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絮凝劑的處理污水有關(guān)研究及應(yīng)用09級化工（3）班 P092013747 袁良勇摘要：用絮凝劑處理污水的絮凝沉淀法是應(yīng)用最廣泛，成本最低廉的一種方法。在這個方法中，起核心和關(guān)鍵作用的就是絮凝劑的選擇和使用。 本文介紹了煤泥水的性質(zhì)及主要特點(diǎn)，并討論了處理煤泥水常用的絮凝劑的作用機(jī)理及其應(yīng)用情況。 關(guān)鍵詞：煤泥水，絮凝劑,微生物絮凝劑1.前言 為了提高選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，在某些處理過程中往往用化學(xué)藥劑來強(qiáng)化處理效果。而使用絮凝劑是水處理的主要途徑之一2,3。 現(xiàn)今社會對環(huán)境要求越來越嚴(yán)格，為建設(shè)和諧社會，在工業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)，如何更好地處理各類污水，減輕對環(huán)境的污染就顯得猶為重要。而在諸如：吸附法、離子交換法、氧化還原法、沉淀法、活性污泥法、生物膜法等1水處理方法中，用絮凝劑處理污水的絮凝沉淀法是應(yīng)用最廣泛，成本最低廉的一種方法。在這個方法中， 起核心和關(guān)鍵作用的就是絮凝劑的選擇和使用。因此，研制出高效、環(huán)保、低廉的新型絮凝劑已經(jīng)成為當(dāng)今環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的熱門課題之一。 2.煤泥水的性質(zhì)及主要特點(diǎn)46煤泥水由煤和水組成, 其性質(zhì)既與煤的性質(zhì)有關(guān)又與水的性質(zhì)有關(guān), 并受它們之間相互關(guān)系的影響, 主要有: 煤泥水濃度、粘度、灰分、化學(xué)性質(zhì)及煤泥的粒度, 其中煤泥的粒度組成在很大程度上決定了煤泥水沉降過程的難易程度, 且隨著粒度變細(xì)及細(xì)粒含量的增多, 將使顆粒的布朗運(yùn)動加劇, 煤泥水粘度增大, 顆粒間表面電荷斥力作用明顯, 并使煤泥水具有某些膠體性質(zhì), 從而導(dǎo)致煤泥水很難自然澄清。一般情況下,地質(zhì)年代較長的原煤所產(chǎn)生的煤泥水濃度低,處理比較容易,而對于那些年輕煤種,所產(chǎn)生的煤泥水不僅濃度高,而且粘度大、粒度小,處理非常困難。高濃度煤泥水難于處理的主要原因在于它是一個穩(wěn)定體系,靜置幾天,甚至幾個月也不會自然沉降。 煤泥水的主要特點(diǎn)是:濃度高,粒度細(xì),灰分高,顆粒表面多數(shù)帶負(fù)電荷,同性相斥,使得這些微粒在水中保持分散狀態(tài),它們在水中不僅受重力的作用,還受布朗運(yùn)動影響。此外,煤泥水不但具有懸浮液的特點(diǎn),往往還具有膠體的某些性質(zhì)。3.常用的絮凝劑及絮凝機(jī)理3.1 有機(jī)高分子類絮凝劑 3.1.1 分類 分類方法有多種，如按照化學(xué)成分的不同,有機(jī)高分子類絮凝劑可分為天然高分子絮凝劑和人工合成高分子絮凝劑;按照其所帶電荷不同,可分為非離子型、陰離子型和陽離子型絮凝劑;按產(chǎn)品分類可分為水溶液型、干粉型和乳膠型三類等 。3.1.2絮凝機(jī)理 絮凝作用是非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過程,現(xiàn)在多數(shù)人認(rèn)為絮凝作用機(jī)理是凝聚和絮凝兩種作用過程78。凝聚過程是膠體顆粒脫穩(wěn)并形成細(xì)小的凝聚體的過程; 而絮凝過程是所形成細(xì)小的凝聚體在絮凝劑的橋連(架橋) 作用下生成大體積的絮凝物(即絮團(tuán)) 的過程。煤泥水中的細(xì)泥粒度很小, 不能凝聚成較大的顆粒, 保持相對穩(wěn)定狀態(tài), 長時(shí)間不沉降。為了加速煤泥沉降, 必須破壞這種穩(wěn)定狀態(tài)。凝聚劑與膠粒的作用主要靠靜電引力和分子間力, 這些力較弱, 一般不超過2104 J/mol。但某些有機(jī)高分子是離子絮凝劑與顆粒之間的作用不僅具有靜電力和分子間力,而且還具有較強(qiáng)的氫鍵和其他化學(xué)鍵結(jié)合力。 在煤泥水中加入具有較長線性分子結(jié)構(gòu)的高分子化合物, 這些高分子化合物在水中溶解發(fā)生電離作用, 并通過靜電鍵合、氫鍵合、共價(jià)鍵合等作用與煤泥水的固體顆粒發(fā)生吸附作用。由于這些線性化合物分子結(jié)構(gòu)通常很長, 在水中充分的伸展, 而且鏈上有很多活性基團(tuán), 因此通?？梢酝瑫r(shí)粘結(jié)多個顆粒, 從而引起顆粒的聚集, 形成絮團(tuán)9。這個過程就叫做絮凝, 而其中的高分子化合物就叫做絮凝劑。 3.2無機(jī)絮凝劑 3.2.1絮凝機(jī)理 目前,國內(nèi)處理煤泥水采用的絮凝劑主要是鋁鹽, 鐵鹽和含Ca2+的無機(jī)鹽與聚丙烯酰胺(PAM)聯(lián)合使用。當(dāng)把含鋁、鐵、鈣離子的無機(jī)鹽加入到帶負(fù)電荷的煤泥水膠態(tài)中時(shí),溶液中正離子濃度增加。根據(jù)DLVO理論,擴(kuò)散層中反離子濃度增加,在反離子靜電斥力作用下,迫使擴(kuò)散層中正離子擠進(jìn)吸附層里去,于是負(fù)電位被消除,膠體電荷被中和,膠體周圍水化膜被減弱。從而,促進(jìn)煤泥顆粒凝聚。 4.新型絮凝劑應(yīng)用情況a. 淀粉衍生物 淀粉改性絮凝劑是天然改性高分子絮凝劑的重要品種。淀粉來源廣,價(jià)格低廉,產(chǎn)物可完全生物降解,在自然界中可形成良性循環(huán)。淀粉分子帶有很多羥基,通過這些羥基的酯化、醚化、氧化、交聯(lián)以及與丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺等單體進(jìn)行接枝、共聚等反應(yīng)來制備淀粉改性絮凝劑。淀粉改性絮凝劑具有上述天然改性有機(jī)高分子絮凝劑的特點(diǎn),其中包括選擇性大、無毒、可以完全被生物分解、在自然界形成良性循環(huán)等顯著特點(diǎn)。其中淀粉接枝共聚物是一個研究比較熱門的方向,它可以通過化學(xué)方法和物理方法來制備。Karmakar等44合成了淀粉接枝丙烯酰胺共聚物和支鏈淀粉接枝丙烯酰胺共聚物,并對它們的絮凝性能進(jìn)行了評價(jià)。它們均可以作為不結(jié)焦煤懸浮液的有效的絮凝劑,其中淀粉接枝丙烯酰胺共聚物比支鏈淀粉接枝丙烯酰胺共聚物的絮凝效果要好一些。Khalil等45對三種不同的淀粉改性物, 即淀粉接枝聚丙烯酰胺、甲氨酰乙基化淀粉、淀粉氨基甲酸酯的絮凝性能進(jìn)行了評價(jià), 發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺淀粉接枝共聚物的絮凝性能最好, 而且絮凝劑的投加量、體系的pH值等均對其絮凝性能有影響。Rath等46利用Ce4+氧化還原體系引發(fā)淀粉與丙烯酰胺進(jìn)行接枝共聚反應(yīng), 淀粉接枝率高達(dá)94.9%, 支鏈相對分子質(zhì)量超過300萬。趙彥生等47用硝酸鈰銨為引發(fā)劑,使玉米淀粉與丙烯酰胺接枝共聚,向該接枝共聚物(SGM)中加入計(jì)量的甲醛和二甲胺進(jìn)行陽離子化得到陽離子絮凝劑(CSGM),用其處理毛紡廠印染廢水,絮凝效果較非離子型聚丙烯酰胺和陰離子型聚丙烯酰胺要好。張一峰48以CS2/ H2O2為引發(fā)劑在堿性條件下合成淀粉與丙烯酰胺接枝共聚物,用于印染廢水、造紙廢水以及其它工業(yè)廢水去除重金屬離子。按枝共聚物具有多羥基基團(tuán)和酰胺基團(tuán),呈支化結(jié)構(gòu),適當(dāng)?shù)胤稚⒘诵跄鶊F(tuán),對多種工業(yè)污水的絮凝效果較其它高分子絮凝劑(如Sanfloc 700) 及無機(jī)絮凝劑(如硫酸鋁)要好。淀粉陽離子改性衍生物由于其優(yōu)良的性能受到了較大的重視。在工業(yè)廢水處理中，淀粉陽離子改性衍生物是優(yōu)良的高分子絮凝劑和陰離子交換劑,可以吸附帶負(fù)電荷的有機(jī)或無機(jī)懸浮物質(zhì),如懸浮泥土、二氧化鈦、煤粉、碳、鐵礦砂等,可有效地除去廢水中的鉻酸鹽、重鉻酸鹽、亞鐵氰化鈉、鉬酸鹽、高錳酸鹽等。 b. 木質(zhì)素衍生物49木質(zhì)素是存在于植物纖維中的一種芳香族高分子,是造紙蒸煮制漿過程中排出廢液的一個主要成分。由于含有大量木質(zhì)素的造紙廢液的排放,不僅嚴(yán)重污染了環(huán)境,而造成了物質(zhì)資源的極大浪費(fèi),因此,以木質(zhì)素為基礎(chǔ)原料制備包括水處理劑在內(nèi)的各種化工產(chǎn)品的研究正日益引起人們的重視。Rachor和Dilling分別于20世紀(jì)70年代中、后期以木質(zhì)素為原料合成了季銨型陽離子表面活性劑。他們用堿處理木質(zhì)素以增加其酚基,然后胺烷化增加鏈長,用雙酯試劑進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng),最后制得陽離子表面活性劑, 用其處理染料廢水獲得了良好的絮凝效果。Mckague報(bào)道了硫酸鹽木質(zhì)素進(jìn)行Mannich反應(yīng),與二甲胺和甲醛作用,進(jìn)行甲基化和氯甲基化后,生成的木質(zhì)素季銨鹽衍生物可用作硫酸鹽漿廠漂白廢水的絮凝劑,效果顯著。 c. 甲殼素、殼聚糖及其衍生物 甲殼素50是自然界含量僅次于纖維素的第二大天然有機(jī)高分子化合物,它是甲殼類(蝦、蟹) 動物、昆蟲的外骨骼的主要成分。甲殼素的化學(xué)成分是N-乙酰-D-葡萄糖胺殘基以-1 ,4 糖甙鍵連接而成的多糖,其分子量在2萬5萬之間。殼聚糖則是甲殼素脫乙?；漠a(chǎn)物。殼聚糖是一種線型分子，分子鏈中含有反應(yīng)性基團(tuán)，在酸性溶液中會形成高電荷密度的陽離子聚電解質(zhì)，顯示良好的絡(luò)合性能和絮凝性能，不僅對重金屬有螯合吸附作用,還可有效地吸附水中帶負(fù)電荷微細(xì)顆粒,已有用于HCl 、H2SO4 、多氯聯(lián)苯( PCB) 、染料以及廢水中某些農(nóng)藥的吸附等。張光華等51研究的以丙烯酰胺與殼聚糖進(jìn)行接枝共聚反應(yīng)得到一種接枝共聚物(CAM)，以改善殼聚糖的架橋絮凝能力并降低成本，將其用于造紙廢水處理。結(jié)果表明:在弱酸條件下，CAM具有很強(qiáng)的絮凝能力和對重金屬離子的絡(luò)合能力，與硫酸鋁具有很強(qiáng)的協(xié)同作用；硫酸鋁的存在可大大提高CAM的絮凝能力。 天然高分子絮凝劑應(yīng)用于處理煤泥水方面的報(bào)道較少，估計(jì)在不久的將來將會得到廣泛的應(yīng)用。 d.微生物絮凝劑 微生物絮凝劑已廣泛的應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水處理52、染料廢水的脫色52、高濃度無機(jī)物懸浮廢水處理53、膨脹活性污泥的處理54、化工廢水的凈化處理52及城市污水處理55等，在應(yīng)用于煤泥水處理方面，文獻(xiàn)報(bào)道較少。 5微生物絮凝劑 微生物絮凝劑（bioflocculant）是一類由微生物產(chǎn)生的有絮凝活性的代謝產(chǎn)物，主要成分有糖蛋白、多糖、蛋白質(zhì)、纖維素和DNA等。它利用微生物技術(shù)，通過細(xì)菌、真菌等微生物發(fā)酵、提取、精制而得到的具有生物分解性和安全性的新型、高效、無毒、無二次污染的水處理劑。25尤其是其具有可生物降解性，克服了鋁鹽、丙烯酰胺等毒性問題，受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。 Joshua P.26等探討了在生物濾池工藝中，生物絮凝劑對去除懸浮固體和不溶態(tài)化學(xué)需氧量(PCOD)的作用。生物絮凝劑在去除有機(jī)，無機(jī)顆粒物時(shí)也服從一級動力學(xué)方程，這表明聚合物是在生物膜表面進(jìn)行了表面絮凝過程。Zhang等27研究了以啤酒廢水為碳源，由新菌株MM1生成的一種MMF1生物絮凝劑的絮凝特性及最佳生產(chǎn)條件，實(shí)驗(yàn)表明：MMF1在處理靛藍(lán)印染廢水時(shí)，對COD和色度去除率分別達(dá)到79.2和86.5。吳涓，倪曉宇28對優(yōu)化培養(yǎng)條件后菌株C2所產(chǎn)生的生物絮凝劑MBF2的絮凝特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)絮凝劑MBF2對濃度為10mg/L的次甲基藍(lán)溶液，2min內(nèi)脫色率已達(dá)96.9%，10min時(shí)脫色率可達(dá)98%以上。鄭麗娜，馬放等29將鐵鹽和生物絮凝劑復(fù)合使用，可以在低投藥量和中性pH條件下有效去除原水的濁度(94.6%)。馬放等30以稻草秸稈作碳源，采用兩段式發(fā)酵工藝制取復(fù)合型生物絮凝劑，得出每1t稻草秸稈可以制取復(fù)合型生物絮凝劑44kg，為生物絮凝劑的規(guī)模化生產(chǎn)提供了依據(jù)。6結(jié)論及展望 絮凝技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今煤泥水處理行業(yè)中十分重要的技術(shù),而絮凝劑作為該技術(shù)的核心起著越來越重要的作用。 有機(jī)高分子絮凝劑的生產(chǎn)和應(yīng)用雖然已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，但其生產(chǎn)使用過程中的不安全性和給環(huán)境造成的二次污染仍應(yīng)引起人們的重視。有資料表明:目前使用較多的聚丙烯酰胺，雖然完全聚合的聚丙烯酰胺沒有多大問題，但其聚合單體丙烯酰胺卻具有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性，并且還是強(qiáng)的致癌物，所以聚合過程中單體的殘留仍是一個令人擔(dān)憂的問題。無機(jī)絮凝劑的使用已有較長的歷史了，由于其優(yōu)良的性價(jià)比，在一段時(shí)間內(nèi)，它還會被當(dāng)作助絮凝劑使用。 與合成的有機(jī)高分子絮凝劑相比，天然有機(jī)高分子絮凝劑以其優(yōu)良的絮凝性、不致病性及安全性、可生物降解性，正引起世人的高度重視， 且具有分子量分布廣、活性基團(tuán)作用點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)多樣化等特點(diǎn),具有良好的開發(fā)前景。但其使用量遠(yuǎn)小于有機(jī)合成高分子絮凝劑，原因是其電荷密度小，分子量較低，且易發(fā)生生物反應(yīng)而失去絮凝活性。 隨著人們環(huán)保意識的提高,有機(jī)高分子絮凝劑將沿著高效、廉價(jià)、無毒的方向發(fā)展,由于豐富的原料來源,天然高分子改性絮凝劑將有較好的發(fā)展前景,現(xiàn)已受到高度重視;而微生物絮凝劑的高效特性也使其成為一個發(fā)展熱門。另外，從分子量和分子結(jié)構(gòu)上看,有機(jī)高分子絮凝劑將沿著超高分子量絮凝劑、交聯(lián)絮凝劑和膠丸狀絮凝劑的方向發(fā)展。 參考文獻(xiàn)： 1 張明旭，煤泥水處理, 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2000 . 2 袁宗宣,鄭懷禮,舒型武，絮凝科學(xué)與技術(shù)進(jìn)展, 重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2001 24 (2) : 143. 3 鄒龍生,王國慶，有機(jī)絮凝劑的現(xiàn)狀和未來, 化工技術(shù)與開發(fā),2002 31 (4) : 22. 4 蘇丁,雷靈琰,王建新，凝聚劑、絮凝劑在難凈化煤泥水中的使用, 選煤技術(shù),2000 2(4): 10. 5 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