PAFC-PDMDAAC復(fù)合絮凝劑在地表水處理中的絮凝特性

孫翠珍，朱大偉，李杰瑞

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

摘要混凝沉淀法相較其他水處理方法具有多種優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地表水處理中，該方法的決定性因素之一是絮凝劑性能的優(yōu)劣。為了提高絮凝劑處理地表水的效果，以PAFC和PDMDAAC為原料合成PAFC-PDMDAAC。研究了在模擬地表水處理中PAFC-PDMDAAC投加量、堿化度、(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比和特性黏度對(duì)PAFC-PDMDAAC混凝性能的影響。結(jié)果表明PAFC-PDMDAAC優(yōu)于PAFC的絮凝效果，PAFC-PDMDAAC的最佳絮凝條件： (Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比為10、堿化度為1.0。

關(guān)鍵詞復(fù)合絮凝劑(PAFC-PDMDAAC)地表水處理(Al+Fe)/聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)質(zhì)量比堿化度特性黏度

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： C

[收稿日期]2014-07-26

[基金項(xiàng)目]山東省自然科學(xué)基金(ZR2012EEQ024)；山東建筑大學(xué)博士基金(No. XNBS1228)

[作者簡介]孫翠珍(1979—)，女，博士，副教授，研究方向水處理理論與技術(shù)。電話： 15863148309；E-mail： sczh2901@126.com。

Coagulation Performance of Composite Flocculant of PAFC-PDMDAAC for Surface Water Treatment

Sun Cuizhen, Zhu Dawei, Li Jierui

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Ji’nan250101,China)

AbstractCoagulation sedimentation process is widely applied in surface water treatment because of its advantages against other process, and coagulant property is one of the key factors of the process. In order to improve flocculation efficiency of treatment for surface water, a new composite flocculants combined PAFC with PDMDAAC was created. The effect of PAFC-PDMDAAC, mass ratio of (Al + Fe)/PDMDAAC, alkalization degree and intrinsic viscosity on coagulation of surface water were studied. The results show flocculation effect of PAFC-PDMDAAC is better than that of PAFC, and the best flocculation conditions of PAFC-PDMDAAC are as follows： mass ratio of (Al+Fe)/ PDMDAAC is 10, degree of alkalization is 1.0.

Keywordscomposite flocculant (PAFC-PDMDAAC)surface water treatmentmass ratio of (Al+Fe)/poly dimethyl diallyl ammonium chloride (PAFC-PDMDAAC)degree of alkalizationintrinsic viscosity

混凝沉淀法與其他的水處理方法相比，工藝簡單、操作方便且整體成本較低，具有很高的性價(jià)比，目前被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理廠地表水的處理[1-3]。復(fù)合型絮凝劑是指以兩種或兩種以上的絮凝劑作為原料組分合成一種新的絮凝劑，而通常絮凝劑性能的優(yōu)劣是混凝沉淀法的決定性因素，復(fù)合型絮凝劑與傳統(tǒng)絮凝劑相比而言具有適用范圍廣，混凝速度快，處理效果好的特點(diǎn)，可以充分發(fā)揮無機(jī)絮凝劑跟有機(jī)絮凝劑各自的優(yōu)點(diǎn)[4]。關(guān)于復(fù)合型絮凝劑，近年來已成為學(xué)術(shù)熱點(diǎn)問題，在處理地表水的工程應(yīng)用中，國內(nèi)外也都有相關(guān)的報(bào)道記載[5]。

本試驗(yàn)自制復(fù)合型絮凝劑PAFC-PDMDAAC，并研究了它對(duì)模擬地下水的處理效果，考察了它的堿化度、(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比和特性黏度對(duì)其混凝性能的影響，旨在為將來的地表水處理實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

磁力加熱攪拌器、六聯(lián)攪拌機(jī)、電子天平、便攜式液體濁度儀、分光光度計(jì)、總有機(jī)碳分析儀、Zeta電位測定儀。

1.2試驗(yàn)藥品

三氯化鐵、三氯化鋁、無水碳酸鈉、磷酸氫二鈉、聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDMDAAC)、高嶺土、腐植酸。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1PAFC-PDMDAAC的制備

將Al/Fe(物質(zhì)的量比)為5∶2的三氯化鐵和三氯化鋁固體置于燒杯中，加入適量的蒸餾水，在攪拌狀態(tài)下加入一定量的無水碳酸鈉粉末至預(yù)定的堿化度(分別為0.5、1.0、1.5)，然后加入適量的磷酸氫二鈉溶液并繼續(xù)攪拌一段時(shí)間。停止攪拌后，將其冷卻至室溫，待24h后可獲得具有不同B值的PAFC絮凝劑溶液。

向上述PAFC絮凝劑溶液中加入不同特性黏度(分別為0.8和1.2dL/g)的PDMDAAC，即可制備出具有不同B值、不同特性黏度、不同(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比的PAFC-PDMDAAC。

1.3.2模擬地表水水樣的絮凝試驗(yàn)

利用高嶺土和腐植酸配制水樣，模擬地表水水樣的水質(zhì)指標(biāo)： 腐植酸濃度為10mg/L、DOC濃度為3.25 ±0.30mg/L、初始pH為8.5 ± 0.10，濁度為14.00 ± 0.50NTU。

絮凝試驗(yàn)在六聯(lián)攪拌機(jī)上進(jìn)行，在1000mL原水水樣中加入絮凝劑，快攪1min后慢攪15min(快攪200r/min、慢攪40r/min)，靜置沉淀20min后，取一定量上清液測去濁率、DOC去除率和zeta電位。

2結(jié)果與討論

2.1投加方式對(duì)絮凝效果的影響

分別投加單獨(dú)組分的PAFC和PAFC-PDMDAAC，其去濁率與DOC去除率如圖1所示。

由圖1可知兩種絮凝劑對(duì)去濁率具有相同的變化趨勢，先增高后平緩。當(dāng)投加量超過一定值后，兩種絮凝劑對(duì)濁度去除的影響變化不大。PAFC去濁好于PAFC-PDMDAAC，這是因?yàn)檫^量的絮凝劑會(huì)使絮體表面帶正電荷，從而使脫穩(wěn)的膠體重新獲得穩(wěn)定。PAFC-PDMDAAC對(duì)DOC的去除效果優(yōu)于PAFC，PAFC與PDMDAAC反應(yīng)具有協(xié)同作用，去除率高出5%左右，在滿足相同去除率的前提下，PAFC-PDMDAAC的投加量少于PAFC的投加量。綜上所述，PAFC-PDMDAAC絮凝效果好，且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖1　絮凝劑投加方式對(duì)去除濁度和DOC的影響 Fig.1　Effect of Feeding Patterns on Removal of Turbidity and DOC

2.2(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比對(duì)絮凝效果的影響

不同(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比 (分別為20、10和4)的PAFC-PDMDAAC(堿化度為1.0，特性黏度為1.2dL/g)對(duì)模擬地表水的去濁率、DOC去除率和zeta電位如圖2所示。

由圖2可知當(dāng)投加量小于6mg/L時(shí)，(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比大小與去濁率呈反比關(guān)系，此條件下當(dāng)(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比為4時(shí)去濁率最高；在投加量大于6mg/L的條件下，當(dāng)(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比等于10時(shí)去濁率最高，而且三種不同的絮凝劑對(duì)去除濁度的影響變化不大，但去濁率會(huì)有所下降。DOC的去除率隨著投加量的增大而不斷增大，當(dāng)(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比等于10時(shí)，DOC的去除效果明顯好于其他兩種(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比的絮凝劑。這是因?yàn)镻AFC-PDMDAAC中PDMDAAC單體的含量并非越多越好，當(dāng)PDMDAAC含量過高時(shí)，會(huì)吸附在微小絮體表面，從而使絮體進(jìn)入再穩(wěn)狀態(tài)。

圖2　PAFC-PDMDAAC的(Al + Fe)/PDMDAAC 質(zhì)量比對(duì)去除濁度、DOC和zeta電位的影響 Fig.2　Effect of Mass Ratio of (Al+Fe)/PDMDAAC of PAFC-PDMDAAC on Removal of Turbidity, DOC and Zeta Potential

不同(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比的PAFC-PDMDAAC所形成絮體的zeta電位都隨著投加量的增加而升高。不同(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比的PAFC-PDMDAAC在所形成絮體的Zeta電位接近等電點(diǎn)0mV時(shí)，去濁率達(dá)到最大，當(dāng)繼續(xù)投加后則會(huì)有所下降，而DOC去除率隨著投加量的增加而增大，這是因?yàn)檫^量的絮凝劑會(huì)使絮體表面帶正電荷，從而使得脫穩(wěn)的膠體重新獲得穩(wěn)定，在去除濁度時(shí)電性中和作用是主要的混凝機(jī)理。而去除DOC時(shí)混凝機(jī)理包括吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃和電性中和作用，不單單只有電性中和作用。

綜合考慮，PAFC-PDMDAAC的(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比最佳選擇應(yīng)為10。

2.3堿化度對(duì)絮凝效果的影響

不同堿化度 (分別為0.5、1.0和1.5)的PAFC-PDMDAAC((Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比為10，特性黏度為1.2dL/g)對(duì)模擬地表水去濁率、DOC去除率和zeta電位如圖3所示。

圖3　PAFC-PDMDAAC的堿化度對(duì) 去除濁度、DOC和zeta電位的影響 Fig.3　Effect of Alkalization Degree of PAFC-PDMDAAC on Removal of Turbidity, DOC and Zeta Potential

由圖3可知濁度的去除效果受堿化度的影響不大。不同堿化度條件下，去濁率之間相差較小，都呈現(xiàn)先增高后平緩的變化趨勢，這是因?yàn)閴A化度與PAFC-PDMDAAC中Fe(Ⅲ)、Al(Ⅲ)的水解形態(tài)有關(guān)，水解產(chǎn)物使得PAFC-PDMDAAC的吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃作用增強(qiáng)，從而達(dá)到去除濁度的目的[6]。

不同堿化度的PAFC-PDMDAAC所形成絮體的zeta電位都隨著投加量的增加而升高。對(duì)于堿化度為 0.5和 1.0的PAFC-PDMDAAC，當(dāng)所形成絮體的zeta電位在等電點(diǎn)(0mV)以下時(shí)，DOC的去除率與投加量呈正比關(guān)系，繼續(xù)增加投加量，DOC的去除效果則基本不變。而對(duì)于堿化度為1.5的PAFC-PDMDAAC來說，對(duì)DOC的去除率卻隨著投加量的增加而增大。這是由于當(dāng)堿化度小于1時(shí)，PAFC-PDMDAAC帶有大量的正電荷，通過電性中和作用降低水中DOC，而當(dāng)堿化度大于1時(shí)，PAFC-PDMDAAC只帶有少量的正電荷，電性中和作用不能很好地去除水中的DOC。因此，當(dāng)堿化度小于1時(shí)，電性中和作用是PAFC-PDMDAAC去除水中DOC的主要混凝機(jī)理；當(dāng)堿化度大于1時(shí)，混凝機(jī)理包括吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃和電性中和作用，不單單只有電性中和作用。

綜合考慮，PAFC-PDMDAAC的堿化度最佳選擇應(yīng)為1.0。

2.4特性黏度對(duì)絮凝效果的影響

不同特性黏度 (分別為0.8和1.2dL/g)的PAFC-PDMDAAC((Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比為10，堿化度為1.0)對(duì)模擬地表水去濁率、DOC去除率和zeta電位如圖4所示。

由圖4可知特性黏度為1.2dL/g比特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMDAAC絮凝效果要好，其中前者對(duì)DOC的去除率大于后者10%左右，在投加量超過3.5mg/L后，特性黏度為1.2dL/g比特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMDAAC去濁率明顯提高，絮凝效果與特性黏度的大小具有正比關(guān)系。這是因?yàn)樘匦责ざ仍酱螅琍AFC-PDMDAAC分子量也就越大，吸附架橋作用增強(qiáng)，同時(shí)大量的正電荷也會(huì)增強(qiáng)吸附中和作用，從而提高PAFC-PDMDAAC的絮凝效果。當(dāng)PAFC-PDMDAAC的特性黏度為0.8dL/g，投加量為9mg/L時(shí)，去濁率和DOC去除效果達(dá)到最佳狀態(tài)。而對(duì)于特性黏度為1.2dL/g的PAFC-PDMDAAC，DOC去除率會(huì)隨著投加量增加而升高，但是當(dāng)投加量超過9mg/L時(shí)，去濁率有所降低，這可能與絮體的zeta電位有關(guān)。

圖4　PAFC-PDMDAAC的特性黏度對(duì) 去除濁度、DOC和Zeta電位的影響 Fig.4　Effect of Intrinsic Viscosity of PAFC-PDMDAAC on Removal of Turbidity, DOC and Zeta Potential

不同特性黏度的PAFC-PDMDAAC所形成絮體的Zeta電位都隨著投加量的增加而升高。特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMAAC在投加量為9mg/L時(shí)，對(duì)濁度和DOC的去除效果最優(yōu)，此時(shí)所形成絮體的Zeta電位還未達(dá)到等電點(diǎn)(0mV)。這說明在混凝過程中，特性黏度為0.8dL/g的PAFC-PDMAAC中主要的混凝作用是吸附架橋作用，而非電性中和作用。而對(duì)于特性黏度為1.21dL/g的

PAFC-PDMAAC，在所形成絮體的Zeta電位接近等電點(diǎn)(0mV)時(shí)，去濁率達(dá)到最大而DOC的去除率并未達(dá)到最優(yōu)，DOC的去除率隨著投加量的增加持續(xù)增大，所形成絮體的Zeta電位也從負(fù)值變?yōu)檎担藭r(shí)PAFC-PDMAAC對(duì)濁度的去除率降低了，而對(duì)DOC的去除率持續(xù)增大。這說明在混凝過程中，特性黏度為1.21dL/g的PAFC-PDMAAC在去除濁度時(shí)主要的混凝作用是電性中和作用；而去除DOC時(shí)主要的混凝作用為吸附架橋作用和電性中和作用，而且電性中和作用隨著特性黏度的增大而增大。

3結(jié)論

(1) PAFC與PDMDAAC反應(yīng)具有協(xié)同作用，復(fù)合絮凝劑PAFC-PDMDAAC的絮凝效果好，且具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(2) PAFC-PDMDAAC的投加量、(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比、堿化度、特性黏度都對(duì)絮凝效果存在影響。PAFC-PDMDAAC處理地表水的最佳(Al+Fe)/PDMDAAC質(zhì)量比為10，堿化度為1.0，提高特性黏度也有利于濁度和DOC的去除。

(3) 對(duì)于PAFC-PDMDAAC來說，提高特性黏度值，吸附架橋作用和電性中和作用明顯增強(qiáng)，改進(jìn)了PAFC-PDMDAAC的混凝性能，從而提高其對(duì)濁度和DOC的去除效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭毅,丁曰堂,李峰,等.國內(nèi)外混凝機(jī)理研究及混凝劑的開發(fā)現(xiàn)狀[J].中國給水排水,2007,23(10)： 14-17.

[2] 駱欣,顧平,張光輝.共沉淀法在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國給水排水,2013,29(20)： 30-34,120.

[3] 趙華章,楊宏偉,蔣展鵬,等.混凝沉淀過程中鋁系混凝劑的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律[J].中國環(huán)境科學(xué),2005,25(2)： 183-187.

[4] 黃曼君,李明玉,任剛,等.PFS-PDM 復(fù)合混凝劑對(duì)微污染河水的強(qiáng)化混凝處理[J].中國環(huán)境科學(xué),2011,31(3)： 384-389.

[5] Moussas P A, Zouboulis A I. A new inorganic-organic composite coagulant, consisting of Polyferric Sulate (PFS) and Polyacrylamide (PAA) [J]. Water Res., 2009, 43(3)： 3511-3524.

[6] Zouboulis A I, Traskas G.. Comparable evaluation of various commercially available aluminium-based coagulants for the treatment of surface water and for the post-treatment of urban wastewate[J]. J Chem Technol Biotechnol, 2005, 80(11)： 1137-1147.