD去除率的影响。重复以上的试验条件，同时加入1mg/L的PAM，测得COD的去除情况。
（2）从总的趋势上看，随着pH值从低到高，COD的去除率逐渐下降，明显的特征是pH值为4时各种投加量下COD去除率都在40%～55%之间，说明此时投加量不是主要的影响因素，pH值决定混凝结果。pH值为7时，明显的趋势是随着PAC投加量的增加，COD去除率也在逐渐增加，此时投加量决定COD的去除率效果。pH值为6时在投加量由100mg/L增加到120mg/L时，COD的去除率有一个明显的突跃，继续增加投加量时去除率又逐渐上升，在投加量为160mg/L时去除率达到最高，说明是pH值和投加量共同作用的结果。pH值为9时COD去除率低而且不稳定，说明pH值和投加量都不利于COD的去除。
（3）随着投加量的增加COD去除率也随之增加，不同的是COD的去除率普遍有所增加，变化也变得平滑，突跃也消失。pH值为4时的曲线除了去除率普遍增加外，其余变化不大，COD去除率介于50%～70%之间。pH值在6、7、9范围时COD去除率明显的变化是，最低投加量与最高投加量COD去除率之间的差距缩小。分析可能是因为加入PAM后，在已形成凝聚核基础上，依靠PAM链状大分子的联带、卷扫作用使小的颗粒和絮体迅速增长，同时吸附、卷扫网捕其它胶体和较小的颗粒物质一起沉淀。所以初期只要投入凝聚剂可以使胶体脱稳，PAM就可以发挥大分子的强大作用，加速混凝反应速度及处理效率。
5. 投加量对造纸废水混凝的影响
（1）调节废水的pH值在4～9之间，在下分别投加60、80、120、160mg/L的PAC，测得COD去除率。重复以上试验，在投加PAC的同时投加1mg/L的PAM，测得COD的去除率。
（2）不同pH值下四种投加量与COD去除率之间的关系，从中可以看出，不同投加量下，COD去除率隨着pH值的增加而降低，说明低pH条件下有利于COD的去除，pH值是决定木质素混凝的主要因素。在投加量160mg/L时，pH为5～6时COD去除率最大，说明在此pH条件下PAC的水解产物具有较强的混凝效果，当投加量达到规模时，COD去除率就会有明显的提高。
（3）可以发现在投加PAM后，COD去除率都有所增加，发现投加PAM后pH值在5～6时COD去除率出现了一个高峰，分析可能是在此pH时PAC水解产物与木质素分子以及PAM之间具有较佳的结合方式。在实际工程应用中考虑基建投资、运行费用和后续处理的要求，选择pH为6.0，当投加量为80mg/L时，COD去除率可以达到50%左右；投加量为120mg/L时，COD去除率可以达到70%以上，所以完全可以根据需要确定PAC的投加量。
6. 铝盐混凝剂处理造纸废水的机理探讨
6.1造纸废胶体水溶液的稳定性。
（1）造纸废水中含有的胶体物质主要是木质素和纤维素，其中木质素分子是一种高分子聚合物，具有复杂的网状结构，含有大量的负电荷离解性基团（羟基、羧基等）而具有一定的溶胀度和亲水性。碱性条件下，这类离解性基团易于离解，并向溶剂伸展，使网状高分子向三维空间发展，由于分子伸展引起的弹性收缩力，阻止了溶剂分子的进入，同时，原子与溶剂分子之间相互作用形成溶剂化外壳，阻止了木质素分子之间以及与其他颗粒分子之间的直接接触，而使胶体具有一定的稳定性。
（2）造纸废水中的纤维素分子主要是悬浮的短纤维，不溶于水，胶体颗粒与溶液之间具有明显的界面，表面具有双电层结构，依靠颗粒的布朗运动达到动力学稳定，依靠颗粒表面所带电荷的斥力和范德华力而具有聚集稳定性。
6.2铝盐在水中的水解。不同pH下铝盐在水中的水解状态：低pH时铝盐水解的主要形态为单体和小分子的水合化合物，如Al3+、Al（OH）2+、Al（OH） +2；中性范围时多为多核水解产物，如Al7（OH）4+17、Al13（OH）5+34，并且以后者为主；高pH时为Al（OH）3溶胶或Al（OH）-4。
6.3混凝机理的探讨。
（1）从含木质素的造纸废水的酸析来看，酸析的主要原因是由于投加酸后，水中产生了大量的H+，H+与木质素离解产生的负电离解性基团相互中和，使颗粒的水化作用逐渐弱化，失去了溶剂化外壳，颗粒与分子之间出现明显的界面，通过布朗运动颗粒间相互碰撞接触形成絮体最后沉淀下来。
（2）在上述实验中，pH4时投加量不是决定COD去除率的主要因
素，主要因素是pH值。由于酸性条件下木质素表面的水化作用开始减弱，分子上的负电荷离解性基团被H+离子中和，木质素分子表面开始裸露在水中。在pH值为4时，木质素分子表面的水化作用进一步减弱，加入部分凝聚剂后，木质素分子开始析出，此时pH值的作用远远大于加入混凝剂带来的影响，混凝剂的加入具有启动高分子物质脱稳或加速沉淀的作用。4
（3）PAC混凝后的絮体通过扫描电子显微镜观察发现，铝盐水解产物絮体与铝盐与木质素混凝沉淀的絮体相比小得多，也说明铝盐水解产物与木质素的混凝作用中不同于其他混凝现象，当然本实验还缺少一些分子水平的证明手段，但是可以推测铝盐与木质素的混凝机理：主要是由于在低pH值下PAC水解产物与木质素分子上的负电荷离解性基团发生反应，使溶解态的木质素分子失去水化作用，变成具有界面的憎液胶体，加上凝聚剂的混凝作用，最终沉淀下来。pH值条件为混凝反应的发生创造了可能，凝聚剂分子的混凝作用启动了高分子脱稳，凝聚核开始形成，PAM（聚丙烯酰胺）的加入强化了沉淀完成的速度和质量。
7. 结论
（1）pH是影响木质素混凝的主要因素，混凝剂的加入具有脱稳作用。
（2）PAM的加入能加速混凝反应的速度和混凝效果，具有助凝作用。
（3）在實际应用中可以根据具体条件，选取pH和投加量共同作用的节点，这样既可以减少运行费用，又可以达到较高的COD去除率。
（4）高分子溶液的混凝机理，首先由正电荷离子破坏其溶剂化外壳，使变成具有明显界面的憎液胶体，然后依靠双电层的中和作用最后沉淀下来。
参考文献
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[文章编号]1619-2737（2017）01-17-049
