高取代度陽離子淀粉的制備及在印染廢水處理中的應用
論文作者：呂彤 韓薇 陳笛 趙強
摘要：采用了半干法合成出高取代度(DS=0.4)的陽離子淀粉。 研究 表明，在室溫下，當陽離子淀粉的加入量為200～300 mg/L、廢液的pH為11時，該產品對實際印染廢水的脫色率達到78%、COD去除率達到90%。
關鍵詞：半干法 高取代度陽離子淀粉 印染廢水 脫色 COD去除率
新型絮凝劑(混凝劑)的研究和開發已成為一大熱點。研制和開發高效、價廉、無毒的優質絮凝劑一直是國內外水處理研究學者努力的重要方向[1~3]。天然型高分子絮凝劑被人們譽為“綠色絮凝劑”，它具有可生物降解、無毒、用量少、不破壞生態環境的特點。將農副產品中的有機高分子物質經提取或加工改性后可制成天然型高分子絮凝劑產品。在眾多天然改性高分子絮凝劑中，改性淀粉絮凝劑的研制開發尤為引人注目。因為淀粉來源廣、價格低廉，而且產物完全可被生物降解，在 自然 界中形成良性循環[4~6]。本文以淀粉為原料，采用半干法制備出高取代度的陽離子淀粉[7，8]，并將其對印染廢水的處理效果進行了研究。
1 實驗 內容 和 方法
1.1 陽離子淀粉的制備
采用半干法合成陽離子淀粉。此法是利用催化劑與醚化劑一起和少量水混合均勻后，加入淀粉混合均勻，然后在60~90 ℃下反應2~5 h，再用80%的乙醇洗滌，除去多余的醚化劑,烘干即可得陽離子淀粉。
陽離子基團取代度(DS)的測定采用克達爾定氮法[9]。用SP-2000型紅外光譜儀測定紅外譜圖，印證醚化劑季銨鹽結構的特征峰。
1.2 脫色、去濁實驗
1.2.1脫色實驗
采用活性染料染棉織物的印染廢水。染色配方：染料2. 5%(相對織物重量);布重：25 g;NaCl 30 g/L;浴比：1∶40;Na2CO3 20 g/L。試驗方法：取100 mL廢液放入250 mL燒杯中，在350 r/min轉速下加入一定量的DS=0.4的陽離子淀粉，攪拌5 min后，在120 r/min下攪拌5 min，靜置30~45 min，取上層清液進行水質 分析 ，用723型分光光度計在λ=537 nm處測定其吸光度。COD的測定采用重鉻酸鉀法。
1.2.2去濁實驗
采用1 g/L硅藻土懸浮液。其方法是取 250 mL懸浮液，加入不同量的陽離子淀粉，在200 r/min 轉速下快攪1 min ，100 r/min慢速下攪拌5 min，靜置15 min后，在同一液面深度處吸取上清液，測透光率。
2 結果與討論
2.1 陽離子淀粉的印證
所得產物采用克達爾定氮法測定含氮質量分數為2.24%，取代度DS=0.4，反應效率RE=88.89%(RE=)。
由圖1對比醚化劑①和原淀粉②及陽離子淀粉③可知，③除了具有原淀粉的碳鏈骨架結構外，還具有醚化劑季銨鹽結構的特征峰(850~900 cm-1)和醚化劑中-CH3對稱彎曲振動吸收峰(1450~1500 cm-1)，及1100~1150 cm-1處-C-O-伸縮振峰，說明原淀粉與醚化劑已發生醚化反應，此產品確是陽離子淀粉。
圖1 陽離子淀粉與醚化劑紅外光譜圖
2.2 絮凝劑用量對處理效果的 影響
2.2.1 色度去除率
由圖2可看出，色度的去除率隨絮凝劑用量的增加而增加，但當用量達到一定范圍內，去除率增加不明顯，當絮凝劑用量大于500 mg/L時，去除率開始減小。其原因是陽離子淀粉絮凝劑是通過對印染廢水中帶負電荷的染料起中和吸附架橋作用而使體系脫色的，這種絮凝劑作用一般隨其投加量增加而得到增強。但是當加入的陽離子淀粉量太大時，則印染廢水中的染料顆粒因吸附了陽離子淀粉而帶上正電荷，染料粒子因電荷排斥而重新分散穩定，導致處理效果下降。因此陽離子淀粉的最佳用量范圍為200~300 mg/L。
圖2 陽離子淀粉用量與色度去除率的關系 圖3 陽離子淀粉用量與COD去除率的關系
2.2.2 COD去除率
從圖3可以看出，COD去除率先隨陽離子淀粉用量的增加而升高，到某一最高值后，隨著用量的增加，去除率開始降低。這同樣說明陽離子淀粉超過某一用量后，會引起絮凝脫色效果下降，致使所測的COD升高，去除率降低。
2.3 pH對絮凝效果和COD去除率的影響
分別用HAc，Na2CO3(NaOH)調節1 L廢液樣的酸度，制備一系列不同pH的廢液，在30℃下再分別加入200 mg/L絮凝劑進行處理，然后測定pH對絮凝效果的影響。所得脫色效果如表1所示。
從圖4、5可清楚地看到，曲線走勢有2個峰值，說明該絮凝劑在pH=6和pH=11左右條件下，脫色效果好。這是因為在此條件下膠體顆粒多帶負電荷，而陽離子淀粉帶正電荷，它們相遇產生電荷中和作用，從而使體系中微粒脫穩、絮凝。而pH值過高時，體系中負電荷增多，會中和陽離子淀粉的正電荷，使陽離子淀粉部分失效，脫色率又有所降低。
實驗結果還表明，COD在偏堿性條件下去除率較高，但堿性較高時，絮凝劑則會失效。
表1 絮凝劑處理不同pH的印染廢水的結果
|
pH |
色度去除率/% |
外 觀 |
備 注 |
|
3.82 5.24 7.20 8.76 10.3 11.32 12.90 >13 |
50.9 66.4 68.4 68.8 75.4 76.1 72.8 絮凝劑已失效 |
絮體輕，層薄 絮體層輕薄 絮體較輕 絮體與液面分界明顯，絮體較厚 絮體較厚重 上層清亮，下層厚重 絮體較輕，有漂浮現象
|
原廢水樣
|
圖4 pH對色度去除率的影響 圖5 pH對COD去除率的影響
2.4 溫度對絮凝效果和COD去除率的影響
實驗表明絮凝劑對溫度較敏感，在低于50 ℃的條件下，脫色效果較好，這是因為溫度升高時，陽離子淀粉更易發生溶脹作用，懸浮在液體中不易下沉，從而降低了絮凝作用。
在低于40 ℃的條件下，COD去除率較高，而高于40 ℃去除率迅速降低，這是淀粉的溶脹作用導致上層清液中的淀粉絮凝劑增多，而陽離子淀粉是高分子有機物，致使上層清液中的COD升高，去除率降低。
圖6 溫度對色度去除率的影響 圖7 溫度對COD去除率的影響
2.5 絮凝攪拌速度對絮凝效果的影響
攪拌速度選擇的恰當，可以加速絮凝作用，從而有利于絮凝劑發揮作用，提高絮凝效果。如果攪拌的速度過快，則會將能夠沉降的顆粒攪拌后變成不能沉降的顆粒，從而降低絮凝效果，如果攪拌速度過慢，則會使絮凝劑和固體顆粒不能充分接觸，從而不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，而且絮凝劑的濃度分布不均勻，不利于發揮絮凝作用。
圖8 攪拌速度與色度去除率的影響 圖9 攪拌時間與色度去除率的影響
2.6 攪拌時間對絮凝效果的影響
攪拌時間過長，會將本應沉降的顆粒經長時間攪拌又分散成不能沉降的顆粒，降低了絮凝效果;如果攪拌時間過短，則會使絮凝劑和固體顆粒不能充分接觸，吸附，從而不利于絮凝劑捕集膠體顆粒不能使絮凝劑充分發揮效能。
3 結 論
本文利用半干法制備出高取代度陽離子淀粉，對印染廢水的脫色及COD去除率的實驗結果表明：取代度為0.4的陽離子淀粉使用量為200~300 mg/L，pH為11，在常溫下對印染廢水的脫色率為78%，COD的去除率達90%。該絮凝劑原料來源充足，制備工藝簡單，絮凝效果好且無毒，可生物降解，是一種環保型的水處理劑。
參考 文獻
1 蘇 騰，陳中興，陸 柱等. 混凝劑的 研究 應用 現狀與開發動向(一).凈水技術, 2000，18(3)：7~9
2 吳 彬，鄧 皓，霄 遙等. 工業 水處理絮凝劑的 發展 狀況與前景. 石油與天然氣化工, 1999，28(1)：71~73
3 李為群，劉 健. 高分子絮凝劑開發應用新動向. 環境污染與防治, 1997，19(3)：32~36
4 高玉寶. 一種染料廢水脫色絮凝劑(PSAM)的制備和效果實驗. 環境 科學 , 1991，13(1)：54~58
5 Carr M E. Preparation and cationic starch containing quaternary ammonium substituents by reactive twin-screw extrusion rocessing. Journal of Applied Polymer Science, 1994,54(12):1855~1861
6 Khalil M I, Faray S. Preparation and Characterization of Some Cationic Starches. Starch/Starke, 1998,50(6):267~271
7 具本植，張淑芳，楊錦宗. 干法制備陽離子淀粉. 化學通報, 2001，(11)：707~710
8 楊建洲. 高取代度陽離子淀粉的制備 方法 研究. 造紙化學品, 2002，(1)：27~29
9 陳耀祖. 有機 分析 . 北京：高教出版社，1981. 156~157
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
