陰離子天然高分子絮凝劑的合成和應用
摘要:介紹了以淀粉為基材的陰離子天然高分子絮凝劑的合成工藝和應用效果。探討了反應條件,包括反應溫度、反應時間、投料比等因素對淀粉聚丙烯酰胺接枝共聚物的陰離子化反應的影響,并對該產品進行了實驗室評價。
關鍵詞:接枝;共聚物;陰離子化;絮凝劑
為了滿足環保市場的需要,環境材料特別是污水治理材料,如無機絮凝劑和有機高分子絮凝劑大量涌現出來。考慮污水中懸浮物及膠體污染物的特性、陽離子污染物的清除和天然高分子本身特有的優良性質,以及現在新型絮凝劑大多數是非離子和陽離子型絮凝劑。作者研制了以淀粉為基材的陰離子天然高分子絮凝劑。天然高分子絮凝劑屬于有機高分子絮凝劑,它與無機絮凝劑相配伍,具有應用范圍廣,用量少,絮凝沉降速度快,受共存鹽類、pH及溫度影響小,生成污泥量少,使用簡便,無二次污染,可生物降解,價格低廉等許多優點[1]。日益受到人們的關注。而本文作者研制的陰離子絮凝劑除具有上述的優點外, 尤其對含金屬離子的污水有很好的處理效果。
1 實驗
1.1 原料
淀粉,丙烯酰胺(分析純),磷酸鈉(分析純), 靛藍二磺酸鈉(分析純)。
1.2 合成
在三口燒瓶中加入適量的淀粉和丙烯酰胺在特定催化劑的作用下,反應數小時,制得淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物。秤取定量的該接枝共聚物于三口燒瓶中,加入適量濃度的堿溶液,加熱,攪拌, 反應數小時,可得到陰離子化的天然高分子絮凝劑,即部分水解的淀粉接枝聚丙烯酰胺。
反應式如下:(水解度采用GB 12065.6—89 方法測定)。
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2 結果與討論
本文是重點對淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物的水解,即陰離子天然高分子絮凝劑的制備進行了考察,各工藝條件對水解度(HD%)的影響敘述如下。
2.1 溫度的影響
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| 圖1 溫度對陰離子化的影響 |
從圖1中可以看出,當反應時間為3 h,堿配配比為1.5(質量比),投料比為0.30,堿性水解時,隨著溫度的升高,水解度逐漸增大,但當溫度超過65℃后,水解度又呈下降趨勢。這是由于溫度較低時,淀粉接枝聚丙烯酰胺分子鏈不夠伸展, 反應主要是在團粒表面進行而不利于水解,而在溫度不斷升高,淀粉接枝聚丙烯酰胺分子鏈易伸展,反應活性點增加,有利于水解[2]。但溫度過高,淀粉高分子鏈易糊化產生凝膠,限制了小分子鏈的活動,反應活性點減少,不利于水解。故水解溫度選在65℃左右較為理想。
2.2 時間的影響
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| 圖2 時間對陰離子化的影響 |
從圖2中可以看出,當反應溫度為65℃,堿配比為1.5(質量比),投料比為3.0,隨著反應時間的增加,水解度不斷增加,但當反應時間超過 3.0 h,隨著反應時間的增加,水解度增加緩慢。故反應時間選在3.0 h為宜。
2.3 堿配比的影響
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| 圖3 堿配比(質量比)對陰離子化的影響 |
從圖3中可以看出,當反應溫度為65℃,反應時間為3 h,投料比為3.0,隨著堿配比的增加, 水解度逐漸升高,當比值超過1.4時水解度有曾下降趨勢。這主要是因為強堿的存在有利于水解反應的快速進行,但水解度較低,而弱堿的水解速度則相對較慢,但水解程度較高。故堿的配比選為1.4為宜。
2.4 投料比對反應的影響
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| 圖4 水解劑與接枝物的比對反應的影響 |
從圖4中可以看出,當反應溫度為65℃,反應時間為3 h,堿配比為1.5(質量比),隨著水解劑的增加,水解度逐漸上升,但當超過0.30后,隨著水解劑用量的不斷增加,水解度增加不明顯。故投料比選為0.30為宜。
2.5 應用
將陰離子型淀粉聚丙烯酰胺絮凝劑配制成濃度為0.1%的水溶液,并將無機絮凝劑聚鋁鹽配制成濃度為5%的水溶液,將兩者配合對印染廢水進行處理后,用分光光度計分別測得應用不同水解度的絮凝劑處理后的廢水的吸光度,并將聚丙烯酰胺配制成濃度為0.1%的水溶液,在相同條件下處理該廢水,兩者進行比較。結果見表1。
| 表1 吸光度的比較 |
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3 結論
陰離子型天然高分子絮凝劑對含陽離子的印染廢水處理的結果,表明它是一種絮凝脫色較好的絮凝劑。與陰離子型聚丙烯相比也可以看出該產品的脫色效果好。
淀粉的剛性主鏈配以丙烯酰胺的陰離子的柔性支鏈,形成一種剛柔相濟的大分子,具有較高的分子量和較好的絮凝效果,它絮體形成速度快,絮體密實程度高,絮體顆粒大,濁度去除率高。
基于陰離子型天然高分子絮凝劑的結構特點,使它具有應用范圍廣,絮凝效果好,尤其對pH 值較高的廢水處理效果更好,對金屬離子有絡合作用,而且本身該產品無毒、可降解、無二次污染, 是一種功能型環境材料。其發展前景相當廣闊。
參考文獻:
[1] 馬希晨,曹亞峰,崔 勵.聚丙烯酰胺接枝陽離子絮凝劑的研究[J].農村農源,1996,(1):29-31.
[2] VARMA I K, SINGH O P, Sandle N K. Graft copolymerization of starch with acrylamide [ J]. Angew Makromol Chem,1983,119:83-84.
[3] 沃茲堡O B;變性淀粉的性能和應用[M].沈言行, 周永元譯.北京:紡織工業出版社,1989.
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