高分子絮凝剂PVX对重金属的絮凝研究

2018-10-15黎哲祺王湘英

材料研究与应用 2018年3期

曾娜，黎哲祺，王湘英

湖南工业大学，湖南株洲 412008

近年来，随着工业的发展，排入环境中的含有重金属离子的废水已成为最常见的污染物之一[1-3]．在矿物加工、金属冶炼过程中产生的重金属离子随着废水、废渣和烟气排放到环境中，而存储在大气和土壤中的重金属离子随着降雨、地表径流和地下水的流动，逐渐被迁移到水体中．水是人类生产、生活中不可缺少的物质，通过饮用水和食物进入人体的重金属离子在人体中累积对人体器官造成严重破坏，而且很难排出体外．含铅废水主要来自各种电池工业、石油化工行业，对人体健康和动植物生长都有严重危害[4]．镉对人体和环境有很大的危害，因而被列为第一类有毒污染元素[5-6]．全世界每年通过河流输入海洋的锌约393万t，采矿场、机器制造厂等排放的工业废水中含有大量的锌化物[7-10]．

目前，处理重金属离子污水的方法分别有生物法、物理法和化学法[11-15]．生物法利用耐金属离子细菌，以其为处理手段，该法处理周期长；物理法采用离子交换树脂或者膜过滤的方法，该法存在费用高、处理量小等问题；化学法是用无机碱做沉淀剂，该法存在金属离子去除率低，同时产生大量废渣等问题．因此，水体中重金属离子污染的治理成为亟待解决的问题．

重金属鳌合絮凝剂不仅具有水溶性，而且对重金属离子具有良好的螯合絮凝沉淀性能．该絮凝剂分子量大，具有很强的吸附能力，有吸附容量大、效率高、使用方便、原料来源广、合成工艺简单、产品无毒无臭等优点，对Pb2+，Cd2+和Zn2+的絮凝效果很好，去除率均在99%以上，可以大规模治理含重金属离子的污水．在治理过程中发现，将沉淀过滤后滤渣量很少，可直接焚烧灰化，灰中的金属可以再次回收或者直接安全填埋，以此达到快速、高效、大规模治理含重金属离子污水的目的，具有明显的经济效益和社会效益．

1 实验部分

1.1 实验试剂

储备液制备：准确称取Pb(NO3)2，Cd(NO3)2和Zn(NO3)2试剂，分别配成含Pb2+，Cd2+和Zn2+的1 g/L(以Pb2+，Cd2+，Zn2+计)的标准溶液，其作为储备液．

水样制备：絮凝实验时，从储备液中用移液管吸取25 mL的标准溶液于150 mL烧杯中，再加入25 mL 分子水，使溶液体积大约为50 mL，搅拌均匀即为待处理含铅、镉、锌水样．

Ca2+和Mg2+溶液制备：准确称取CaCl2及MgCl2试剂，分别配成1 g/L的含Ca2+和Mg2+(以Ca2+，Mg2+计)的标准溶液，其作为Ca2+和Mg2+的储备液．根据所需用移液管吸取不同的量，来制备不同质量浓度的Ca2+及Mg2+溶液．

重金属絮凝剂PVX，为本实验自制；Pb(NO3)2，Cd(NO3)2，Zn(NO3)2，CaCl2，MgCl2，NH4Cl，NH3·H2O，HAc，NaAc，EDTA，二甲酚橙，铬黑T及六次甲基四胺，以上试剂均为分析纯；实验用水，均为分子水．

1.2 实验仪器

25 mL滴定管、250 mL锥形瓶、250 mL抽滤瓶、125 mL布氏漏斗、10 mL移液管，真空泵，电子天平，加热磁力搅拌器．

1.3 实验方法

取100 mL含铅、镉、锌水样各9组，分别投加一定量的PVX絮凝剂，然后用磁力搅拌器快速搅拌(120 r/min)1 min，静置5 min后抽滤，分别得到含铅、镉及锌的离子清液．采用EDTA滴定法，分别按照铅的测定方法[16]、镉的测定方法[17]、锌的测定方法[17]，分别测定清液中残余的铅、镉及锌离子的质量浓度，并通过计算得出各金属离子的去除率．

2 结果与讨论

2.1 PVX用量对去除率的影响

首先用0.01 mol/L的氢氧化钠溶液和0.01 mol/L的盐酸溶液调节已制备的铅、镉、锌离子水样，使pH值为6，然后分别投加不同质量浓度的PVX．研究PVX用量对Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率的影响，结果如图1所示．

图1 PVX用量对Pb2+，Cd2+及Zn2+去除率的影响Fig.1 Influence of PVX dosage on removal rate of Pb2+, Cd2+ and Zn2+

从图1可见：PVX对含铅、镉、锌离子水样有较好的去除效果，且随着PVX投加量的增加，对Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率逐渐升高；当PVX投加量为40 mg/L时Pb2+的去除率为99.9%，当PVX投加量为70 mg/L时Cd2+的去除率为99.9%，当PVX投加量为100 mg/L时Zn2+去除率为99.9%．实验过程中发现，随着PVX投加量的增加，生成的絮体大且多，沉降速度也更快，对Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除效果更好．这是因为：当PVX质量浓度较低时，PVX与Pb2+，Cd2+及Zn2+的接触机会较小，形成的螯合絮体的量较少，其捕集、卷扫的作用较弱，导致Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率较低；当PVX质量浓度增大时，Pb2+，Cd2+及Zn2+的去除率升高．这是因为，有机高分子絮凝剂的絮凝剂机理是通过电中和，使高分子链与多个胶体颗粒以化学键相结合形成桥链，同时高分子具有较强的吸附作用，因而形成大的胶体颗粒分子团而沉降下来[18]．

2.2 Ca2+和Mg2+含量对去除率的影响

2.2.1 Ca2+及Mg2+含量对Pb2+去除率的影响

在已制备好的含铅水样及PVX投加量为20 mg/L的条件下，分别投加不同质量浓度的Ca2+和Mg2+溶液，并调节水样的pH值为6．研究Ca2+及Mg2+含量对Pb2+的去除率的影响，结果如图2所示．

图2 Ca2+及Mg2+含量对Pb2+去除率的影响Fig.2 The effect of Ca2+ and Mg2+ content on the removal rate of Pb2+

从图2可见：随着Ca2+和Mg2+添加量的增加(小于50 mg/L时)，Pb2+的去除率呈上升趋势，表明Ca2+和Mg2+对Pb2+的去除起到明显的促进作用，这是由于Ca2+和Mg2+存在时发生了电中和作用而压缩了双电层，从而降低了ζ电位，减弱了排斥作用，加速了PVX-Pb絮体沉降，从而表现为一定的促进作用[19]；当Ca2+和Mg2+添加量分别达到50 mg/L时，Pb2+的去除率达到最高，分别为99.4%和99.9%．

2.2.2 Ca2+及Mg2+含量对Cd2+去除率的影响

取已制备好的含镉水样，在PVX投加量为20 mg/L的条件下，投加不同质量浓度的Ca2+和Mg2+溶液，并调节水样的pH值为6，研究 Ca2+和Mg2+含量对Cd2+的去除率影响，结果如图3所示．

图3 Ca2+及Mg2+含量对Cd2+去除率的影响Fig.3 The effect of Ca2+ and Mg2+ content on the removal rate of Cd2+

从图3可见：随着Ca2+及Mg2+添加量的增加，Cd2+的去除率呈上升趋势，表明Ca2+和Mg2+起到明显的促进作用；当Ca2+的添加量为80 mg/L及Mg2+的添加量为90 mg/L时，Cd2+的最高去除率分别为97.9%和98%．

2.2.3 Ca2+及Mg2+含量对Zn2+去除率的影响

取已制备好的含锌水样，在PVX投加量为20 mg/L的条件下，投加不同质量浓度的Ca2+及Mg2+溶液，并调节水样的pH值为6．研究Ca2+和Mg2+含量对Zn2+去除率的影响，结果如图4所示．

图4 Ca2+及Mg2+含量对Zn2+去除率的影响Fig.4 The effect of Ca2+ and Mg2+ content on the removal rate of Zn2+

从图4可见：当Ca2+及Mg2+添加量达到20 mg/L时，Zn2+去除率最高为93.8%和74.2%，表明Ca2+和Mg2+存在对Zn2+去除起到明显的促进作用；但是随着Ca2+及Mg2+添加量的增加，Zn2+去除率反而降低，与对Pb2+和Cd2+的去除效果相比，PVX对Zn2+去除效果略差．这主要是因为PVX分子中以-S-为主的配位，S原子不易与碱金属和碱土金属离子发生配位或配位后稳定性较差[20]，加入的Ca2+和Mg2+不易与二硫代羧基中的S发生配位反应，不能生成沉淀物，而且Ca2+和Mg2+带有较高的正电荷，且离子半径较小，当它们大量存在时容易使PVX-Pb絮体周围存在大量正电荷，由于静电斥力会阻碍絮体的聚集，致使去除率有所下降．