一种处理长江水的新型自来水絮凝剂.doc

一种处理长江水的新型自来水絮凝剂第1O卷第3期2011年9月南通大学(自然科学版)JournalofNantongUniversity(NaturalScienceEdition)Vo1.10No.3Sept.2011一种处理长江水的新型自来水絮凝剂曾德芳,秦雯-,张水生z,丁复军(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉430070;2.湖北诗璐化工涂料有限公司,湖北应城432407)摘要:为降低饮用水中铝离子含量并提高浊度去除率.研制了一种新型自来水絮凝剂(简称PCMS).该絮凝剂以聚合氯化铝铁(PAFC),壳聚糖(CTS)和改性淀粉(MS)为主要组分,其配比为(0.1wt%PAFC):(0.001wt%CTS):V(3wt%MS)=25:5:7.在室温,中性条件下,絮凝剂投加量达到5mg?L-时.原水的浊度去除率可达98%以上,铝离子去除率可达67.3%.考察了絮凝剂投加量,搅拌时间,速度,温度,酸碱度等因素对其絮凝效果的影响.结果表明,絮凝剂的投加量对絮凝效果影响最大.其他因素则影响较小.相对于传统单一的絮凝剂如聚合氯化铝(PAC),聚合硫酸铁(PFS),硫酸铝等,PCMS投加量更小,处理效果更好,性价比更高.关键词:自来水絮凝剂;长江;铝离子;浊度;絮凝处理中图分类号:TQ085文献标志码:A文章编号:16732340(2011)03002605ANovelDrinkingWaterCoagulantforCoagulatingChangjiangRiverWaterZENGDe-fang,QINWen,ZHANGShui-sheng.,DINGFu-jun(1.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.HubeiShihiChemicalCoatCompany,Yingcheng432407,China)Abstract:InordertoreducetheturbidityandaluminumionofChangjiangriver,anovelcoagulanthasbeenpresentedinthispaper.whichiscalledPCMS.Andtheproportionofthiscoagulantisv(o.1wt%PAFC):(0.001wt%CTS):V(3wt%MS)=25:5:7.OperationalconditionsofneutralpHandroomtemperatureallowupto98%turbidityand67.3%aluminumionremovalwith5mg?Lofcoagulant.Stirringintensityandmixingperiods,temperatureandpHaleevaluatedandtheyarefoundtobelessinfluentialthancoagulantdosage.Comparedwiththesingleclassicalcoagulant,PCMSismoreefficientthanPAC.PFSandaluminumsulphateandSOon.Keywords:drinkingwatercoagulant;Changjiangriver;aluminumion;turbidity;coagulation我国水资源短缺.长江水是主要的生活和生产用水.由于长江上游地区水土流失和污染.导致了中下游水质浊度较高.长江水不能直接作为生活用水使用.混凝沉淀是一种处理长江原水比较常用的收稿日期2011-0627基金项目:国家2010年中小企业技术创新基金(10C26214202268)作者简介:曾德芳(1955一),男,教授,博士,主要从事环保新材料方面的研究.E-mail:曾德芳,等:一种处理长江水的新型自来水絮凝剂?27?方法.聚合氯化铝(PAC)是目前在水处理方面使用比较成熟的水处理絮凝剂【,市场占有率大,但PAC在水处理方面易造成二次污染.其水解后产生的铝离子会通过饮用水进入人体.并大量富集.最终会导致贫血,脱发和大脑痴呆等多种疾病的发生5-61.危害人体健康.西方发达国家饮用水水质标准中铝的许可含量不大于0.1mg?L,而我国自来水中的铝含量不大于0.2mg?L用.因此,研制一种二次污染小,絮凝效果好的新型环保型饮用水处理絮凝剂.是目前饮用水处理领域亟待解决的重要课题.无机/有机复合絮凝剂因其效果优于单一絮凝剂.已成为当前研究的热点81.本研究以聚合氯化铝铁(PAFC),壳聚糖(CTS)和改性淀粉(MS)为主要原料,复合一种新型饮用水絮凝剂(以下简称PCMS).复合后的PCMS显着降低出水中铝离子的含量.同时其成本远低于单独使用的PAC.另外.与传统絮凝剂PAC相比.PCMS饮用水絮凝剂具有质优,价廉和环保等三大特点.因此在我国自来水处理领域具有重要的推广应用价值.1实验部分1.1主要实验仪器MY30006C混凝试验搅拌仪(武汉梅宇仪器有限公司),WGZ一100型散射式光电浊度仪(北京金紫光仪器仪表公司),BS223S分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司).FLAN6000型电感耦合等离子体质谱仪(美国PE公司),GFJO4A型高速分散机(上海涂料工业机械厂),pHS一25酸度计(上海理达仪器厂),FN1013A型电热鼓风干燥箱(湘潭市三星仪器有限公司).1810一C型石英自动三重纯水蒸馏器(江苏省金坛市康华电子仪器制造厂).1.2主要试剂壳聚糖(简称CTS,自制),聚合氯化铝铁(PAFC,工业一级,南京市化学工业总公司精细化工厂),聚合硫酸铁(PFS.工业一级,南京市化学工业总公司精细化工厂),聚合氯化铝(PAC,工业一级,南京市化学工业总公司精细化工厂).硫酸铝(工业一级.南京市化学工业总公司精细化工厂),工业淀粉(糊化度99.9%,(水)8%,石家庄市银河变性淀粉有限公司),铝的单元素标准溶液(100mg?t,国家标准物质中心).1_3原水水质采样点:湖北省武汉市长江大桥下观光口处,原水浊度为70220NTU,水温为1030,pH值为.4工作液的配制常温常压下分别将PAFC,PAC,PFS与蒸馏水按一定质量比混合搅拌5min.配制质量分数为0.1%的工作液:称取一定量壳聚糖,以冰醋酸和蒸馏水为溶剂.配制质量分数为0.001%的CTS工作液:将改性后的工业淀粉与蒸馏水按一定质量比配制成3%的MS工作液.1.5实验方法杯瓶实验:将lL原水加入MY30006C混凝试验搅拌仪的一个烧杯中.加入适量的絮凝剂,以180r?rain的速度快速搅拌2min.40r?min的速度慢速搅拌8min.静置沉淀30min后,取液面2cm下的清液测其浊度及铝离子浓度.浊度测定:采用WGZ一100型散射式光电浊度仪进行测定.铝离子含量测定:采用FLAN一6000电感耦合等离子体质谱仪和铝的单元素标准溶液测定.2结果与讨论2.1与传统絮凝剂的初步对比1)向5个烧杯中分别加入1L浊度为120NTU.铝离子含量为0.33mg.L的长江原水,再向每个烧杯中加入4.5mg?L的PAC,PFS,A12(SO4)3,PCMS,PAFC等5种絮凝剂中的一种并编号.在温度为2OoC,pH=7的条件下.180r?min快速搅拌2min.40r.min慢速搅拌8rain.静置沉淀30min后.取液面2em下的清液测定其浊度及铝离子浓度.实验结果如图1所示.从图1可以看出.PCMS在降低浊度及铝离子浓度方面明显优于传统的单一的絮凝剂.2)用相同浓度的CrI1S与PCMS分别处理相同水质的长江原水.对不同投加量下沉降速度的研究?28?南通大学(自然科学版)2011往表明:投加PCMS的絮体较粗大.形成速度快且矾花密实,短时间内就可沉降.这说明相比于壳聚糖,PCMS的长链结构使其吸附架桥作用得到了进一步改善.实验结果如图2所示.PAFCPCMSPFSPAC硫酸铝02040608O100去除率图1温度20.pH=7时.4.5mg?L一的各絮凝剂水效果对比表12.2正交试验取浊度为120NTU,铝离子含量为0_33mg.L一1的原水,快搅速度180r?min,慢搅速度40r.min-.以PCMS投加量,搅拌时间,pH值,温度等4个因素做正交试验,确定最佳实验条件.因素水平表见表1.正交试验结果见表2.=-,I暑褂姻是处理原图2正交试验因素水平表PCMSI+cTSII.一投加量,(mg?L-)两种絮凝剂不同投加量下的沉降速度表2正交试验结果由表2知.处理浊度为120NTU.铝离子含量为0.33mg.L的原水时.絮凝剂投加量对其影响最大.在絮凝剂投加量为5mg.L时,浊度去除率可达98%以上.铝离子去除率可达67%以上.当絮凝剂投加量为6mg.L时.虽然出水浊度降低,但效果较投加量为5mg?L时差,且随着投加量继续增加.出水铝离子含量也随之增加.其次,相对于絮凝剂投加量而言,温度,pH值和搅拌时间对降低出水浊度和铝离子含量方面影响较小.由表l和表2可确定最佳处理条件为:PCMS的投加量为5mg?.温度为2OoC,pH=7,180r?min一快速搅拌2min.40r.min慢速搅拌8min,此时浊度去除率达98-3%.铝离子去除率达67.1%.2_3处理不同浊度原水时的PCMS投加量20中性水质条件下.分别取浊度为80220NTU不等的原水.180r.min-陕速搅拌2min,40r.rain-慢速搅拌8min.沉淀30min条件下.通过改变PCMS的投加量来确定处理不同浊度原水时曾德芳,等:一种处理长江水的新型自来水絮凝剂?29?PCMS的最佳投加量.实验结果如图3所示.褂稍是原水初始浊度/NTU图3处理不同浊度原水的PCMS最佳投加量由图2可知.随原水浊度增大.须相应增加PCMS的投加量.对不同浊度原水.PCMS都有相应的最佳投加量,PCMS投加量过低或者过高.都会导致浊度去除率的降低.如图3中原水浊度为120NTU时,PCMS投加量为5mg?L,浊度去除率达到最大98.6%.当投加量大于5mg?L时.浊度反而降低.因为过量PCMS会对出水的透明度造成负面影响.增加出水中SS含量.2.4PCMS复合絮凝机理探讨1)PAFC的作用机理:PAFC由氯化铝和氯化铁共聚而成,含有AP+,Fe3+等多种多核羟基络离子.带正电的多核羟基络离子形成压缩双电层.降低动电位(=电位),进行架桥作用.多核聚合物被2个以上的胶体颗粒所共同吸附.2个及2个以上的胶体颗粒聚集从而形成聚合度较大的絮凝体91.2)壳聚糖因其线性分子链上含有多个羟基(一0H)和氨基(一NH),易与水中H+合成阳离子聚电解质,在水中主要起到鳌合,电中和和吸附架桥作用.鳌合作用主要去除含有空d轨道的金属离子,电中和作用主要去除有机污染物中COD,SS,吸附架桥作用有助于提高无机,有机复合絮凝剂的整体吸附性能.3)MS的吸附能力强,通过改性扩大其表面积,离子交换容量和微孑L.使其吸附能力大大提高【u】.由于MS与金属离子结合形成螯合物后.原物质的对称性有所降低.同时一些非活性模式变成活性【.4)PCMS中起主要吸附作用的MS与架桥作用的壳聚糖和电中和作用的聚合氯化铝铁复合使用.可起到协同增效,优势互补的作用,从而使PCMS整体絮凝吸附性能大大提高.CTS与多孔材料MS之间可形成化学架桥.中和并降低了胶体微粒的表面电荷.压缩了胶体微粒的双电层.使胶体微粒凝聚脱稳.更易絮凝沉降【】31.通过Zeta电位的分析.验证了复合絮凝剂PCMS对颗粒物负电荷的能力优于PAFC,如图4所示.投加量,mg图4PAFC与PCMS的Zeta电位随投加量的变化作为絮凝剂本身.PCMS的含铝量要远远小于聚合氯化铝.而且改性淀粉和壳聚糖本身都对水中的铝离子等金属离子具有较好的吸附,鳌合功能.所以PCMS具有低铝特性是由其本身的组成及其絮凝性质所决定的.也正是因为这种低铝特性.才使得本絮凝剂在水处理过程中较传统絮凝剂的二次污染大大减少.3结论本文研究的新型复合絮凝剂PCMS.以聚合氯化铝铁(PAFC),壳聚糖(CTS)和改性淀粉(MS)为主要组分,其配比为(0.1wt%PAFC):(0.001wt%CTS):V(3wt%MS)=25:5:7.在温度为20,pH值为7的条件下,当絮凝剂投加量达到5mg?L时,高浊度长江原水的浊度去除率可达到98%以上.铝离子去除率可达到67-3%.通过对最佳絮凝条件的研究.可以看出絮凝剂的投加量对絮凝效果有较大的影响.搅拌时间及强度,温度,酸碱度对其絮凝效果的影响相对较小.相对于传统单一的絮凝剂如聚合氯化铝(PAC),聚合硫酸铁(PFS),硫酸铝等,PCMS投加量更小,处理效果更好.性价比更高.综上所述.PCMS具有合成原料来源广泛,价格便宜,品质量稳定,絮凝效果好等优点,特别是其?30?南通大学(自然科学版)2011低铝的特性能在很大程度上减少对人体的危害.在我国自来水处理领域具有广泛的应用前景.参考文献:11李芳蓉,贾如琰,何玉凤.水处理絮凝剂的应用现状及发展趋势J.甘肃科技,2007,10(44):155158.【2】Goldstein,Jerome.SustainablewatersupplieswithwasteterreeyelingJ.Bioeyele,2006,47(1):24.【31ZhangQi,ZhouJingping.Toxicityvariationoforganicextractsindrinkingwaterfromtwokindsofsourcewaters【J.JournalofSoutheastUniversity,2007,37(10):148-152.【41田文辉.饮用水安全保障技术原理M.北京:科学出版社.2007.5高秀清.水中残留铝对水质的影响及其检测的必要性J.环境与健康杂志,2000,22(11