中低温易溶阳离子淀粉絮凝剂的制备及其絮凝应用研究

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水处理絮凝剂作为常用的水处理药剂,因其应用范围广泛、处理效果好、使用要求低、耗用量大、价格低廉等特点,在水处理中发挥着重要作用。传统的无机类絮凝剂存在投加量需求高、末端污泥产量多、金属离子残留量大等问题;有机类絮凝剂由于存在有毒单体残留的问题及不易降解的特点也面临着使用的瓶颈;生物类絮凝剂在价格高昂、工业化生产难度的制约下难以深入推广。在水处理行业对环保、节约、高效的要求逐渐提高的背景下,天然有机高分子类絮凝剂走进了人们的视野,该类以淀粉基絮凝剂为代表的环保型絮凝剂因在取材种类、环境友好性、生物降解性、改性难易等方面优于其他种类絮凝剂,成为目前较为热门的一类高分子絮凝剂产品。目前,基于天然淀粉絮凝剂的相关研究工作主要聚焦于改善淀粉类絮凝剂的溶解性能、提高淀粉类絮凝剂的絮凝性能以及增强淀粉类絮凝剂对特定污染物的去除性能等几个方面。本文旨在以天然玉米淀粉为主要材料制备中低温环境下易溶于水的阳离子淀粉絮凝剂(以下简称LTS-CS)。试验首先通过超声预处理淀粉材料,然后优化制备改性阳离子淀粉(以下简称CS)的醚化反应条件,接着优化乙醇-碱法处理CS的过程等来制备产物LTS-CS絮凝剂。主要研究内容包括:使用单因素试验,将CS阳离子度及合成反应效率作为评价标准,确定超声时间、超声功率、CTA投加量、Na OH投加量、体系水占比及醚化温度等参数在合成CS过程中的最优值,并使用响应面试验对主要因素取值进行优化;通过单因素试验,将LTS-CS溶解度作为评价标准,确定了Na OH浓度、乙醇体积分数、处理温度等参数在乙醇-碱法处理过程中的最优值,同时运用正交试验来分析因素影响显著性。其次,探究了溶解温度对LTS-CS溶解性能的影响,并探究了其合成机理。另外,通过红外光谱(FTIR)、核磁氢谱分析(1HNMR)、XRD衍射分析、差重-热重(TG-DSC)和扫描电镜(SEM)等手段对LTS-CS絮凝剂、CS、超声处理淀粉的结构和形貌进行表征,对比与分析。最后,以模拟高岭土水样絮凝试验确定LTS-CS絮凝剂最佳的絮凝条件,主要针对投加量、初始p H以及沉降时间等因素,并与常规有机絮凝剂PAM进行对比。论文最终研究结论如下:(1)改性CS过程中超声功率、超声时间、CTA的投加量、Na OH的投加量、体系水占比、醚化温度等因素均对产物的阳离子度及反应效率的提高存在促进作用,其中CTA的投加量、Na OH的投加量等两个条件促进效果更为明显,最优试验条件下阳离子度可达0.695,反应效率可达80.1%。(2)乙醇-碱法处理改性CS制备LTS-CS过程的单因素试验及正交试验表明,Na OH浓度对产物LTS-CS溶解性能的提升影响最大,乙醇体积分数影响最小,Na OH浓度为4mol/L为最佳浓度。(3)不同溶解温度下LTS-CS的溶解试验表明,所制备的产物LTS-CS溶解性能较CS、St有显著改善,溶解度最高可达80.09%。超声预处理在优化淀粉链状结构、醚化反应制备CS及乙醇-碱法制备LTS-CS等过程中起到了重要的作用。(4)FTIR及1H-NMR分析表明LTS-CS上出现新的C-N键吸收特征峰及季铵阳离子含氢基团,证实了阳离子淀粉复合成功,生成了新产物;XRD分析表明LTS-CS分子内呈现V型螺旋结构,乙醇-碱法处理效果明显;扫描电子显微镜分析表明LTS-CS表面孔隙发达,分层明显,较为立体,絮凝优势显著;最后,TG-DSC分析表明LTS-CS产品具有良好的热稳定性。(5)LTS-CS对模拟高岭土悬浊液絮凝效果良好,p H的适应范围广,最佳投药量为10mg/L,除浊率可达95.97%。
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