PFS聯(lián)合CPAM處理印染廢水的研究

田陳聃

(福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院，福建泉州362300)

印染行業(yè)廢水排放在整個(gè)工業(yè)廢水排放中占很大比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每天國內(nèi)印染企業(yè)廢水排放高達(dá)300～400萬噸，即每加工100m織物將產(chǎn)生3～5噸廢水。印染廢水具有水量大、有機(jī)污染物含量高、色度深、堿性大、水質(zhì)變化大等特點(diǎn)，屬難處理的工業(yè)廢水［1］。目前常用的印染廢水處理方法有:(1)生化法。它受pH、溫度、染料種類等影響很大，加之污泥膨脹、聚膠團(tuán)易解體等因素，易使生化效果不好，不能達(dá)標(biāo)排放。(2)吸附法。主要是利用活性炭之類的吸附劑。吸附染料等物質(zhì)，也易受水中的懸浮物、高分子污染物、油脂等影響，且吸附劑用量大、費(fèi)用高。(3)物化法。主要有中和法、凝聚法及O3或Cl2氧化法等，其中中和法的缺點(diǎn)是局限性大，O3氧化法設(shè)備造價(jià)高，Cl2氧化法毒性大，易造成二次污染。而絮凝法因投資費(fèi)用低、處理容量大、脫色率高而被廣泛應(yīng)用于印染廢水的處理［2］。本實(shí)驗(yàn)采用的是物理化學(xué)處理法中的絮凝法，這種方法是有效而又經(jīng)濟(jì)的廢水處理脫色技術(shù)之一，具體方法為:在印染廢水中投入混凝劑，在廢水里形成膠團(tuán)，與廢水中的膠狀物質(zhì)發(fā)生電中和，形成絮粒沉降。聚合硫酸鐵是一種較新型的無機(jī)高分子絮凝劑，它在水溶液中存在著多種絡(luò)合離子，以O(shè)H—為架橋形成多核絡(luò)合離子，變成較大的無機(jī)高分子化合物［3］。與其他各種絮凝劑相比，聚合硫酸鐵具有生產(chǎn)成本低、凈化過程投加量少、適用pH范圍廣、雜質(zhì)(濁度COD、懸浮物等)去除率高、殘留物濃度低、礬花沉降速度快、脫色效果好等特點(diǎn)［4］，正在逐步取代堿式硫酸鋁等無機(jī)絮凝劑，應(yīng)用于工業(yè)廢水、城市污水、工業(yè)用水以及生活飲用水等的凈化處理［5］。陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)是一種具有多種活潑基團(tuán)的線型高分子化合物，可以與多種物質(zhì)反應(yīng)形成氫鍵，尤其是它能絮凝帶負(fù)電荷的膠體，產(chǎn)生除濁、脫色、吸附、粘合等效果。它可以適用于處理許多行業(yè)的有機(jī)膠體含量較高的廢水，例如染色、建筑、冶金、造紙、食品、選礦、水產(chǎn)加工與發(fā)酵煤粉和油田等行業(yè)?；炷恋聿坏梢匀コ龔U水中的粒徑細(xì)小的懸浮顆粒，而且能夠去除色度、油分、微生物、氮和磷等富營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬以及有機(jī)物等。本文利用絮凝劑聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)助凝劑混凝聯(lián)合使用對(duì)印染廢水的脫色率與COD的去除率進(jìn)行測(cè)定和比較。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和原料

聚合硫酸鐵(PFS，上海華藍(lán)化學(xué)科技有限公司)，0.25mol·L－1的重鉻酸鉀(1/6K2Cr2O7)標(biāo)準(zhǔn)液，硫酸亞鐵銨［(NH4)2Fe(SO4)2］，亞鐵靈指示劑，直接海軍蘭染料(天津化工采購供應(yīng)站加工出品)，直接紅染料(天津市大港染料有限公司)，直接黑染料(天津市大港染料有限公司)，硫酸－硫酸銀溶液，0.5 mol·L－1硫酸溶液，濃硫酸和氨水。

1.2 儀器與設(shè)備

CL－1A型磁力攪拌器(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)，可見光分光光度計(jì)龍尼柯(上海儀器有限公司)，DRT－TW型調(diào)溫電熱套(鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司)，pHS－3C精密pH計(jì)(上海雷磁儀器廠)，JJ－4六聯(lián)電動(dòng)攪拌器(國華電器有限公司)，電子天枰(梅特勒－托利多儀器上海有限公司)，KQ5200E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.3 廢水的配制

準(zhǔn)確稱取一定量的直接海軍蘭、直接黑和直接紅三種染料，然后分別將其配成溶度為100mg·L－1的染料溶液作為本課題的模擬廢水。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定

1.4.1 直接海軍蘭染料

在最大吸收波長(zhǎng)為562nm條件下，測(cè)定配制好的具有不同質(zhì)量濃度的直接海軍蘭染料的吸光度，記錄數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)定的吸光度繪制其標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到下列表示染料廢水的質(zhì)量濃度與吸光度之間關(guān)系的表達(dá)式:

式中:y為吸光度;x為直接海軍蘭染料的質(zhì)量濃度(mg·L－1)。

1.4.2 直接黑染料

在最大吸收波長(zhǎng)為673nm條件下，測(cè)定配制好的具有不同質(zhì)量濃度的直接黑染料的吸光度，記錄數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)定的吸光度繪制其標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到下列表示染料廢水的質(zhì)量濃度與吸光度之間關(guān)系的表達(dá)式:

式中:y為吸光度;x為直接黑染料的質(zhì)量濃度(mg·L－1)。

1.4.3 直接紅染料

在最大吸收波長(zhǎng)為413nm條件下，測(cè)定配制好的具有不同質(zhì)量濃度的直接紅染料的吸光度，記錄數(shù)據(jù)，然后根據(jù)測(cè)定的吸光度繪制其標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到下列表示染料廢水的質(zhì)量濃度與吸光度之間關(guān)系的表達(dá)式:

式中:y為吸光度;x為直接紅染料的質(zhì)量濃度(mg·L－1)。

1.5 絮凝實(shí)驗(yàn)

1.5.1 絮凝實(shí)驗(yàn)一

取200mL質(zhì)量濃度為100mg·L－1的染料廢水溶液倒入250mL燒杯中，并調(diào)節(jié)不同的pH值2～10，然后將不同pH值的染料廢水溶液放在聯(lián)動(dòng)攪拌器上快速攪拌2min，轉(zhuǎn)速為200rad·s－1，接著往溶液中加入相同質(zhì)量濃度的絮凝劑，再快速攪拌2分鐘，后再慢速攪拌10分鐘后，將處理后的染料廢水分均靜置30分鐘，然后取上清液進(jìn)行吸光度測(cè)定，并記錄數(shù)據(jù)，借著應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)曲線根據(jù)方程進(jìn)行脫色率計(jì)算。

其中:C0為染料廢水的初始質(zhì)量濃度(mg·L－1);C為測(cè)試樣品中染料廢水的質(zhì)量濃度(mg·L－1)。

1.5.2 絮凝實(shí)驗(yàn)二

取200mL質(zhì)量濃度為100mg·L－1的染料廢水溶液倒入250mL燒杯中，并調(diào)節(jié)相同pH值，然后將染料廢水溶液放在聯(lián)動(dòng)攪拌器上快速攪拌2min，轉(zhuǎn)速為200rad·s－1，接著往溶液中加入不同質(zhì)量濃度的絮凝劑，再快速攪拌2min，后再慢速攪拌10min后，將處理后的染料廢水分均靜置30min，取上清液測(cè)定吸光度值，取上清液測(cè)定吸光度值，記錄數(shù)據(jù)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)曲線根據(jù)方程計(jì)算脫色率。

1.6 絮凝實(shí)驗(yàn)后各指標(biāo)的測(cè)定

1.6.1 吸光度的測(cè)定

靜置30min后取用移液管將各溶液中上清液析出用可見光分光光度計(jì)測(cè)定吸光度值，準(zhǔn)確記錄數(shù)值。

1.6.2 脫色率的測(cè)定

將靜置后的溶液中測(cè)定其吸光度，記錄下數(shù)據(jù)后，將其吸光度值代入公式(1－4)可計(jì)算出各其脫色率。

1.6.3 pH 的測(cè)定

靜置30min后測(cè)完吸光度數(shù)值，然后用移液管移取上清液于100ml小燒杯中，用pH計(jì)測(cè)出絮凝后各染料廢水的pH值并記錄該pH值。

1.6.4 COD的測(cè)定采用重鉻酸鉀法

先取20mL水樣，加入10mL重鉻酸鉀，插上回流裝置，再加入30mL硫酸－硫酸銀溶液，加熱回流2h。冷卻后，用90.00mL蒸餾水沖洗冷凝管，取下圓底燒瓶。等溶液冷卻后，滴入3滴亞鐵靈指示液，然后用配好的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定測(cè)試(現(xiàn)象:溶液由黃色－藍(lán)綠色－紅褐色)，記錄硫酸亞鐵銨的用量;同時(shí)準(zhǔn)備空白樣本，記錄滴定空白樣本時(shí)消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量。

式中，C—硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol·L－1;

V—水樣體積，mL;

V0—滴定空白時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量，mL;

V1—滴定水樣時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量，mL;

8—氧(1/2)摩爾質(zhì)量，g·moL－1.

(C×8×1 000)/V相當(dāng)于硫酸亞鐵銨對(duì)O2的滴定度TO2/(NH4)2Fe(SO4)2，即

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)印染廢水脫色性能的影響

圖1 pH對(duì)直接紅染料脫色率%的影響

圖2 pH對(duì)直接黑染料脫色率%的影響

由圖1、圖2可知，當(dāng)pH=8時(shí)，聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)助凝劑聯(lián)合使用時(shí)，其脫色效果最佳，可達(dá)95%以上。這是由于加入了陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)可以加快絮凝沉降速度，它主要是依靠高分子的增稠作用接團(tuán)體內(nèi)部結(jié)合力，使之致密化，明顯增加脫色效果［7］。又從圖1、2可看出，聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑對(duì)染料廢水的脫色效果最佳，可達(dá)90%以上，其脫色率先會(huì)隨著pH值的增大而增大，增大到一定范圍內(nèi)脫色率又隨著pH值的增加而減小(或趨于平緩);這是由于pH值太小，聚鐵的高價(jià)多核配離子會(huì)轉(zhuǎn)變成鐵離子而失去凝集作用;pH值太高，會(huì)使PES的解離程度下降，對(duì)絮凝效果產(chǎn)生影響［6］。當(dāng)pH=6時(shí)，陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)對(duì)染料廢水的脫色效果較佳，最高可達(dá)85%以上。

因此，可說明當(dāng)聚合硫酸鐵(PFS)聯(lián)合陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用的效果明顯優(yōu)于聚合硫酸鐵(PFS)單獨(dú)絮凝效果和陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨(dú)絮凝效果。

圖3 絮凝劑投加量對(duì)直接蘭脫色率的影響

圖4 絮凝劑投加量對(duì)直接黑脫色率的影響

2.2 絮凝劑投加量對(duì)印染廢水脫色性能的影響

將水樣的pH值調(diào)節(jié)到最佳范圍內(nèi)，投加不同質(zhì)量濃度的絮凝劑。由圖3、圖4可知，當(dāng)PFS的質(zhì)量濃度為100mg·L－1，CPAM 的質(zhì)量濃度為5mg·L－1時(shí)，聚合硫酸鐵(PFS)絮凝劑與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)助凝劑聯(lián)合使用的效果最佳，可達(dá)97%。其脫色率隨著絮凝劑的質(zhì)量濃度的增加而增加，當(dāng)絮凝劑的質(zhì)量濃度達(dá)到最佳范圍后，其脫色率隨著絮凝劑質(zhì)量濃度的增加而減少(或趨于平緩);又從圖3、圖4可知，聚合硫酸鐵(PFS)聯(lián)合陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用的效果明顯優(yōu)于聚合硫酸鐵(PFS)單獨(dú)絮凝效果和陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨(dú)絮凝效果。這是由于聚合硫酸鐵(PFS)單獨(dú)使用時(shí)生成的絮凝體粒徑小，陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)是助凝劑，效果一般;而聚合硫酸鐵(PFS)與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)聯(lián)用時(shí)生成的絮凝體體積大，這是因?yàn)榧尤胫齽┖髲U水中礬花大且沉降快，助凝劑也可用以調(diào)節(jié)和改善混凝的條件和改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，利用高分子助凝劑的強(qiáng)烈吸附架橋作用，使細(xì)小松散的絮凝體變得粗大而緊密［8］。

2.3 絮凝劑投加量對(duì)印染廢水COD的影響

圖5 絮凝劑投加量對(duì)直接紅COD的影響

圖6 絮凝劑投加量對(duì)直接黑COD的影響

由圖5、圖6可知，當(dāng)聚合硫酸鐵(PFS)的質(zhì)量濃度為100mg·L－1，對(duì)于染料廢水的COD去除率效果最佳，其最高去除率可達(dá)80%;絮凝劑的濃度降低或者是升高，都影響染料廢水處理的效果。其分析的原因如下:若投藥量不足，水中雜質(zhì)得不到充分的與絮凝劑接觸，不能凝聚結(jié)大，一部分未被絮凝，致使?jié)岫容^高;投加量過大，雖增加多核鐵離子的數(shù)量，但架橋作用所必須的粒子表面吸附活性點(diǎn)少了，架橋變得困難，同時(shí)，又由于粒子相互排斥而出現(xiàn)分散穩(wěn)定現(xiàn)象使所形成的絮凝體重新變成穩(wěn)定的膠體［6］。

又從圖5、圖6可知，PFS的質(zhì)量濃度為100mg·L－1，CPAM的質(zhì)量濃度為5mg·L－1時(shí)聚合硫酸鐵(PFS)聯(lián)合陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用時(shí)的COD去除率最高可達(dá)85%左右，明顯高于聚合硫酸鐵(PFS)單獨(dú)使用時(shí)與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨(dú)使用時(shí)的COD去除率;這是因?yàn)榫酆狭蛩徼F(PFS)本身具有對(duì)混凝性能優(yōu)良、礬花沉降速度快、凈水效果優(yōu)良、出水水質(zhì)好、無重金屬物質(zhì)殘留、對(duì)COD、BOD及色度的去除率高、脫色效果好等特點(diǎn)。再與助凝劑陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用，由于陽離子聚丙烯酰胺對(duì)污水中的膠體微粒具有很強(qiáng)的電性中和及吸附作用，有助于沉降和過濾脫水。當(dāng)加入聚合硫酸鐵(PFS)后，廢水中的膠體由于電中和的作用而脫穩(wěn)形成細(xì)小的礬花，再加入陽離子型PAM，可以進(jìn)一步中和膠體表面的負(fù)電荷，并且發(fā)揮吸附架橋作用，使得礬花體積增大易于快速下沉，達(dá)到良好的脫色效果［9－10］。因而兩種絮凝劑混合使用，其效果可大大提高。

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，將絮凝劑聚合硫酸鐵(PFS)聯(lián)合助凝劑陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)使用時(shí)對(duì)印染廢水的脫色效果和COD的去除率高，其脫色效果和COD的去除率明顯高于聚合硫酸鐵(PFS)單獨(dú)使用時(shí)的效果與陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)單獨(dú)使用時(shí)的效果。當(dāng)pH=8左右，PFS絮凝劑投加量為100mg·L－1時(shí)，CPAM助凝劑的投加量為5mg·L－1，其脫色率最高可達(dá)95%以上，其COD去除率最高可達(dá)85%以上。說明絮凝劑聚合硫酸鐵和助凝劑陽離子型聚丙烯酰胺配合使用可提高對(duì)廢水中COD的去除率，加快廢水中膠體的絮凝和沉降速度，縮短靜置時(shí)間，提高了廢水凈化速率，對(duì)未來的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來可觀的影響。

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