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壳聚糖复合剂在水处理中的净化效能研究

刘秉涛  
【摘要】: 在当前的环境治理尤其在废水处理中,天然无毒的高分子有机化合物壳聚糖的使用成为人们研究的热点。本论文制备了几种壳聚糖复合剂,研究其吸附性能和机理,并利用壳聚糖优良的吸附和絮凝的特性,与无机混凝剂复配,考察它在给水处理及污泥脱水上的应用。 壳聚糖(CTS)是甲壳素脱乙酰基后的产物,制备原料丰富、无毒、易于生物降解。壳聚糖分子中丰富的氨基和羟基,具有较强的吸附、配位作用,壳聚糖复合吸附剂具有吸附染料分子、金属离子和蛋白质分子的能力。壳聚糖分子中存在游离氨基,在稀溶液中被质子化,使分子链上带大量正电荷,成为一种典型的阳离子絮凝剂,它兼有电中和和吸附絮凝的双重作用,即高分子链上的阳离子活性基团与带负电荷的胶体微粒相互吸引,降低中和胶体微粒的表面电荷,同时压缩了扩散层而使胶体微粒脱稳,并借助高分子链的吸附粘结和架桥作用而产生絮凝沉降。 水溶性染料一般都是极难降解的小分子有机物,常用的生物法处理、氧化处理效果不好,或不易操作。分别以膨润土和珍珠岩粉为载体,负载1%质量分数的壳聚糖或羧甲基壳聚糖,制得的复合吸附剂均对活性染料具有一定的脱色效果,其中膨润土负载壳聚糖吸附剂对活性大红B-3G、活性深兰B-2GLN、活性黑B-GRFN、活性墨绿B-4BLN四种染料饱和吸附量分别为:11.850mg·g~(-1)、7.760mg·g~(-1)、7.276mg·g~(-1)、8.362mg·g~(-1),高于珍珠岩粉吸附剂,并且其等温吸附曲线更符合Langmuir模型,为利用天然硅铝矿原位修复染料污染土壤提供了理论依据。负载羧甲基壳聚糖对染料的吸附容量最大,但价格较高。另外,实验表明纤维素复合壳聚糖吸附剂对酸性大红具有很好的吸附性能,吸附速度比较快,对该吸附动力学曲线利用一级吸附动力学Lagergren方程进行拟合,求得一级速率常数为0.884 h~(-1)。 通过用自制的珠状凝胶壳聚糖树脂对牛血清白蛋白的吸附实验可知,pH值、反应时间、投加量及离子强度对蛋白吸附量有影响。对水中Cd~(2+)、Al~(3+)的吸附试验表明,对水中Cd~(2+)、Al~(3+)的吸附容量分别是254.5mg·g~(-1)、49.0mg·g~(-1)。吸附的本质是配位反应,通过红外光谱、光电子光谱法表征,CTS-Cd(Ⅱ)配合物的结构是1个Cd~(2+)与壳聚糖分子中的两个氨基上的N原子、两个羟基上的O原子形成4个配位键结构的配合物,对Al~(3+)的吸附是壳聚糖通过氨基上的N原子和Al~(3+)配位。 分别以高岭土模拟水样和黄河预沉后的原水为目标水样,考察壳聚糖助凝效果。通过对模拟水样的正交实验,确定影响混凝效果的主次因素顺序和水力条件;通过对黄河预沉后的原水的絮凝实验,分析了PAC投加量、CTS投加量、pH值、CTS分子量等因素对水中浊度、COD_(Mn)去除率的影响,并与活性硅酸的助凝作用进行了对比,结果表明聚合铝PAC和壳聚糖CTS具有协同作用,PAC投加量35mg·L~(-1),CTS投加量0.15mg·L~(-1),壳聚糖助凝效果显著,浊度和有机物的去除均明显提高。通过测定絮凝过程中的Zeta电位变化曲线,说明壳聚糖溶液在pH=3-8的范围内均能保持正电性,在一定浓度的范围里,Zeta电位几乎不变,表明壳聚糖的絮凝以吸附架桥为主,电性中和为次。利用扫描电镜观察了絮体的结构形貌,通过显微摄像系统及图像分析系统观察了CTS助凝前后絮体的形态,通过双对数法计算了单加PAC、PAC/CTS复合絮凝处理水样后絮体的分形维数分别为1.294和1.385。 试验过程中设计一套测定污泥比阻的装置,通过试验发现,聚合铝PAC、壳聚糖CTS对活性污泥都有调理作用,均能改善污泥的脱水性能。考虑到壳聚糖的价格较高,将二者复合使用,能够更好的发挥无机和有机絮凝剂的优点又避免了两者的不足,污泥比阻最先达到低点,滤速较快而且有助于减少金属污泥的生成。对水厂排泥水污泥进行脱水干化处理时,选择粉煤灰作调理剂为好。


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