无机-有机复合高分子絮凝剂的制备与性能研究

（西南石油大学化学化工学院，四川  成都 610500）

摘  要：以三氯化铁、阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）为主要原料，采用复合法制备了PFC-CPAM无机-有机高分子复合絮凝剂，并用其处理模拟混悬液。考察了PFC的适宜聚合温度和熟化时间，以及PFC与CPAM复配时CPAM加量、复配温度、复配pH值对模拟混悬液浊度去除率的影响。结果表明，在聚合温度为40℃、熟化时间为24h时，PFC对模拟混悬液具有较好的处理效果；PFC与CPAM复配时，CPAM加量为10mg/mol-Fe、复配温度为50℃、复配pH值为5时，复配的PFC-CPAM无机-有机高分子复合絮凝剂对模拟混悬液具有较为理想的处理效果，浊度去除率可达到97.8%。

关键词： 聚合氯化铁；阳离子聚丙烯酰胺；复合絮凝剂；浊度去除率

［中图分类号］X703      ［文献标识码］A

引 言

在众多水处理技术中，混凝法因具有高效、简单而又经济的特点通常作为水处理过程中的重要环节。而絮凝剂是混凝处理的关键，其种类繁多，按化合物的化学组成可以分为无机、有机、生物和复合絮凝剂剂四大类。

复合絮凝剂将传统无机絮凝剂所特有的高电荷密度和有机絮凝剂所特有的高效吸附架桥作用进行了综合利用，不仅能增强两种絮凝剂的协同作用，又能弥补两种絮凝剂单独使用时存在的一些不足。目前，制备无机-有机复合絮凝剂并应用于各类工业及生活污水处理已有大量研究报道。黄曼君等聚合PFS与PDM制备的复合絮凝剂，在强化处理微污染的流溪河水源研究中复合絮凝剂PFS-PDM两相表现出良好的协同效果。张海彦等制备 PAC-PDMDAAC用于处理含磷废水，最佳条件下除磷效率良好。根据无机、有机絮凝剂优势互补原理，本文将无机高分子聚合氯化铁（PFC）与有机高分子阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）进行复合，研究其最佳制备条件并考察其对模拟混悬液的处理效果。

1 材料与方法

1.1 主要试剂

三氯化铁（六水）、无水碳酸钠、磷酸氢二钠（二水）、氢氧化钠、盐酸、阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）均为分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

1.2 主要仪器设备

PHS-3E型数字式显示酸度计；FA2004型上皿电子天平；HJ-3恒温磁力搅拌器； 101-2A电热鼓风干燥箱； MY3000-6M六联搅拌器；TL2300数显浊度仪。

1.3 絮凝剂的制备

称取4g三氯化铁（六水）于烧杯中，加入约200mL蒸馏水并搅拌至完全溶解。将烧杯置于恒温磁力搅拌器中，少量多次缓慢加入碱化剂无水碳酸钠粉末至预定碱化度（B=1），等泡沫消失后，按照磷、铁摩尔比为0.08的比例加入稳定剂磷酸氢二钠（二水），继续搅拌至完全溶解，放置熟化后保存备用。取一定量的PFC溶液，在磁力搅拌下水浴加热，按照CPAM投加量范围为5-50mg/mol-Fe的比例，分别向PFC溶液中缓慢滴加一定量的CPAM溶液，滴加完毕后放置熟化，得到一定浓度的PFC-CPAM高分子复合絮凝剂。

2 结果与讨论

2.1 聚合氯化铁的适宜聚合温度分析

不同聚合温度（30 ℃、40℃、50℃、60℃、70℃）下制得的PFC溶液盐基度变化趋势以及对混悬液浊度去除效果如图1所示。

图1 PFC聚合温度对盐基度以及对混悬液浊度去除效果的影响

由图1可知，当聚合温度从30℃升高至60℃时，盐基度呈现逐渐上升的趋势，在60℃时达到最大值44.1%，继续升高聚合温度至70℃时，盐基度开始减小。实验过程中发现，当聚合温度达到50℃以上时，PFC溶液开始出现失稳分层现象，导致产品稳定性降低。

由图1还可以看出，随着聚合温度的升高，PFC在40℃、50℃合成时表现出较好的混凝效果，浊度去除率高达98%以上，但是过高的温度会破坏PFC的稳定性，使原来已经聚合的PFC发生分解。同时，由图1还可以看出，并不是PFC盐基度越高混凝效果越好，这是因为PFC在进行混凝时需要金属离子（Fe3+）与废水中带负电荷的胶体粒子发生压缩双电子层作用和电中和作用，以降低ξ电位使胶体粒子脱稳，可以看出PFC的盐基度需要寻找一个合适的临界点。因此，考虑盐基度变化趋势、PFC稳定性及浊度去除率变化规律等多方面因素，选择聚合温度40℃为最佳聚合温度。

2.2 聚合氯化铁的适宜聚熟化时间分析 

不同熟化时间（6h、12h、24h、48h、72h）下的PFC（40℃聚合）溶液盐基度变化趋势以及对混悬液浊度去除效果如图2所示。

图2 熟化时间对盐基度以及对混悬液浊度去除效果的影响

由图2可知，当熟化时间从6h增加到24h时，PFC随着熟化时间的延长盐基度基本维持在39%左右一个比较稳定范围内，随着时间的继续延长，盐基度又呈现出先上升再下降的趋势。盐基度在48h之前明显增大，可能是因为这一阶段的聚合物迅速发生羟桥缩合脱水结构变化，同时伴随聚合态氧桥化，氧桥化会降低聚合态的电荷，从而有利于氧桥化合态进一步与单体或二聚体通过羟桥化结合。 

由图2可以看出， 40℃聚合的PFC随着熟化时间的延长，PFC对废水浊度去除效果在熟化时间为24h时达到最好，当时间超过24h时，处理效果逐渐变差，可能是因为PFC本身稳定性较差，难以长时间保存。结合盐基度的变化趋势可知，并不是PFC盐基度越高混凝效果越好。 因此，考虑盐基度变化趋势、PFC稳定性及浊度去除率变化规律等多方面因素，选择24h为最佳熟化时间。

2.3  CPAM投加量对废水浊度去除率的影响

向在相同最佳条件下制备（40℃聚合、24h熟化）的PFC溶液中加入CPAM 溶液，不同CPAM投加量（5-50mg/mol-Fe）对废水浊度去除率的影响如图3所示。

图3 CPAM投加量对废水浊度去除率的影响

由图3可知，当CPAM加量从5增加至10mg/mol-Fe时，浊度去除率逐渐升高至大值95%，之后随着CPAM加量的继续增加，浊度去除率呈下降趋势。这是因为复合絮凝剂中PAC先和水中颗粒发生絮凝反应，充分电中和电荷，CPAM的加入能继续中和胶体颗粒，压缩双电层，同时在高分子链的吸附架桥作用下颗粒物间形成更大的絮体，通过卷扫作用将水中的悬浮颗粒物较彻底的去除，但当CPAM过量时容易导致部分高分子吸附在胶体颗粒表面，形成空间保护层，从而破坏絮凝效果[7]。因此，确定10mg/mol-Fe为CPAM最佳投加量。

2.4  PFC-CPAM复配温度对废水浊度去除率的影响

将在最佳条件下制备的PFC溶液与CPAM溶液复配，不同复配温度（30℃、40℃、50℃、60℃、70℃）对混悬液浊度去除率的影响如图4所示。

图4 复配温度对浊度去除率的影响

由图4可知，当复配温度从30℃升高至50℃时，浊度去除率从92.7%提高至97.8%，继续升高复配温度至70℃时，浊度去除率又从97.8%降低至92.1%。当复配温度过低时，可能会使PFC和CPAM复配结合反应不够充分，但是如果温度过高又可能会影响PFC的稳定性。因此，控制复配温度为50℃，对模拟混悬液浊度去除效果最佳。

2.5  PFC-CPAM复配pH值对废水浊度去除率的影响

将在相同最佳条件下制备（40℃聚合、24h熟化）的PFC溶液与 CPAM溶液复配，不同复配pH值（3、5、7、9）对混悬液浊度去除率的影响如图5所示。

图5 复配pH值对浊度去除率的影响

由图5可知，在复配pH值为3的强酸性条件下，模拟混悬液浊度去除率为96.1%，当复配pH值升高至5时，浊度去除率提高至为97.8%，之后继续升高复配pH值，浊度去除率开始下降，当复配pH值达到9时，下降至87.1%。实验过程中发现，当pH值从9继续升高至11时，溶液又开始出现失稳分层的现象，导致产品稳定性降低。由此可以看出，偏酸性条件更有利于PFC和CPAM的复配反应，当pH值为5时，得到的PFC-CPAM复合絮凝剂稳定性好，对模拟混悬液浊度去除效果最佳。

3 结 论

以三氯化铁、阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）为主要原料，采用复合法制备了PFC-CPAM无机-有机高分子复合絮凝剂，并用其处理模拟混悬液。结果表明，在聚合温度为40℃、熟化时间为24h时，PFC对模拟混悬液具有较好的处理效果；PFC与CPAM复配时，CPAM加量为10mg/mol-Fe、复配温度为50℃、复配pH值为5时，复配的PFC-CPAM无机-有机高分子复合絮凝剂对模拟混悬液具有较为理想的处理效果，浊度去除率可达到97.8%。

参考文献

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[2] 杨开吉,姚春丽.高分子复合絮凝剂作用机理及在废水处理中应用的研究进展[J].中国造纸,2019,38(12):65-71.

[3] 黄曼君,李明玉,任刚,曹刚,宋琳.PFS-PDM复合混凝剂对微污染河水的强化混凝处理[J].中国环境科学,2011,31(03):384-389.

[4] 张海彦,郑怀礼,龙腾锐.PAC-PDMDAAC无机/有机复合絮凝剂除磷研究[J].水处理技术,2005(03):69-71.

[5] 马琦.高性能聚氯化铁混凝剂的制备及应用研究[D].陕西：陕西科技大学,2019.

[6] 汤鸿霄.无机高分子絮凝理论与絮凝剂[M].中国建筑工业出版社,2006.

[7] 王海良,王素稳,荣辉,张磊,宋伟俊,齐占国,李向海.有机-无机复掺絮凝剂对渣土废泥浆脱水效果影响[J].硅酸盐通报,2017,36(9):3163-3167.

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第10期  在线投稿  >>