机械力活化季铵型阳离子淀粉絮凝剂的制备及特性研究

论文摘要

絮凝法是水处理中的关键环节之一,我国絮凝剂产品品种齐全,但阳离子絮凝剂较少,阳离子淀粉絮凝剂有较广的应用前景,但其反应效率较低。本文以不同来源的淀粉为原料,采用浆法、球磨辅助浆法、干法和球磨辅助干法制备淀粉絮凝剂,研究制备工艺对淀粉絮凝剂絮凝效果、取代度和反应效率的影响,获得淀粉絮凝剂最佳的制备工艺,分析淀粉絮凝剂的絮凝性能,采用红外光谱仪、X-衍射、扫描电镜技术进行结构表征和微观结构观察,采用电荷密度分析和Zeta电位分析探索淀粉絮凝剂的絮凝机理,为高效果、低成本的阳离子淀粉絮凝剂的开发提供理论依据。主要结论如下:1.淀粉絮凝剂的制备工艺:考察了机械活化时间、反应时间、淀粉浓度、引发剂浓度、单体浓度、反应温度对醚化反应的影响,结果表明,浆法、球磨辅助浆法、干法和球磨辅助干法制备的淀粉絮凝剂的取代度分别为0.03～0.07、0.07～0.14、0.18～0.30、0.30～0.35,反应效率为4%～10%、9%～20%、32%～42%、75%～87%;4种制备方法中,以球磨辅助干法制备的淀粉絮凝剂的取代度、反应效率和得率最高,絮凝效果最好,对淀粉来源的依赖性最小。球磨辅助干法为季铵化淀粉絮凝剂最佳的制备方法,其制备条件为:淀粉球磨5h,2,3-环氧基三甲基氯化铵与淀粉的摩尔比为0.40:1.00,90℃反应2.5h,体系水分含量低于20%,该工艺过程不需添加碱。机械活化后进行醚化改性可以得到取代度高、絮凝效果良好的阳离子淀粉絮凝剂。2.机械力活化在淀粉改性中的作用:粒度分析和凝胶色谱分析表明球磨后淀粉粒度先减小后增大,表面积先增大后减小,球磨后淀粉分子的长链和支叉结构断裂,淀粉中大分子数量减少,小分子数量增加,分子量分布发生变化。X-射线衍射和扫描电镜结果显示球磨破坏淀粉分子空间排列,球磨后淀粉产生晶格畸变、最终非晶化,单体试剂更容易渗透到颗粒内部使淀粉发生醚化反应。机械活化使部分机械能转变为化学能储存起来,使物质处于不稳定的高能状态,从而也使淀粉的反应活性提高。本试验首次将机械力活化作用应用于淀粉的醚化改性,制备阳离子淀粉絮凝剂。3.淀粉絮凝剂的絮凝特性:絮凝评价实验表明,絮凝剂母液浓度稍低于临界交叠浓度,污水中絮凝剂分子链间动态接触有利于絮凝;固形物含量为1%的悬浊液沉降效果最好;制备的淀粉絮凝剂的pH和水温适用范围广,其中水温为15℃左右时絮凝效果最好;淀粉絮凝剂的高岭土澄清效果较明矾和聚合氯化铝的好,絮凝后絮凝体的体积较小。4.淀粉絮凝剂的絮凝机理:自制的季铵化阳离子淀粉絮凝剂（球磨后干法制备）优异的絮凝性能是直链和支链淀粉絮凝剂共同作用的结果,絮凝过程中表现出电中和、吸附架桥和网捕卷扫作用,直链淀粉絮凝剂以列车式和尾式与胶体颗粒结合,支链淀粉絮凝剂以尾式或环式与胶体颗粒结合。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 前言
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 絮凝剂在水处理中的作用
• 1.2.2 絮凝剂的分类
• 1.2.2.1 无机絮凝剂
• 1.2.2.2 有机絮凝剂
• 1.2.2.3 生物絮凝剂
• 1.2.2 阳离子型淀粉絮凝剂的制备方法
• 1.2.2.1 醚化反应
• 1.2.2.2 接枝共聚改性
• 1.2.2.3 机械力活化在化学改性中的作用
• 1.2.3 影响淀粉絮凝剂絮凝效果的因素
• 1.2.3.1 电荷密度的影响
• 1.2.3.2 分子量和分子结构的影响
• 1.2.3.3 高分子的溶液特性的影响
• 1.2.3.3.1 动态接触浓度Cs
• *'>1.2.3.3.2 链交叠浓度C^*
• 1.2.4 阳离子型淀粉类絮凝剂的应用
• 1.2.5 高分子絮凝剂的絮凝机理
• 1.2.5.1 压缩双电层机理
• 1.2.5.2 吸附-电中和作用
• 1.2.5.3 吸附-架桥作用
• 1.2.5.4 沉析网捕作用
• 1.2.5.5 絮凝形态学研究
• 1.3 存在问题
• 1.4 研究内容
• 2. 材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 化学试剂
• 2.3 实验仪器
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 大米淀粉的提取
• 2.4.2 碘兰值测定
• 2.4.3 阳离子絮凝剂的制备
• 2.4.3.1 阳离子絮凝剂的浆法制备
• 2.4.3.2 阳离子絮凝剂的球磨辅助浆法制备
• 2.4.3.3 阳离子絮凝剂的干法制备
• 2.4.3.4 阳离子絮凝剂的球磨辅助干法制备
• N），反应效率（RE）的测定'>2.4.4 取代度（DS_N），反应效率（RE）的测定
• 2.4.5 絮凝实验
• 2.4.6 淀粉及其絮凝剂的形貌观察
• 2.4.7 粒度和粒径分布
• 2.4.8 分子量分布
• 2.4.9 扫描电镜观察
• 2.4.10 结构表征
• 2.4.11 晶体特性
• 2.4.12 特征黏度
• 2.4.13 沉淀体积
• 2 4.14 絮凝体分形维数
• 2.4.15 电荷密度
• 2.4.16 Zeta电位
• 2.5 试验设计
• 2.5.1 浆法反应条件的优化
• 2.5.2 球磨辅助浆法反应条件的优化
• 2.5.3 干法反应条件的优化
• 2.6 数据处理
• 3. 结果与分析
• 3.1 浆法制备淀粉絮凝剂
• 3.1.1 氢氧化钠添加量对絮凝效果的影响
• 3.1.2 反应温度对絮凝效果的影响
• 3.1.3 反应时间对絮凝效果的影响
• 3.1.4 醚化剂添加量对絮凝效果的影响
• 3.1.5 体系含水量对絮凝效果的影响
• 3.1.6 反应条件的优化
• 3.1.7 玉米淀粉及浆法制备的絮凝剂的扫描电镜观察
• 3.1.8 搅拌条件的确定
• 3.1.8.1 快速搅拌速度对絮凝效果的影响
• 3.1.8.2 快速搅拌时间对絮凝效果的影响
• 3.1.8.3 慢速搅拌速度对絮凝效果的影响
• 3.1.8.4 浆法制备的淀粉絮凝剂絮凝高岭土时添加量的确定
• 3.1.9 不同来源淀粉絮凝剂絮凝效果的比较
• 3.1.9.1 不同来源淀粉絮凝剂的取代度、得率和反应效率
• 3.1.9.2 不同来源淀粉及其絮凝剂的显微观察
• 3.1.9.3 不同来源淀粉絮凝剂絮凝高岭土的沉降曲线
• 3.1.9.4 不同来源淀粉絮凝剂絮凝后的矾花观察
• 3.1.10 小结
• 3.2 球磨辅助浆法制备淀粉絮凝剂
• 3.2.1 球磨时间及反应条件对淀粉絮凝剂絮凝效果的影响
• 3.2.1.1 球磨时间对絮凝效果的影响
• 3.2.1.2 醚化剂用量对絮凝效果的影响
• 3.2.1.3 反应时间对絮凝效果的影响
• 3.2.2 反应条件的优化
• 3.2.3 玉米淀粉及球磨后浆法制备的絮凝剂的扫描电镜观察
• 3.2.4 球磨辅助浆法制备的三种不同来源淀粉絮凝剂絮凝效果的比较
• 3.2.4.1 球磨辅助浆法制备的淀粉絮凝剂的取代度、得率和反应效率
• 3.2.4.2 三种淀粉及球磨后浆法制备的淀粉絮凝剂的显微观察
• 3.2.4.3 球磨前后制备的三种不同来源的淀粉絮凝剂沉降曲线的比较
• 3.2.4.4 球磨辅助浆法制备的淀粉絮凝剂絮凝后的矾花观察
• 3.2.5 小结
• 3.3 干法制备淀粉絮凝剂
• 3.3.1 反应条件对淀粉絮凝剂絮凝效果的影响
• 3.3.1.1 氢氧化钠的添加量对絮凝效果的影响
• 3.3.1.2 醚化剂的添加量对絮凝效果的影响
• 3.3.1.3 反应温度对絮凝效果的影响
• 3.3.1.4 反应时间对絮凝效果的影响
• 3.3.2 反应条件的优化
• 3.3.3 干法制备的淀粉絮凝剂红外（IR）结构鉴定
• 3.3.4 玉米淀粉及干法制备的絮凝剂的扫描电镜观察
• 3.3.5 干法制备的淀粉絮凝剂絮凝高岭土时添加量的确定
• 3.3.6 干法制备的不同来源的淀粉絮凝剂絮凝效果的比较
• 3.3.6.1 干法制备的不同来源淀粉絮凝剂的取代度、得率和反应效率
• 3.3.6.2 淀粉及干法制备的淀粉絮凝剂的显微观察
• 3.3.6.3 干法制备的淀粉絮凝剂絮凝高岭土的沉降曲线
• 3.3.6.4 干法制备的不同来源淀粉絮凝剂絮凝后的矾花观察
• 3.3.7 小结
• 3.4 球磨辅助干法制备淀粉絮凝剂
• 3.4.1 球磨时间和醚化剂添加量对淀粉絮凝剂絮凝效果的影响
• 3.4.1.1 球磨时间对絮凝效果的影响
• 3.4.1.2 醚化剂用量对絮凝效果的影响
• 3.4.2 玉米淀粉及球磨淀粉的粒径分布
• 3.4.3 玉米淀粉及球磨淀粉的分子量分布
• 3.4.4 玉米淀粉及球磨淀粉的晶体特性
• 3.4.5 球磨辅助干法制备的淀粉絮凝剂红外（IR）结构鉴定
• 3.4.6 玉米淀粉及球磨后干法制备的絮凝剂的扫描电镜观察
• 3.4.7 球磨辅助干法制备的不同来源淀粉絮凝剂絮凝效果的比较
• 3.4.7.1 球磨辅助干法制备的不同来源淀粉絮凝剂的取代度、得率和反应效率
• 3.4.7.2 淀粉及球磨辅助干法制备的絮凝剂的显微照片
• 3.4.7.3 球磨辅助干法制备的淀粉絮凝剂絮凝高岭土的沉降曲线
• 3.4.7.4 球磨辅助干法制备的不同来源淀粉絮凝剂絮凝后的矾花观察
• 3.4.7.5 四种制备方法的综合比较
• 3.4.8 小结
• 3.5 淀粉絮凝剂的絮凝性能
• 3.5.1 絮凝剂母液浓度对高岭土悬浊液絮凝效果的影响
• 3.5.2 高岭土悬浊液浓度对絮凝效果的影响
• 3.5.3 无机盐对高岭土悬浊液絮凝效果的影响
• 3.5.4 pH对高岭土悬浊液絮凝效果的影响
• 3.5.5 温度对高岭土悬浊液絮凝效果的影响
• 3.5.6 淀粉絮凝剂与无机絮凝剂絮凝效果的比较
• 3.5.7 小结
• 3.6 淀粉絮凝剂絮凝机理的综合分析
• 3.6.1 电中和作用
• 3.6.2 架桥作用
• 3.6.3 捕获和卷扫作用
• 3.6.4 直链淀粉和支链淀粉絮凝剂的絮凝作用
• 3.6.5 淀粉絮凝剂作用下胶体颗粒的絮凝过程
• 3.6.6 小结
• 4. 讨论
• 4.1 浆法制备淀粉絮凝剂
• 4.2 球磨辅助浆法制备淀粉絮凝剂
• 4.3 干法制备淀粉絮凝剂
• 4.4 球磨辅助干法制备淀粉絮凝剂
• 4.5 淀粉絮凝剂的絮凝性能
• 4.6 淀粉絮凝剂的絮凝机理
• 4.7 论文创新点
• 4.7.1 采用机械力活化技术无碱条件下干法制备阳离子淀粉絮凝剂
• 4.7.2 从分子水平分析了淀粉絮凝剂的絮凝机理
• 5. 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录