具有重金属捕集功能的絮凝剂的研究

华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）I具有重金属捕集功能的絮凝剂的研究摘 要近年来，随着工业的发展，排入环境中的废水所含重金属离子已成为最重要、最常见的污染物之一。重金属离子的常规处理方法是采用沉淀法，但药剂用量大，需调整 pH 值，污泥量多，而且废水中的配位剂会干扰这些离子的沉淀，需预处理去除。近年来发现，将重金属离子的某些强配位基团通过反应连接到高分子絮凝剂分子中可以赋予其对重金属离子的捕集功能，由此合成了一种新型“高分子重金属絮凝剂”将这种高分子重金属絮凝剂用于水处理的絮凝单元，可减少后续处理单元数，降低处理成本，改善处理效果，使重金属离子的处理变得简单易行。本文概括了高分子重金属絮凝剂在废水处理中的应用的最新进展及目前的研究方向，包括了各类絮凝剂及废水处理的作用机理。然后以目前两种最新的高分子重金属絮凝剂CSAX、PEX为例，介绍它们的制备机理、作用机理、它们处理重金属时的效能来全面的分析解具有重金属捕集功能的高分子絮凝剂。关键词：重金属离子；捕集；絮凝剂；发展新方向华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）IIHeavy metal trapping flocculant function Process ResearchAbstractIn recent years, with the development of industry, contained in the wastewater discharged into the environment of heavy metal ions has become one of the most important,the most common pollutants. The conventional approach is the use of heavy metal ion precipitation method, but a large amount of reagent required to adjust the pH value, the quantity of sludge, and the complexing agent in the water will interfere with the precipitation of these ions to be removed by pretreatment. In recent years, found that certain strong complexing metal ions of groups connected to the polymer flocculant molecule can give their trapping function of heavy metal ions by the reaction, thus synthesized a new “heavy metal flocculant“ this kind of heavy metal flocculant flocculation units for water treatment can reduce the number of post-processing unit, reduce processing costs, improve treatment effect, so that the treatment of heavy metal ions becomes easy.This paper outlines the application of heavy metal flocculant latest developments and current research in wastewater treatment, including the mechanism of action of various types of flocculants and wastewater treatment. Then present the two latest heavy metal flocculant CSAX, PEX, for example, describes the preparation of the mechanism of their mechanism of action, heavy metals when they are processing performance to a comprehensive analysis of polymer flocculant solution with heavy metal trapping capabilities.Key words：heavy metal ;trapp;flocculant; development of a new direction华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）目 录摘 要 .IAbstract .II1 绪 论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状及趋势 .11.3 课题主要研究内容 .22 现有的絮凝剂种类介绍 .32.1 重金属捕集功能的絮凝剂 .32.1.1 重金属捕集功能的絮凝剂在处理废水中的应用 .42.1.2 重金属捕集功能的絮凝剂的发展过程 .42.2 无机絮凝剂 .52.2.1 无机絮凝剂絮凝机理 .52.2.2 无机絮凝剂研究现状及发展趋势 .62.3 有机絮凝剂 .72.3.1 有机絮凝剂絮凝机理 .72.3.2 有机絮凝剂研究现状及发展趋势 .72.4 微生物絮凝剂 .92.4.1 微生物絮凝剂絮凝机理及影响因素 .92.4.2 微生物絮凝剂研究现状及发展趋势 .113 具有重金属捕集功能的高分子絮凝剂 .123.1 高分子重金属絮凝剂发展方向 .123.2 高分子重金属絮凝剂的制备原理及作用原理 .123.2.1 高分子重金属絮凝剂 CSAX 的制备及作用机理 .123.2.2 高分子重金属絮凝剂 PEX 的制备 .133.3 高分子重金属絮凝剂 CSAX 的效能 .143.3.1 高分子重金属絮凝剂 CSAX 去除重金属离子 .143.3.2 高分子重金属絮凝剂 CSAX 去除浊度 .183.3.3 高分子重金属絮凝剂 CSAX 除去铜离子总结 .183.4 高分子重金属絮凝剂 PEX 的效能 .193.4.1 高分子重金属絮凝剂 PEX 去除重金属离子 .193.4.2 高分子重金属絮凝剂 PEX 去除浊度 .233.4.3 高分子重金属絮凝剂 PEX 去除镍离子总结 .24华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）3.4.4 具有重金属捕集功能的絮凝剂小结 .244 结论与展望 .254.1 结论 .254.2 展望 .26参考文献 .27致 谢 .29华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）11 绪 论1.1 课题研究背景及意义随着国民经济的迅速发展，工业化生产规模日益加大，含有重金属离子的废水产生量越来越大，重金属离子已成为最严重、最常见的水污染物之一 1。面对着严格的环保需求，特别是重金属离子对人体的危害，重金属离子通常具有急性或慢性毒性，有时还会以更复杂的方式毒害人体。因此，清除水体中的重金属离子，减少其对人类生存的危害是工业生产的重要任务，目前已有的高分子重金属絮凝剂还不能完全满足要求。在美国饮用水的检测指标有 100 多项，而我国只有30 多项。随着水资源匮乏进程不断加快，未来高分子重金属絮凝剂的合成与应用研究在环保、经济性产业化方便均有许多工作可做 2。1.2 国内外研究现状及趋势凡是用来使溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状沉淀的物质都叫做絮凝剂。根据絮凝剂的成分及制备方法的不同，可 大 致 将 目 前 研 究 和 应 用 的 絮 凝剂 分 为 无 机 絮 凝 剂 、 有机絮凝剂、微生物絮凝剂三大类 3。絮 凝 剂 是 生 活 用 水 与 废 水 处 理 中 一 种 不 可 缺 少 的 化 学 药 剂 ， 是 重 要 的 环 境生 态 材 料 ,在 为 城 镇 居 民 提 供 安 全 卫 生 的 生 活 用 水 和 水 污 染 治 理 等 领 域 发 挥 着 重要 作 用 。 随 着 科 学 技 术 的 发 展 ， 絮 凝 剂 正 从 品 种 单 一 向 多 样 化 转 变 ， 尤 其 在 可持 续 发 展 战 略 的 要 求 下 ， 高 效 、 廉 价 、 低 毒 、 无 公 害 、 多 功 能 、 复 合 化 的 绿 色絮 凝 剂 必 将 成 为 今 后 科 研 工 作 者 研 究 工 作 的 重 要 方 向 4。 其 中 ， 无 机 絮 凝 剂 向降 低 铝 、 铁 残 留 量 的 聚 合 高 分 子 和 复 合 型 方 向 发 展 ； 降 低 生 产 成 本 是 开 发 新 型合 成 有 机 高 分 子 絮 凝 剂 的 当 务 之 急 ； 天 然 改 性 高 分 子 有 机 絮 凝 剂 ,因 其 具 有 独 特的 官 能 团 而 能 充 分 发 挥 阳 离 子 和 阴 离 子 絮 凝 剂 的 特 点 ,也 具 有 重 要 的 开 发 价 值和 广 阔 的 应 用 前 景；另 外 ， 无 机 与 有 机 复 合 型 高 分 子 絮 凝 剂 等 多 功 能 复 合 型 絮凝 剂 的 开 发 也 因 综 合 了 无 机 与 有 机 的 优 点 将 成 为 未 来 的 一 个 重 要 发 展 方 向 ；由于 微 生 物 絮 凝 剂 可 以 克 服 无 机 高 分 子 和 合 成 有 机 高 分 子 絮 凝 剂 的 固 有 缺 陷 ,具有 应 用 范 围 广 、 絮 凝 活 性 高 、 安 全 无 毒 、 不 污 染 环 境 等 特 点 ,可 最 终 实 现 无 污染 排 放 ,其 研 究 与 开 发 已 成 为 水 处 理 剂 研 究 领 域 的 重 要 课 题 和 发 展 方 向 ， 必 将取 代 部 分 传 统 的 无 机 高 分 子 絮 凝 剂 和 合 成 有 机 高 分 子 絮 凝 剂 ， 为 水 处 理 技 术 的发 展 提 供 一 个 广 阔 的 舞 台 5。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）21.3 课题主要研究内容本文主要研究高分子重金属絮凝剂在废水处理中的应用的最新进展，包括高分子重金属絮凝剂的种类及废水处理的作用机理。本文从现有的各类絮凝剂入手，深入到高分子重金属絮凝剂。本文介绍的PEX 去除重金属离子的效能最高，但原料聚乙烯亚胺较贵，所以制备成本最高；CSAX 去除重金属离子的效能较高，制备成本较低，但制备流程长而复杂。其中PEX 已通过了中试生产，应用于一些企业的重金属废水的处理，显示了良好的效果。通过介绍两种最新的高分子絮凝剂CSAX、PEX ，介绍它们的制备机理、作用机理、它们处理重金属时的效能来全面的分析具有重金属捕集功能的高分子絮凝剂。使我们对这一最新的研究领域有更加清晰的认识，期待有进一步的突破。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）32 现有的絮凝剂种类介绍 2.1 重金属捕集功能的絮凝剂凡是用来使溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状沉淀的物质都叫做絮凝剂。在一个溶液中，使用两种或两种以上的物质称作复合絮凝剂。例如同时使用三氯化铝和聚丙烯酰胺来处理某种废水，使其产生絮状沉淀，从而达到净化废水的目的，就可把三氯化铝和聚丙烯酰胺称之为复合絮凝剂 6。絮凝剂根据其内部的分子材料的不同，它们在废水处理过程中的絮凝状态也都不同，由于它们的凝聚机理的不同可以将絮凝状态分为三类：凝结即加入无机絮凝剂例如石灰和明矾后，絮凝剂在水中溶解后，无机分子会消除金属成分表面的电荷，这样会促使水中的杂质和无机成分颗粒凝结成块；凝聚即这种状态的机理是利用大分子的桥键作用，将大分子颗粒、杂质颗粒和两者的凝结体通过桥键组成一个网状的聚合体；团聚即是指高分子微粒和杂质在水中的溶解物通过絮凝剂的作用相互抱团成为一起的现象，这种状态形成的沉淀物的颗粒比较大。絮凝作用是非常复杂的物理、化学过程，其理论还未完全成熟。现在多数人认为絮凝作用机理是絮凝和凝聚两种作用过程。凝聚过程是胶体颗粒脱稳并形成细小的凝聚体的过程；而絮凝过程是所形成的细小的凝聚体在絮凝剂的桥连下生产大体积的絮凝物的过程。其中较有代表性的是格鲁奇，他给絮凝作用定义为；胶体和悬浮物颗粒在高分子絮凝剂的作用下，桥连成为粗大的絮凝体的过程 7。在絮凝过程中伴随着粗大的絮凝体的形成，也存在电荷的中和作用。例如，一些有机高分子絮凝剂同时具有电荷的中和作用和颗粒间的桥连形成粗大的絮凝体的桥连作用。随着工业化进程不断加快，水污染问题日趋严重，水处理问题以引起人们的高度重视。为保证水资源的可持续利用，解决水环境污染问题，国内外在水处理方面做了大量工作，开发了多种水处理工艺，如生化法、离子交换法、吸附法、化学氧化法、电渗析法和污水生态处理技术等。与这些方法相比，絮凝沉淀法以其处理效率高、经济、简便的特点成为世界各国普遍使用的一种水质处理技术。絮凝剂的选择是该工艺的核心和关键部分，其性能决定水处理效果的好坏 8。它既可以用来降低原水的浊度、色度等感观指标，又可以去除高分子有机物、某些重金属和放射性物质等多种有毒有害的污染物；它既可以自成独立的处理系统，又可以与其它处理单元过程进行组合，作为预处理、中间处理和最终处理过程,而且还常用于污泥脱水前的浓缩过程,以改善污泥的脱水性能。经过絮凝剂无害处理后的水可以重复利用，提高了水的利用率，缓解了由于水资源不足给工业发展带来的困难。随着经济发展华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）4和人们环保意识的增强，廉价、高效、无毒又能够完全生物降解、不产生二次污染的新型绿色絮凝剂的研制正成为当今世界水处理方面研究的重要课题。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）52.1.1 重金属捕集功能的絮凝剂在处理废水中的应用就重金属废水处理中的凝聚状况来讲，根据不同絮凝剂的添加，在水中的凝聚原理有所不同，主要可以分为以下几种：(1)双电层压缩机理。通常情况下，水中的溶解物和金属成分相互之间是稳定的。加入絮凝剂后，微粒间的吸引力和排斥力出现不平衡，这时微粒就会出现结合聚集，达到沉淀的目的；(2)电中和机理。这种机理主要是针对 PH 值不是中性的废水，针对废水金属成分的电荷情况，加入相反成分的絮凝剂，导致他们相互吸引产生电中性，从而达到沉淀的目的；(3)吸附架桥机理。这种机理主要利用高分子材料的吸附作用，使胶体吸附于高分子上形成沉淀物的目的；(4)沉淀物网铺和卷扫机理。向水中加人大量的大分子物质，使其产生沉淀物在下降的过程中，沉淀物会将水中杂物一起沉下去达到净化的目的。这几种机理在实际的应用中往往都是结合起来应用，或者是以某一种或两种为主的应用，这样才能更好地达到净化的目的 9。在实际的应用中，要得到很好的净化效果的话，需要考虑多方面的因素，结合实际的工程，我们主要考虑以下几点因素：(1)水温。这点我们应该很容易理解，如果絮凝剂采用的是有机或微生物絮凝剂的话，温度高的话，微生物的代谢加快，繁殖速度加快，所以净化的速度和效果都会有明显的改善；(2)PH 值。PH 值很重要，如果我们添加的絮凝剂的种类与该值不符，不仅不能达到净化的目的，而且会增加下一次净化的难度。在大规模使用前，一定要对废水的 PH 值进行取样测试，取样要均匀准确；(3) 重金属的成分和含量。对废水进行这样的测试，是为了将水中的重金属准确地去除，尽量不添加新的污染物，这样可以有针对地加入絮凝剂并确定絮凝剂加入多少量。做到有的放矢，这样才能更好地达到净化的目的；(4)水力条件。水力条件主要是影响沉淀物能不能凝聚以及沉淀物大小的问题，如果水流速度过快，还没有形成沉淀物，这部分水就流走了，达不到沉淀的目的，如果水流速度过慢，会导致絮凝剂添加量偏大，水中加入额外的残留物，降低效率 10。2.1.2 重金属捕集功能的絮凝剂的发展过程絮凝剂技术已成为当今水处理行业中十分重要的技术，而絮凝剂作为该技术的核心起着越来越重要的作用。絮凝剂的使用，既可以很大程度上的解决水污染问题，还能使处理过的水重复利用，提高水的利用率，缓解水资源不足给工业带来的困难。我国目前使用的絮凝剂主要有无机絮凝剂、有机絮凝剂、复合絮凝剂和微生物絮凝剂 4 大类 11。无机低分子絮凝剂主要成分为铝盐和铁盐，常用的是硫酸铝和三氯化铁等。由于硫酸铝的来源丰富、价格相对低廉、使用方便、处理高温高浊度效果好等优点，所以目前世界各国自来水厂用的絮凝剂中，硫酸铝的用量占 90以上。华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）6在传统的铝盐和铁盐的基础上发展合成出的无机高分子絮凝剂主要包括聚合硫酸铝、聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铁等。它的出现不仅降低了处理的成本，而且还提高了功效，聚合氯化铝是目前最成熟、市场销量最大的无机高分子絮凝剂，已被广泛用于净水处理和工业废水的处理，创造了较好的经济效益。为了克服无机絮凝剂的不足，人们开发了一些合成有机高分子絮凝剂和天然有机高分子絮凝剂，同以前的无机絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂的用量少、絮凝速度快、受共存盐类、PH 值及温度的影响小，生成的污泥量少，易处理，尽管有机合成高分子絮凝剂具有众多的优点，但是，