李金遠(yuǎn) 李書(shū)進(jìn)

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 江蘇常州 213164； 2. 常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 江蘇常州 213002)

0 引言

由于我國(guó)人口眾多，人均淡水資源稀缺，水污染嚴(yán)重成為制約發(fā)展的難題。而在工業(yè)用水中，污垢的形成是亦成為除去管道與機(jī)械設(shè)備遭侵蝕之外的又一大難題[1]。

我國(guó)對(duì)阻止水處理中污垢產(chǎn)生的藥劑研究開(kāi)發(fā)始于上世紀(jì)七八十年代，在近半世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中，先后經(jīng)歷了天然產(chǎn)物阻垢劑、含磷聚合有機(jī)物阻垢劑等發(fā)展歷程。傳統(tǒng)的天然聚合物藥劑用量較多，成本較高，但綠色環(huán)保；而高分子含磷類阻垢劑處理成本較低，但不能有效地抑制金屬垢物和磷酸鹽的產(chǎn)生，以及解決例如氧化鐵沉淀等問(wèn)題[2]。尤其是隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，含磷阻垢劑的發(fā)展與使用受到了限制。因此，開(kāi)發(fā)低磷或無(wú)磷的新型綠色阻垢劑已成為國(guó)內(nèi)外水處理劑研究的重要課題。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

試劑：水楊酸鈉工業(yè)級(jí)，丹寧酸AR級(jí)，木質(zhì)素磺酸鈉工業(yè)級(jí)。

儀器：KDM-3型攪拌恒溫電熱套，KZC-Ⅱ型快速阻垢性能測(cè)試儀。

實(shí)驗(yàn)樣本：pH為8，總硬度為15 mmol/L,Ca2+質(zhì)量濃度為120 mg/L的模擬電廠廢水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)是將水楊酸鈉、單寧和木質(zhì)素磺酸鈉進(jìn)行復(fù)配，以確定所組成的新型綠色型阻垢分散劑中的各組分的構(gòu)成及最佳工業(yè)條件。

具體實(shí)驗(yàn)方法為：先將水楊酸鈉溶于適量的水中，緩慢加熱至50～60 ℃。再依次加入丹寧酸和木質(zhì)素磺酸鈉，攪拌1～2 h，待其充分溶解后，反應(yīng)熟化一晝夜，即可得到該藥劑[3]。

1.3 Ca2+測(cè)定方法

(1)測(cè)定原理。在堿性條件下(pH=12～14)鎂生成沉淀，而鈣與EDTA(乙二胺四乙酸二鈉)生成穩(wěn)定的絡(luò)合物。

(2)測(cè)定步驟。取水樣置于250 mL三角瓶中，稀釋至l00 mL，滴加硼砂溶液，使pH值在12～14范圍內(nèi)，滴加2～3滴鈣指示劑，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至藍(lán)色，即為終點(diǎn)到達(dá)，記錄用量。鈣離子濃度用下式計(jì)算[4]：

式中，V為滴定水樣消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，mL；C(EDTA)為EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；V1為所取水樣的體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)分析

為了考察各組分(水楊酸鈉、 丹寧酸、木質(zhì)素磺酸鈉)對(duì)Ca2+去除效果的優(yōu)劣，以及確定藥劑合成最佳的工藝條件，選擇室溫為常溫，以各組分，即水楊酸鈉、丹寧酸、木質(zhì)素磺酸鈉為實(shí)驗(yàn)因素，采用3因素3水平正交試驗(yàn) L9(33)， 正交實(shí)驗(yàn)因素分析與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1、表 2。

表1 因素水平設(shè)計(jì)

表 2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析

把由正交試驗(yàn)得出的 9 組Ca2+去除率作為分析指標(biāo)，進(jìn)行極差分析，依照 3 個(gè)因素的極差計(jì)算結(jié)果K1～K3(每個(gè)因素在對(duì)應(yīng)水平下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)之和)和K*1～K*3(K1～K3的平均值)，可以判斷每個(gè)因素即藥劑組分對(duì)阻垢試驗(yàn)的影響[5]。如表2 所示，水楊酸鈉的投加量對(duì)Ca2+去除效果的影響最大，其次是木質(zhì)素磺酸鈉和丹寧酸的含量。此外，極差分析結(jié)果還得出了去除效果的最優(yōu)水平，即選擇質(zhì)量比為45%的水楊酸鈉，30%丹寧酸和35%的木質(zhì)素磺酸鈉(其余為水)。

表 2 可以看出，各因素對(duì)Ca2+去除效果影響的主次順序?yàn)椋核畻钏徕c>木質(zhì)素磺酸鈉>丹寧酸。進(jìn)一步分析出最優(yōu)水平時(shí)的水楊酸鈉質(zhì)量比為45%，丹寧酸為30%，木質(zhì)素磺酸鈉為35%。

圖1～圖3分別為水楊酸鈉、丹寧酸、木質(zhì)素磺酸鈉含量極差與鈣離子濃度的關(guān)系曲線圖。

圖1 水楊酸鈉含量極差與鈣離子濃度關(guān)系

圖2 丹寧酸含量極差與鈣離子濃度關(guān)系

圖3 木質(zhì)素磺酸鈉含量極差與鈣離子濃度關(guān)系

由圖1可得，隨著水楊酸鈉含量的增加，Ca2+濃度愈小，所以最優(yōu)含量為45%；圖2可得，隨著丹寧酸含量的增加，Ca2+濃度先增加后減少，丹寧酸最優(yōu)的質(zhì)量比為30%；圖3可得，隨著木質(zhì)素磺酸鈉含量的增加，Ca2+濃度越來(lái)越小，因此木質(zhì)素磺酸鈉的最佳質(zhì)量比為35%。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)方差分析

利用方差分析來(lái)進(jìn)一步估算誤差的大小，對(duì)各個(gè)因素的影響程度進(jìn)行精確估算，彌補(bǔ)直觀分析帶來(lái)的不確定性[6]。方差分析結(jié)果中 Source為方差來(lái)源；DF 為自由度；Seq 為校正平方和；Variance為方差。

表3 方差分析

從表3可以看出[7]：P表示的是假設(shè)該組內(nèi)平均值相等成立的概率，越小說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越顯著。P(水楊酸鈉質(zhì)量比)最小，表明該因素投加量對(duì)Ca2+影響大[8]。

由F值分析，F(xiàn)(水楊酸鈉質(zhì)量比)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)，說(shuō)明其影響力較丹寧酸和木質(zhì)素磺酸鈉大[9]。

綜合分析的結(jié)果，選擇質(zhì)量比為45%的水溶性水楊酸鈉，30%丹寧酸和35%的木質(zhì)素磺酸鈉作為最優(yōu)組合[10]。

3 結(jié)論

(1)去除模擬電廠廢水Ca2+的阻垢分散劑最優(yōu)配比為：45%的水楊酸鈉，30%丹寧酸和35%的木質(zhì)素磺酸鈉。

(2)水處理降低Ca2+濃度，其中水楊酸鈉和木質(zhì)素磺酸鈉的影響大，丹寧酸的影響相對(duì)較小。

(3)首先采用單因素分析法，并進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定出各影響因素大致范圍，再采用正交實(shí)驗(yàn)法確定藥劑的最佳質(zhì)量比的方法是可行的。