壳聚糖—丙烯酰胺接枝共聚及复合絮凝脱水剂的研究

论文摘要

污水处理过程中产生的大量污泥,由于携带生活和生产污水的沉积杂质,含有大量的病菌、重金属、有机污染物及其它类型的污染物,已成为主要的二次污染源之一。若不妥善处置,其中的有害物质可能通过渗透、地表径流等方式迁移,污染土壤和河流,对环境及人类的健康存在潜在的危害。污泥的最大特性是含水率高,通常水分占污泥质量的95%-99%,这造成它体积庞大、易流动变形、给后续处置带来困难。为了方便后续的填埋、焚烧、农用等处置方式,同时便于运输,处置污泥的第一步就是脱水。但是,污泥颗粒表面带有大量负电荷,互相排斥形成稳定的体系,水分通过化学和物理的作用力和污泥颗粒紧密结合,单靠机械力很难将水分脱出。国内外普遍采用的化学调理方式为投加絮凝剂,使污泥颗粒的理化性质发生变化,使水分和固态物质分离。常用的污泥脱水剂是聚丙烯酰胺类,它是人工合成的高分子物质,其降解产物和单体对人体健康有害。天然物质壳聚糖（chitosan,CTS）具有生物相容性、易生物降解、在自然界产量大等优势,成为可利用的绿色絮凝剂。但是,它的分子链不够长、分子量不大、水溶性较差,限制了其应用。可以通过两种方式改变这一状况:对壳聚糖进行化学改性,制备出新型的絮凝剂;将壳聚糖与其它絮凝剂复合使用,达到减少用量、增强效果的目的。壳聚糖与丙烯酰胺（acrylamide,AM）在硝酸铈铵（ceric ammonium nitrate,CAN）的引发下进行接枝共聚反应,能够延长分子量、引入活性基团,增强其絮凝能力。反应受到体系中反应物总浓度、反应物配比、引发剂浓度、温度等因素的影响。以接枝率为指标的正交试验结果表明:反应物总浓度为11%,通氮气20 min,反应时间为3.5 h,反应物质量比为m（CTS）:m（AM）=1:8,引发剂浓度0.06%,反应温度为45℃时,具有最佳的接枝率396.4%。对正交试验的直观分析表明影响反应的主要因素是反应物的质量比,其次是引发剂浓度,最后是反应温度。红外光谱及电镜扫描分析证明确实生成了CTS-g-AM接枝共聚物,并且该物质对模拟废水的浊度有较高的去除率,达到94.9%,而未接枝前CTS的最佳除浊率仅为74%。壳聚糖的改性絮凝剂还没有进入商品化的生产阶段,为了能够直接应用这种天然絮凝剂,将它与阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）复合,并比较它与聚铁-阳离子聚丙烯酰胺复合絮凝剂的效果。研究了上述两种复合絮凝剂的最佳复合比例及脱水效果。PFS-CPAM在40 mg/L PFS和200 mg/L CPAM时具有最佳的脱水效果,对色度和浊度及COD的去除率分别为79.8%、90.5%和77.9%。CTS-CPAM在20 mg/L CTS和200 mg/L CPAM时具有最佳的脱水效果,它对出水水质的改善不如PFS-CPAM,但是在各个试验中的脱水量都高于PFS-CPAM,最高达到61 ml/100 ml污泥。无论从脱水量、出水水质、过滤性能来看,复合絮凝剂的综合效果均优于单一的絮凝剂,这是复合絮凝剂结合了两种絮凝剂各自的优势,存在一定协同作用的结果。壳聚糖改性或复合絮凝剂都比壳聚糖本身具有更强的絮凝能力,具有开发前景。这也与壳聚糖特定的分子结构有关,分子侧链具有活性氨基和羟基,还有一些高级结构。根据壳聚糖的加入量和脱水效果之间的波浪型变化趋势推测,分子量不太大的高分子物质壳聚糖既有电中和作用又有架桥作用,而不是单一的絮凝脱水机理。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 壳聚糖的概况
• 1.2 制备工艺
• 1.3 低分子量壳聚糖的制备
• 1.4 壳聚糖的性能
• 1.5 壳聚糖的应用
• 1.6 壳聚糖化学改性方式
• 2 壳聚糖丙烯酰胺接枝共聚物的制备与表征
• 2.1 聚合物的分类
• 2.2 反应方式
• 2.3 自由基反应的相关理论
• 2.4 壳聚糖接枝反应机理
• 2.5 实验部分
• 2.5.1 主要试剂和原料
• 2.5.2 实验仪器
• 2.5.3 实验步骤
• 2.5.4 接枝率和接枝效率的计算
• 2.5.5 产物表征
• 2.5.6 高岭土模拟废水试验
• 2.6 结果与讨论
• 2.6.1 引发剂的选择
• 2.6.2 反应物总浓度的影响
• 2.6.3 反应物配比的影响
• 2.6.4 引发剂浓度的影响
• 2.6.5 反应温度的影响
• 2.6.6 通氮气时间的影响
• 2.6.7 反应时间的影响
• 2.6.8 正交试验设计
• 2.7 接枝产物的红外图谱表征
• 2.8 接枝产物的电镜扫描图谱表征
• 2.9 壳聚糖-丙烯酰胺接枝共聚物的絮凝性能
• 2.10 本章小结
• 3 壳聚糖/丙烯酰胺复合絮凝剂的研究
• 3.1 污泥脱水的研究进展
• 3.1.1 污泥的形成及主要成分
• 3.1.2 絮凝剂的分类及其絮凝脱水原理
• 3.1.3 影响污泥脱水性能的因素
• 3.2 本章研究的主要内容
• 3.3 试验部分
• 3.3.1 试剂和仪器
• 3.3.2 试验样品
• 3.3.3 实验步骤
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 不同来源的污泥对污泥脱水效果的影响
• 3.4.2 PFS-CPAM 复合絮凝剂投加量的选择
• 3.4.3 CTS-CPAM 复合絮凝剂投加量的选择
• 3.4.4 复合絮凝剂调理时pH 值的选择
• 3.4.5 复合絮凝剂对污泥沉降性能的影响
• 3.4.6 复合絮凝剂对污泥过滤性能的影响
• 3.4.7 复合絮凝剂对污泥出水水质的影响
• 3.5 本章小结
• 4 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录