摘 要： 以天然高分子物質淀粉為有機組分, 通過改性制備陽離子淀粉 (CS) , 與無機組分聚合硫酸鐵 (PFS) 復合, 制備新型無機-有機高分子絮凝劑PFS+CS。并以吸光度為指標, 選用L9 (34) 正交表, 探討pH值、反應溫度、反應時間及原料質量比4個因素對產物的影響。結果表明較佳制備條件為pH值為1.5, 反應時間為0.5h, 反應溫度為50℃, m (PFS) ∶m (CS) =1∶0.125。通過FT-IR分析, 聚合硫酸鐵與陽離子改性淀粉得到復合, 制得了新型的無機有機復合絮凝劑。

隨著工業化進程的加快, 水資源污染問題日趨嚴重, 使用絮凝劑處理污水是常用手段之一。絮凝劑可分為無機絮凝劑、有機絮凝劑、微生物絮凝劑[1], 而無機-有機復合絮凝劑由于具有無機絮凝劑的快速破膠能力, 并克服了單一絮凝劑的用量大、適用范圍小等缺點, 正逐步取代單一絮凝劑[2-3]。

聚合氯化鋁是應用較廣泛的無機高分子絮凝劑, 但有一定的生物毒性[4]。而鐵鹽無機高分子絮凝劑不僅無毒, 而且具有形成鞏花大, 絮凝反應快, 沉降快等優點[5]。但聚鐵鹽不穩定, 絮凝架橋能力比有機絮凝劑差, 因此對聚鐵鹽進行有機復合是提高絮凝效果的常用方法[6]。

淀粉是一種天然有機高分子物質, 價格低廉、選擇性好、安全無毒, 但可生物降解性限制了淀粉的使用壽命, 因此, 通過改性, 引入活性基團, 可提高絮凝性能[7]。

本實驗以3-氯-2-羥丙基氯化銨為醚化劑, 制備陽離子改性淀粉 (CS) , 與無機聚鐵基高分子復合, 制備絮凝劑。并選用L9 (3) 正交表, 以吸光度為指標, 探討了p H值、反應溫度、反應時間及原料質量比4個因素對產物的影響。

1 試劑與儀器

1.1 試劑

3-氯-2-羥丙基氯化銨、淀粉、綠礬、雙氧水、氫氧化鈉和硫酸, 以上試劑均為分析純。

1.2 儀器

WQF-310傅里葉變換紅外光譜儀 (北京第二光學儀器廠) 、723型可見分光光度計 (山東高密彩虹分析儀器有限公司) 、101AB-2型電熱鼓風干燥箱 (菏澤市石油化工學校儀器設備廠) 、HJ-3控溫磁力攪拌器 (江蘇金壇市金南儀器廠) 、FA1204B電子天平 (上海精科天美科學儀器有限公司) 、HH-1數顯恒溫水浴鍋 (江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司) 和PHS-25B酸度計 (上海大中分析儀器廠) 。

2 實驗

2.1 絮凝劑的制備

2.1.1 陽離子改性淀粉 (CS) 的制備

移取4m L醚化劑3-氯-2-羥丙基氯化銨置于燒杯中, 逐滴滴入3m L 10mol/L Na OH, 加入15m L蒸餾水, 混合后, 低于10℃下活化反應10min。將處理好的醚化劑加入15g淀粉中, 攪拌均勻, 40~50℃干燥1h, 粉碎后于85℃下反應0.5h, 得白色固體[8]。

2.1.2 聚合硫酸鐵 (PFS) 的制備

在燒杯中加入10g綠礬·7H2O、10m L蒸餾水和2m L濃硫酸, 邊攪拌邊滴加, 反應30min后, 停止攪拌, 靜置, 即得紅褐色黏稠狀PFS溶液。

2.1.3 聚合硫酸鐵-陽離子改性淀粉復合絮凝劑 (PFS+CS) 的制備

稱取一定量的聚合硫酸鐵 (PFS) 和陽離子淀粉 (CS) 于燒杯中, 加入蒸餾水, 邊攪拌邊用稀硫酸調節p H值, 一定溫度充分反應后, 減壓過濾, 烘干, 即可制得無機-有機復合絮凝劑PFS+CS。

2.2 紅外光譜表征 (FT-IR)

將制備的復合絮凝劑低溫干燥, 研磨成粉狀后, 采用KBr壓片法于WQF-310傅里葉變換紅外光譜儀測定其紅外光譜, 掃描范圍400~4 000cm。

3 結果與分析

3.1 PFS+CS的正交試驗分析

采用正交試驗法, 選用正交表, 探究4個因素:p H值A (1、1.5、2) 、反應時間B (0.5、1、1.5h) 、反應溫度C (40、50、60℃) 及原料質量比D (1∶0.125、1∶0.250、1∶0.500) 對PFS+CS制備的影響, 并探討各影響因素的顯著性, 結果見表1。

表1 各因素對PFS+CS制備的影響

由表1得, PFS+CS制備影響因素的顯著性依次為反應溫度>原料配比>p H值>反應時間。較佳制備條件為:p H值1.5, 反應時間0.5h, 反應溫度50℃, m (PFS) ∶m (CS) =1∶0.125。

3.2 復合絮凝劑PFS+CS的FT-IR分析

在較佳合成條件下制備了復合絮凝劑PFS+CS, 并采用傅里葉變換紅外光譜儀對無機組分PFS、有機組分CS及無機-有機復合絮凝劑PFS+CS分別進行紅外光譜分析, 如圖1所示。

圖1 PFS、CS、PFS+CS紅外光譜圖

由圖1可知, 對于有機組分CS, 波數為1 000cm附近的吸收峰為陽離子改性淀粉中的伯醇、仲醇及醚鍵的特征吸收, O-H鍵的振動在1 658cm處產生吸收峰, C-H的振動在2 934 cm處產生吸收峰, -OH的伸縮振動產生了3 500cm處的吸收峰;當無機組分和有機組分發生聚合后, 其紅外譜圖上包含了CS的特征吸收峰, 同時在3 500cm處, 吸收峰比CS有較明顯加寬, 這表明PFS和CS的吸收峰發生重疊, 兩組分發生聚合。

4 結論

制備了新型無機-有機復合絮凝劑, 聚合硫酸鐵-陽離子改性淀粉復合絮凝劑 (PFS+CS) , 采用正交試驗法得出了各影響因素的顯著性為:反應溫度>原料配比>p H值>反應時間;較佳制備條件為:p H值為1.5, 反應時間為0.5h, 反應溫度為50℃, m (PFS) ∶m (CS) =1∶0.125。并通過紅外光譜法研究了絮凝劑復合前后的結構變化, 表明無機組分聚合硫酸鐵與有機組分陽離子改性淀粉得到了復合, 制得了新型的無機-有機復合絮凝劑。

參考文獻

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[2]鄧金梅, 羅序燕, 祝婷, 等.PAC-PAM復合絮凝劑對某鎮生活污水處理效率的實驗研究[J].化工新型材料, 2017 (2) :19-21.

[3]李哲, 常鼎偉, 周穎, 等.新型聚丙烯酰胺-聚硅酸硫酸鋁復合絮凝劑的制備及絮凝效果研究[J].現代化工, 2016 (7) :118-121.

[4]張振花, 何玉鳳, 張俠, 等.聚鐵和聚鋁類絮凝劑的改性及在廢水處理中的應用研究進展[J].水處理技術, 2010, 36 (9) :10-15.

[5]鄭懷禮, 龍騰銳, 舒型武.聚合鐵類絮凝劑作用機理分析[J].重慶環境科學, 2000, 22 (3) :51-53.

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[7]佟瑞利, 趙娜娜, 劉成蹊, 等.無機、有機高分子絮凝劑絮凝機理及進展[J].河北化工, 2007 (3) :79-83.

[8]魏倩倩, 童群義.季銨型陽離子淀粉絮凝劑的制備及其應用[J].化工進展, 2008, 27 (2) :303-307.