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《山东大学》 2007年
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新型聚合铁基无机—有机复合混凝剂性能的研究

王燕  
【摘要】: 新型、高效水处理药剂与材料始终是水处理环保产业技术领域中重点发展的支柱产业,也是水工业与水污染治理工程技术与设备创新发展的基础产业。铁盐复合混凝剂成为国内外水处理领域内无机高分子混凝剂研究开发的热点,而且开展复合型高分子混凝剂全面系统的研究是十分必要的。 在综合国内外大量相关文献的基础上,以聚合氯化铁(PFC)、二甲基二烯丙基均聚物(PDMDAAC)为原料制备了聚合铁基无机—有机复合混凝剂。通过研究含有聚合铁-二甲基二烯丙基均聚物复合混凝剂(PFC-PDMDAAC)中有机组分含量(Wp)、特性黏度(η)及无机组分碱化度(B)条件对其铁的形态分布、荷电情况、水解形念特性及混凝性能的影响,明确其与PFC及PDMDAAC在混凝效果、混凝行为和机制等方面的差异,揭示无机-有机组分相互作用及混凝机理,为高效能的PFC-PDMDAAC复合混凝剂的研制奠定理论基础,并为开发应用提供理论指导。 主要研究内容及结果如下: 1.采用微量加碱法研究了PFC-PDMDAAC的水解-聚合历程,并考察了Wp、η值、B值对混凝剂水解聚合特征的影响,为进一步探讨其混凝作用机理,提高其混凝效能奠定理论基础。结果表明PFC—PDMDAAC复合絮凝剂的水解-聚合曲线的pH缓冲区变短。当Wp、η及B越高,PFC-PDMDAAC的pH快速增长期起始位置逐渐提前,这表明随着Wp、η及B的增高,PFC-PDMDAAC中单体Fe(Ⅲ)越少,而聚合态Fe(Ⅲ)越多。 2.采用Fe-Ferron逐时络合比色动力学法研究了复合混凝剂中铁的形态分布,并考察了Wp、η值、B值对混凝剂铁的形态分布的影响。结果表明PFC—PDMDAAC复合絮凝剂中铁的各种形态组分的含量相对于PFC而言发生了变化。当Wp=7.0%、η=1.02dL g~(-1)及B=0.5时,PFC-PDMDAAC中Fe_b含量最高,而Fe_c含量最低。并且当PFC-PDMDAAC投加到不同pH值水体中后,其Fe(Ⅲ)形态变化要小于PFC的变化,而且PFC-PDMDAAC在更宽的pH范围内保持了优势Fe(Ⅲ)形态,这将有利于混凝剂实际应用。 3.采用Zatesizer3000Hsa电位仪测定了PFC-PDMDAAC的Zeta电位随pH值的变化趋势,并考察了Wp、η值、B值对这一变化趋势的影响。结果表明PFC与阳离子PDMDAAC复合后,其正的Zeta电位明显升高,电中和能力明显加强。PFC—PDMDAAC复合混凝剂Zeta电位影响因素较多,如Wp、η值、B值以及水体pH值、无机盐含量,这些因素均对混凝剂Zeta电位产生影响。当水解后pH值较小时,Wp=14.0%、B=1.5、η=1.21dL g~(-1)的PFC-PDMDAAC的Zeta电位最高;而当水解后pH值较大时,Wp=7.0%、B=1.0、η=0.72 dL g~(-1)的PFC-PDMDAAC的Zeta电位最高。水体中无机盐的存在会降低PFC-PDMDAAC电中和能力,但与PFC相比,PFC-PDMDAAC受无机盐的影响较小。因此仅从电中和能力看,PFC-PDMDAAC的混凝能力应高于PFC,应用范围较PFC更为广泛。 4.利用透射电镜(TEM)研究了PFC-PDMDAAC系列混凝剂的结构形貌,并考察了Wp、η值、B值对结构形貌的影响。结果证明PFC、PDMDAAC并非独立存在,而是互相间有一定的作用,而且Wp、B都对絮凝剂的结构形貌具有一定的影响,但η值的影响不大。随着Wp的增大,混凝剂中颗粒状物质数量增多,枝状物质分形更加明显,云雾状物质逐渐减少。随着B值的增加,枝状物质的分枝更加明显,云雾现象逐渐消失。不同η值的PFC-PDMDAAC的结构形貌相差不大。 5.采用激光散射技术对PFC-PDMDAAC絮凝剂的粒度分布进行了测定,揭示了混凝剂粒度分布与pH、Wp、η及B值的关系,为研究混凝剂混凝过程的机理、评价混凝剂的有关性能和对混凝剂的改进起到了指导作用。结果表明PFC-PDMDAAC水解产物粒度分布与PFC相比具有一定的差别,并且受到Wp、η值以及B值的影响。当Wp=14.0%、η=1.02dL g(-1)及B=1.0时,PFC-PDMDAAC粒度分布受pH的影响最小。与PFC相比,在相同pH下,PFC-PDMDAAC平均粒度较大。而且随着Wp的增高,PFC-PDMDAAC平均粒度受pH的影响逐渐变小。PFC-PDMDAAC的水解产物比表面积较PFC增大。当Wp:14.0%,B=1.0时,PFC-PDMDAAC的比表面积最大,而且适用的pH范围最广。 6.利用PDA2000在线监测PFC-PDMDAAC的混凝动力学过程,研究了混凝过程中混凝剂投加量、体系的pH值及离子强度等因素对絮体的形成和增长的变化差异的影响。结果表明PFC与PDMDAAC复合,可以大幅度提高絮体生成速度,缩短混凝剂与污染物的反应时间,大幅度增大最终絮体粒度,并且减小最终絮体粒度差异。而且水样离子强度、pH值对PFC-PDMDAAC复合絮凝剂的影响要小于对PFC絮凝剂的影响。与PFC相比,在不同离子强度水样中,PFC-PDMDAAC复合混凝剂与污染物反应时间短,其絮体生成速度快,最终絮体粒度大,并且絮体粒度差异性小。 7.采用PFC-PDMDAAC处理高岭土模拟水样以及活性蓝模拟水样,考察了B值、Wp值、η值对PFC-PDMDAAC絮凝效果的影响,并采用JS94H型微电泳仪分析高岭土模拟水样及活性深蓝模拟水样的电荷变化情况,初步探讨了PFC-PDMDAAC处理不同水样的絮凝机理。对高岭土模拟水样的处理表明,PFC与PDMDAAC复合后,其除浊能力得以大幅提高,而且最佳投加量降低。当Wp=7.0%,B=1.0,η=1.02 dg L~(-1)时,PFC-PDMDAAC的除浊效果最好。机理研究表明PFC、PFC-PDMDAAC及PDMDAAC主要除浊作用不同:电中和作用是PFC处理高岭土的主要作用机理,但是同时还存在着其它作用机理;PFC-PDMDAAC处理高岭土的主要作用机理为吸附架桥作用,但是高岭土表面电荷的减少也有利于高岭土的去除;PDMDAAC的除浊机理为电中和作用及吸附架桥作用的结合。对活性深蓝染料模拟水样的处理表明,PFC与PDMDAAC复合后,其脱色能力得以大幅提高,而且最佳投加量降低。当Wp=14.0%,B=0.5,η=0.72 dg L~~(-1)时,PFC-PDMDAAC的脱色效果最好。机理研究表明PFC、PFC-PDMDAAC及PDMDAAC主要脱色作用不同:电中和作用是PFC、PDMDAAC处理活性深蓝染料的主要作用机理;PFC-PDMDAAC处理活性深蓝染料的主要作用机理为吸附架桥作用。 8.采用PFC-PDMDAAC处理多种地表水及废水,并考察了处理不同实际水样的最佳B值、Wp值及η值。处理结果表明,PFC与PDMDAAC复配后,可以大幅提高混凝剂处理实际水样的效果,PFC-PDMDAAC具有良好的除浊、除有机物、除磷效果,并且PFC-PDMDAAC的最佳投加量较PFC、PDMDAAC小。Wp,η值及B值直接影响PFC-PDMDAAC的混凝效果,不同的水样PFC-PDMDAAC的最佳Wp,η值及B值不同。 上述研究从多方面系统的研究了PFC-PDMDAAC复合混凝剂的性质,初步明确了PFC-PDMDAAC与PFC及PDMDAAC在混凝效果、混凝行为和机制等方面的差异,初步揭示了复合混凝剂中无机-有机组分相互作用以及PFC-PDMDAAC的混凝机理,为高效能的PFC-PDMDAAC复合混凝剂的研制奠定理论基础,并为开发应用提供理论指导。
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