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新型两性型壳聚糖基絮凝剂的絮凝性能研究及分形理论对絮凝动力学模型的修正

杨朕  
【摘要】:水是人类生存、生活和生产所需的最重要的物质之一。面对当前严峻的水污染形势,发展绿色高效的水处理技术势在必行。针对水体中种类繁多的污染物质,多种多样的水处理工艺应运而生。其中,絮凝工艺因高效、操作简便和性价比高,应用最为广泛。在絮凝工艺中,絮凝剂的选择对絮凝效果至关重要。由于传统的无机絮凝剂和有机合成高分子絮凝剂不可避免地存在二次污染的风险,近年来,具备来源广、可再生和环境友好等特点的天然高分子基絮凝剂材料受到了越来越广泛的关注。而在众多天然高分子材料中,分子链上含有大量活性伯胺基团的壳聚糖最具发展前景。特别是通过适当化学改性,引进新的功能基团后得到的两性型壳聚糖基絮凝剂,由于兼具阴、阳离子双重特点,不仅能够用于脱除带有不同电荷的污染物,且其pH适用范围、络合能力、抗盐性等水处理性能均有显著加强。 本课题以壳聚糖为基材,分别采用两步法,制备了三种新型两性型壳聚糖基絮凝剂,包括:小分子基团改性型两性壳聚糖基絮凝剂(3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵改性羧甲基壳聚糖,CMC-CTA),中性分子链接枝型两性壳聚糖基絮凝剂(羧甲基壳聚糖接枝聚丙烯酰胺共聚物,CMC-g-PAM)和阳离子分子链接枝型两性壳聚糖基絮凝剂(羧甲基壳聚糖接枝聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵共聚物,CMC-g-PDMC);系统地考查了三种絮凝剂对不同污染物的絮凝性能,深入探讨了不同体系中的絮凝机理;最后,引入分形理论,对传统的絮凝动力学宏观模型进行了修正,建立了一套完整的絮凝动力学实时监测方法,并将其应用于本课题的三个絮凝剂体系中进行了验证。结果表明: (1)在合适的制备条件下得到的三种两性型壳聚糖基絮凝剂,均能对无机悬浮颗粒污染物高岭土悬浊液在较宽的pH范围内表现出优异的絮凝性能。不同pH条件下,当絮凝剂分子与高岭土悬浮颗粒表面电荷异号时,电中和或静电簇作用为主导的絮凝机理;而当絮凝剂分子与高岭土悬浮颗粒表面电荷同号时,粘接架桥机理则起主导作用。三种絮凝剂中,小分子基团化改性的CMC-CTA提高了絮凝剂分子在酸性条件下对高岭土悬浮颗粒的电荷吸引;中性分子链接枝改性的CMC-g-PAM提高了絮凝剂分子的粘接架桥作用;而阳离子分子链接枝改性的CMC-g-PDMC则结合了以上两者的优点,在最佳投加量、pH敏感性、絮体性质等方面优势显著。 (2)在合适的制备条件下得到的三种两性型壳聚糖基絮凝剂,均能对阴离子染料甲基橙MO溶液和阳离子染料阳离子嫩黄7GL溶液分别在各自最佳的pH条件下表现出优异的絮凝性能。其中,对阴离子染料MO溶液的最佳絮凝pH条件为pH=4;而对阳离子染料7GL溶液的最佳pH条件为pH=11。絮凝机理研究发现,对三种絮凝剂而言,电中和作用始终是絮凝染料时最主要的絮凝机理;此外,接枝改性得到的CMC-g-PAM和CMC-g-PDMC在絮凝染料时还具有一定的粘结架桥和网捕卷扫作用,使得它们形成的絮体性质优于小分子基团化改性的CMC-CTA。 (3)除对无机悬浮颗粒和溶解型有机染料物质有效的絮凝外,阳离子分子链接枝改性的CMC-g-PDMC由于接枝链上具有大量季铵盐基团,还对微生物污染物大肠杆菌表现出优异的絮凝性能。除传统的电荷吸引、粘结架桥机理外,得益于聚合阳离子PDMC接枝链的存在,CMC-g-PDMC还对大肠杆菌菌体具有“破壁”作用,使胞内物质外泄,达到杀灭细菌的目的。 (4)引入分形理论后修正的絮凝动力学模型及实时监测方法对不同絮凝剂体系均具有较高的数据精确度和很好的实验可行性,极具实际应用价值。通过修正模型拟合的絮凝动力学曲线,与实验观测值一致性较高,拟合相关系数均在0.90以上。其中,修正模型对絮凝初始阶段的动力学行为描述更为精确,拟合相关系数均在0.99以上。通过对絮凝动力学参数拟合结果的分析发现,相比于小分子基团化改性的CMC-CTA和中性分子链接枝改性的CMC-g-PAM,阳离子分子链接枝改性的CMC-g-PDMC在颗粒聚集动力学速率常数方面优势更为显著。 综上所述,通过适当化学改性后的两性型壳聚糖基絮凝剂材料对多种不同水体污染物均表现出较为理想的絮凝脱除效果;而依据引入分形理论修正的絮凝动力学模型,建立了一套操作简便、结果可信度高的絮凝动力学监测方法。这些絮凝剂材料及絮凝动力学监测方法在真实水体的处理中有着良好的应用前景。


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