请输入关键字:



 

 


壳聚糖改性阳离子絮凝剂的制备及其应用研究--董怡华

(2006-11-20 8:13:13)


  基金项目:沈阳市环境工程重点实验室基金资助(2004008)。
  作者简介:董怡华(1979-),女,河北宣化人,助教。
  壳聚糖改性阳离子絮凝剂的制备及其应用研究
  Preparation of Modified Chitosan Cationic
  Flocculant and Study on Its Application
  董怡华1李亮2胡筱敏2许克3林静雯1
  (1.沈阳大学 生物与环境工程学院沈阳110044);(2.东北大学环境工程研究所沈阳110004);
  (3.深圳市朗坤建设发展有限公司深圳518057) 
  摘要丙烯酰胺与二甲基二烯丙基氯化铵质量比为2∶1时,与壳聚糖发生接枝共聚反应,合成了壳聚糖阳离子型改性高分子絮凝剂PCAD。以高岭土模拟水样为处理体系,探讨了PCAD的絮凝性能,结果表明PCAD是典型的阳离子型高分子絮凝剂。污泥处理试验表明PCAD处理效果优于PAM-C,能显著改善污泥的沉降和脱水性能。
  关键词壳聚糖二甲基二烯丙基氯化铵接枝共聚污泥脱水
  AbstractThe modified chitosan flocculant PCAD was made by grafting 
acrylamide and DMDAAC onto chitosan
   under the condition that the mass ratio of acrylamide and DMDAAC is 
2∶1. The results of flocculating experiments of PCAD on Kaolin suspension 
indicated that PCAD has the typical characteristics of cationic macromolecular 
flocculant. The results of treatment on activated sludge indicated that PCAD can
 improve the sedimentation and dewatering abilities of the sludge evidently.
  Key wordsChitosanDMDAACGraft CopolymerizationActivated Sludge Dewatering
  1引言

  甲壳素作为一种天然多糖资源,已在工农业中广泛应用[1],其脱乙酰产物壳聚糖因其天然、无毒、安全性而被美国环保局批准作为饮用水的净化剂[2],被美国食品药物管理局(FDA)批准作为食品添加剂[3]。但因壳聚糖电荷密度小、水溶性较差、分子量较低等缺点限制了它的广泛使用。用不饱和烯类单体与壳聚糖接枝共聚是对其进行化学改性的重要方法。目前所用改性单体多为丙烯酰胺、丙烯氰和丙烯酸等非离子或阴离子型单体[4~7],而以阳离子烯类单体改性壳聚糖的开发和应用研究报导较少。本研究对壳聚糖与丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵接枝共聚改性产品的絮凝性能进行探讨,这对壳聚糖改性絮凝剂在废水处理中的应用研究具有重要意义。
  2试验部分 
  2.1试验材料
  壳聚糖:白色片状物质,脱乙酰度80%以上;二甲基二烯丙基氯化铵;丙烯酰胺:化学纯;过硫酸铵:分析纯;无水乙醇:化学纯;冰乙酸:分析纯;阳离子型聚丙烯酰胺;活性污泥:沈阳市东北制药总厂污水处理站小试污泥,含水率985%,pH55~60。
  2.2试验仪器
  722型分光光度计(上海光谱仪器有限公司);380型傅立叶红外光谱扫描仪(美国尼高利公司);PB-10型pH计;DJ-6CS六联搅拌器;NDJ-1型旋转粘度计;真空干燥箱;恒温水浴锅等。
  2.3试验方法 
  2.3.1接枝共聚物PCAD制备将装有搅拌器,通入N2的三口反应瓶置于恒温水浴锅中,加入体积分数为15%的冰乙酸水溶液95mL,干燥后的壳聚糖2g,在30℃下搅拌30min,滴加01 g/L的引发剂过硫酸铵溶液5mL,15min后,分别加入丙烯酰胺单体4g,二甲基二烯丙基氯化铵单体2g,继续反应3h,冷却至室温。反应产物即为接枝共聚物PCAD。
  2.3.2检测分析①粘度测定:用旋转粘度计测粘度[8]。②阳离子度(DC)测定:参照莫尔法[9]测定Cl-含量法来测定阳离子度DC。
  2.3.3絮凝性能研究①高岭土模拟水样的絮凝试验:在250mL烧杯加入100 mL 的5g/L的高岭土悬浊液水样,再加入定量的絮凝剂,先以200 r/min的转速快搅30s,随后以40~60 r/min的转速搅拌5min,静置5min后测定其上清液吸光度。②污泥处理试验:取100mL污泥置于具塞量筒中,加入絮凝剂,翻转量筒数次,静置,记录不同时间下底部沉积污泥的体积,并测上清液透光率。
  污泥过滤性能测定,在100mL污泥中加入絮凝剂,搅拌5min,倒入污泥脱水装置的布氏漏斗中,自然过滤5min后,在真空度为70kPa时比较不同抽滤时间下滤液总体积。
  3结果与讨论
  3.1PCAD絮凝性能研究
  3.1.1pH值对PCAD絮凝性能的影响改变高岭土模拟水样的pH值,絮凝试验结果如图1所示。由图1可知,pH值在中性偏酸范围内,溶液图1pH值对絮凝效果的影响的透光率最好。而pH值在碱性的范围内,溶液的透光率下降。但是下降的幅度不是很大,这是因为在碱性溶液中,高岭土悬浮液荷负电性减少,絮凝剂分子中含有的部分酰胺基通过碱化后部分水解为羧酸基-COO-,从而其电中和作用有所减小。但因为絮凝剂分子中含有大量的季铵基团,因而仍有较强的絮凝作用。在中性偏酸溶液中,其絮凝机理既有阳离子絮凝剂的电中和作用,也有高分子絮凝剂的架桥吸附作用,故达到了最佳絮凝效果。
  3.1.2 絮凝剂PCAD投加量对絮凝效果的影响
  絮凝剂投加量是决定絮凝效果的重要因素之一。用PCAD处理高岭土模拟水样,其用量对絮凝效果的影响如图2所示。由图2可知,高岭土水样的透光率,随PCAD投加量的增加而升高,但当PCAD用量超过15mg/L时,高岭土透光率有所降低。这是因为在带负电荷的高岭土悬浮液中加入的阳离子絮凝剂PCAD具有对带负电荷的胶体粒子的电中和与吸附架桥作用,当PCAD过量时,

  图2PCAD投加量对絮凝效果的影响
  处理体系变成带正电荷,由于相同电荷间的互斥作用使絮体再分散,架桥困难而降低处理效果。但是从实验中我们观察到PCAD的絮凝恶化现象并不显著,这是由于PCAD独特的分子结构所致。壳聚糖的高分子链是半刚性的,在这个骨架大分子中接进柔性的聚丙烯酰胺和聚二甲基二烯丙基氯化铵等支链,形成刚柔相济的网状大分子,因而使其具有絮凝能力强、分子链稳定性增加以及适应范围广等特点,故投加量过量时其絮凝恶化现象并不显著。
  3.2污泥处理试验
  3.2.1接枝共聚产品对污泥上清液透光率的影响絮凝剂对污泥处理后,其上清液的透光率说明了絮凝剂对污泥中微细颗粒和胶体的去除性能。上清液的透光率越高,说明絮凝剂泥水分离性能越好。PCAD与PAM-C在不同用量下对上清液透光率的影响见图3。由图3可知,PCAD其上清液具有较高的透光率。
  图3絮凝剂用量对上清液透光率的影响
  3.2.2接枝共聚产品对污泥沉降性能的影响
  由于活性污泥中的微细颗粒表面带负电,互相相斥,部分污泥与表面附着水结合成凝胶体,故能在水中稳定分布,沉降性能差,靠重力沉降只能将污泥与游离水分开。加入絮凝剂使带负电的污泥颗粒脱稳,并将表面附着水转化成游离水。故污泥的沉降性能可作为衡量絮凝剂性能的一个指标。絮凝剂用量为20 mg/L时,PCAD与PAM-C进行的沉降试验结果见图4。图4表明,絮凝剂PCAD能较明显地加快污泥的沉降速度。
  图4絮凝剂对沉降性能的影响
  3.2.3抽滤对污泥过滤性能的影响
  污泥比阻r是表示污泥阻抗固液分离倾向的指标,r越大,则污泥脱水性能越差。污泥的比阻与滤液体积的平方成反比[10],即r2/r1=V21/V22。一定的压力差下滤液的体积是比较污泥脱水效果最直观的指标,滤液体积越多,则污泥比阻越小,絮凝剂脱水效果越好。絮凝剂投加量为10mg/L时不同抽滤时间下总滤液体积见图5。由图5可看出,PCAD对污泥的脱水效果较好,投加絮凝剂后,污泥游离水较多。
  图5过滤时间对絮凝剂过滤性能影响
  4结论
  (1)以过硫酸铵为引发体系,在较温和的反应条件下,壳聚糖和丙烯酰胺与二甲基二烯丙基氯化铵发生接枝共聚反应生成了PCAD。
  (2)以高岭土悬浮液为研究对象时,合成的PCAD具有絮凝效果好,适应范围广等特点。
  (3)将实验室合成的接枝共聚产品进行污泥处理试验,与PAM-C相比,其用量少,沉降速度快,滤液透光率高;真空过滤时,滤液体积多。
  参考文献
  1.Kim, K.S, et al. Biocompatibility of chitosan-g poly
 (2-hydroxyethylmethacrylate)[J]. membranes, Pollimo,1990,14(4):385~391.
  2.Deans, etal. Removing polyvalent metals from aqueous waste 
streams with chitosan and halogenating agents. US005336415A, 1994.
  3.Knorr D.  Use of chitinous polymers in food[J]. Food Technology,1984, (1):3.
  4.曹丽云和黄剑峰. 壳聚糖和丙烯酰胺接枝共聚反应的研究[J].西北轻工业学院学报. 2001,6(19):18~22.
  5.A. Pourjavadi. Modified Chitosan. I. Optimized Cerium Ammonium 
Nitrate-Induced Synthesis of Chitosan-graft–Polyacrylonitrile[J].
 Journal of Applied Polymer Science, 2003,8 (88): 2048-2054.
  6.Yazdani-Pedram M and Retuert J. Homogeneous grafting reaction of vinyl 
pyrrolidone onto chitosan[J].. Journal of Applied Polymer Science,
 1997,10(63) :1321-1326.
  7.Nge T.T,Yamaguchi M,Hori N,et al.Synthesis and characterization 
of chitosan/poly(acrylic acid) polyelectrolyte complex[J]. Journal 
of Applied Polymer Science,2001,5(83) :1025-1035.
  8.蒋挺大. 甲壳素[M].北京:化学工业出版社,2003.
  9. 巫共生等. 丙烯酰胺介质玉米淀粉絮凝剂的合成与应用[J]. 吉林自然科学学报, 1988, (3):121~122.
  10.夏晓明,侯文华,肖锦. 新型絮凝剂SFC在污泥脱水中应用的研究[J]. 环境科学, 1991,12(1):24~27.

主办单位:
沈阳市环保产业协会 电话:024-24860918  
技术支持:
沈阳市经济信息中心 沈阳市政府网络数据中心 电话:024-88156633