天然Na基膨潤土吸附處理高濃度PAM廢水的研究_圖文

1、第1卷 第7期環(huán)境工程學報V o l .1,N o.72007年7月Ch i n ese Jour nal of Env iron m enta lEng ineeri n gJ u l.2007天然Na 基膨潤土吸附處理高濃度PA M 廢水的研究李 署 孫亞兵*馮景偉 田園春 楊海峰 徐躍武(南京大學環(huán)境學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室,南京210093摘 要 研究了PAM 在天然鈉基膨潤土上的吸附行為,將其應用于含高濃度PAM (100200m g /L的生產(chǎn)廢水處理。靜態(tài)條件下,膨潤土的吸附平衡時間為1 5h ,最有效的吸附材料投加量為100mg /100mL 水樣。實驗證明,低溫

2、度變化范圍和弱酸、弱堿條件對PAM 的吸附行為不產(chǎn)生顯著影響。在最佳吸附動力學條件下,以活性炭做參比,利用實驗的結(jié)論對化工廠中PAM 生產(chǎn)廢水進行吸附處理,結(jié)果表明,在對PAM 廢水中對PAM 的吸附量分別可達到30 1和22 4mg /g ,膨潤土是性價比較高的吸附處理材料。關鍵詞 聚丙烯酰胺 吸附 等溫線 N a 基膨潤土中圖分類號 X703 1 文獻標識碼 A 文章編號 1673 9108(200707 0047 04Research on adsorption of high concentration PA M solution tonatural Na bentonniteL i

3、Shu Sun Yab i n g Feng Ji n gw ei T ian Yuanchun Yang H a ifeng Xu Yue w u(State Key Laboratory of Po ll uti on Con trol and R esource Reu se ,School of t he Environm en t ,Nan ji ng Un ivers i ty ,Nan ji ng 210093Abst ract The absor pti v e behav i o r o f PAM on natura l N a bentonnite w as resear

4、ched ,the w aste wa ter ofPAM s producti o n w it h a concentration o f 100200m g /L w as treated .U nder stati c state ,the balance ti m e of the t w o k i n ds o fm ateria lsw as 1 5hour ,and the m ost e ffecti v e quantity ofm aterialw asm ade ou t by the Isother m of absorption,w hich w as 100m

5、g per 100mL so l u ti o n .Itw as testified that lo w p H and te m perature range w ere not t h e key influencing factors of AM s absorption pr ogress .The w aste w ater of PAM s producti o n o f a che m ical p lant w as treated by the conc l u si o ns .The results ind i c ate that the adsor pti o n

6、 a m ounts o f active carbon and N a ben ton n ite w ere 30 1m g /g and 22 4m g /g ,respectively ,and Na bentonnite w as even better than acti v e carbon.K ey w ords polyacry la m i d e ;absor pti o n ;isother m ;N a bentonnite 收稿日期:2006-11-16;修訂日期:2007-03-22作者簡介:李署(1982,男,碩士研究生,主要從事化工廢水處理研究工作。E m a

7、i:l lllq i ang1982g m ai.l co m*通訊聯(lián)系人,E m ai:l sybn j u g m ai.l co m聚丙烯酰胺(po l y acryla m ide ,PAM 是常用的絮凝劑、增稠劑和增強劑,廣泛用于石油開采、水處理、造紙、印染、煤炭、食品、制糖和醫(yī)藥等領域1。我國是P AM 的生產(chǎn)和使用大國,化工上常用聚合法生產(chǎn)PAM,PAM 生產(chǎn)廢水中含有較多的PAM 和AM,而PAM 在水溶液中容易水解,這使得PAM 生產(chǎn)廢水的水質(zhì)情況變得復雜;單體AM 是二類致癌物質(zhì),在水溶液中的存在增加了環(huán)境風險。含PAM 的化工生產(chǎn)廢水具有一定的可生化性,程林波等2將硫酸鹽

8、還原菌引入到水解工藝中。大大提高廢水的生化性,同時還證明硫酸鹽還原菌對AM 有著某種特殊的降解作用。陳玲芳等3在用SBR 法治理PAM 廢水時發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌能單獨破壞AM 溶液中AM 的結(jié)構(gòu),而水解工藝對AM 的平均去除率可達40%左右。對于PAM,M ellissa等4認為PAM 能在細胞外酰胺酶的作用下作為氮源被微生物利用,但很難作為碳源被利用。當溶液中PAM 的含量達到一定濃度時(超過100mg /L,水溶液會變得非常粘稠,這將會影響活性污泥表面和水溶液之間的傳質(zhì),導致P AM 不易被微生物利用,因此需要降低PAM 的濃度以提高后續(xù)生物處理工藝的效果。祝艷榮等5研究了低濃度(050mg

9、 /L范圍內(nèi)PAM 在粘土礦物上的吸附特征,實驗表明,PAM在粘土表面有很強的吸附性能。本研究以PAM 為環(huán)境工程學報第1卷目標污染物,研究P AM在天然N a基膨潤土上的吸附行為,通過控制吸附過程中的主要影響因素,對吸附過程中的動力學行為進行分析,確定最佳的工藝參數(shù),為工程實際應用提供依據(jù)。1 實驗部分1.1 實驗材料實驗用PAM為化學純,陰離子型,分子量700萬,水解度23%。配制的PAM水溶液為1000m g/L。用超聲震蕩使P AM分子在水中充分分散。天然Na基膨潤土產(chǎn)自南京湯山,膨潤土中蒙脫石含量85%,主要化學成分為S i O2和A l2O3。湯山膨潤土經(jīng)過分析后的主要物理性質(zhì)見表

10、1。天然N a基膨潤土過200目篩,材料粒徑為70 74 m。經(jīng)測定,膨潤土的比表面積為110m2/g。對湯山膨潤土做FT I R分析和XRD衍射分析。得到圖譜如圖1和圖2所示。根據(jù)FT I R圖譜和XRD圖譜確定的膨潤土礦物質(zhì)成分及在此基礎上測定的各化學組分含量如下:S i O270 49%,A l2O316 14%,Ca O1 02%,M g O 2 72%,Fe2O31 89%,Fe O0 23%,M nO0 05%, K2O0 88%,M a2O1 14%,P2O30 03%,H2O 5 57% 。圖1 天然膨潤土的FT I R圖譜Fi g.1 F T I R s p ectr a o

11、f nat ur al(d ot ed li n eb e nt oni tes圖2 天然膨潤土的XRD圖譜Fi g.2 X R D s p ectr a of n at ur al(dot ed li n eb e nt onit es表1 膨潤土的物理性質(zhì)T ab le1 Physi cal property of ben tonn ite項目蒙脫石含量(%吸藍量(g/100g膠質(zhì)價(mL/15g膨脹容(mL/g吸水率(2h(%粒度(200目(%水分(%PNa基6533651216098!101.2 分析方法及原理PAM在酸性條件下與次氯酸鈉發(fā)生霍夫曼重排反應,生成不溶于水的胺類化合物,其

12、濁度值與聚丙烯酰胺濃度成正比,胺類化合物在470n m的波長下,有最大的吸收峰。通過測定470n m下的吸光度可以確定溶液中PAM的濃度。所有的吸附過程均在可控恒溫搖床中進行。1.3 實驗方法1.3.1 吸附動力學實驗以等體積的P AM溶液作為處理液,往PAM溶液中投加同等重量的吸附材料(1m g/m L,土液比為11000,以時間為反應控制條件,在20#恒溫搖床中以150r/m i n進行吸附實驗,取不同時間段的懸浮液在3000r/m in的條件下離心,取上清液進行PAM含量的測定,確定吸附動力學曲線。1.3.2 等溫吸附實驗20#、150r/m i n的搖床中,土液比為11000。水溶液中

13、PAM的含量分別為100、150、200、250、300、350、400、450和500m g/L。吸附1 5h后,取懸浮液在3000r/m i n的條件下離心,分別測定PAM 的含量,確定在此溫度下的不同pH中的吸附等溫曲線。2 結(jié)果與討論2.1 吸附動力學曲線經(jīng)過不同反應時間后,每隔15m i n取PAM溶液,將其離心2m in,取上清液,測定溶液中PAM濃度,結(jié)果見圖3。48第7期李 署等:天然N a 基膨潤土吸附處理高濃度PAM 廢水的研究圖3 吸附動力學曲線F i g.3 A dsorpti on k i netic curve of PAM圖3所示的吸附動力學曲線表明,經(jīng)過1 5h

14、 后,N a 基膨潤土在對水溶液中的PAM 吸附達到平衡,并且90%以上的吸附發(fā)生在前1h 內(nèi)。2.2 溫度對吸附效果的影響 溫度是影響吸附效果的重要因素之一。不同溫度條件往P AM 含量均為100m g /L 的等量水樣中投加膨潤土(定量:1m g /mL ,溫度從10#漸變到34#,變化幅度為2#。在150r /m in 搖床中反應1h 后,將溶液進行離心處理,測定PAM 濃度,結(jié)果見圖4。 圖4 溫度 PAM 吸附量關系圖F ig .4 R elati onship bet w een temperature andadso rpti on a m ounts o f PAM圖4表明,在

15、一般工程控制溫度范圍即1430#內(nèi),PAM 在膨潤土表面的吸附量基本不變,吸附材料能適應工程應用中的一般溫度變化。 當溫度低于14#或高于32#時,P AM 在膨潤土表面上的吸附會有較大的變化。水溶液中的PAM 含有環(huán)結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成的剛性鏈段,這些結(jié)構(gòu)由分子內(nèi)氫鍵束縛,是穩(wěn)定的,但是隨著溫度的升高,在熵的作用下,PAM 中的氫鍵會慢慢解離,從而使大分子變得柔順,粘度變小6。低溫下的PAM溶液粘度較高,分子剛性較強,在粘土礦物表面形成氫鍵的能力較差,因此吸附量相對較低;在較高溫度下,伸長了鏈的PAM 可以纏繞在膨潤土的不同層之間,PAM 分子中的-NH 2可以與礦物表面的-OH 基團形成氫鍵

16、,較多氫鍵的作用使得PAM 可以比較穩(wěn)定地吸附在粘土礦物表面。2.3 p H 對吸附效果的影響楊柳燕等7用實驗表明,N a 基膨潤土在p H 為410之間是有較好的吸附效果。用H C l 和N a OH 來調(diào)節(jié)反應體系的pH,20#恒溫搖床,實驗時間為1h ,p H 的變化范圍為1、3、5、7、9和11,測定不同p H 下的吸附量,結(jié)果見圖5。由圖5可以看出,pH 對吸附效果有顯著影響,這是因為在酸性條件下,陽離子的存在中和了P AM 上的負電荷,使PAM 長鏈更加舒展,同時也溶解出了膨潤土八面體中的鋁離子,形成吸附位點,使吸附量增加。而在堿性條件下,由于陰離子的存在,增加了PAM 與粘土表面

17、的排斥力,使得PAM 的鏈蜷縮,吸附量有所減少。圖5 p H PAM 吸附量關系圖F i g 5 R elationsh i p be t w een p H and theadso rpti on a m ounts o f PAM2.4 不同pH 下的吸附等溫線平衡吸附量隨平衡濃度而變化的曲線稱為吸附等溫線。根據(jù)前面得到的p H 和溫度以及時間對吸附量的影響,在p H 分別為3、7和9時做吸附等溫曲線,實驗條件如前所述,實驗結(jié)果如圖6所示。圖6 吸附等溫線F i g 6Iso t her m s of absorp tion49環(huán)境工程學報第1卷由圖6可知,較高濃度范圍內(nèi),PAM的吸附量隨

18、著濃度的增加而增加。在平衡濃度為100200m g/L時,吸附量快速增加,表明偏高濃度的P AM在粘土礦物表面有較強的吸附親和力。PAM在膨潤土上的這一種類型的吸附等溫線通?？捎肔ang mu ir公式表示:C/A=l/A sb+C/As式中:A為吸附量(m g/g;C為吸附平衡時溶液中PAM的濃度(m g/L;A s為飽和吸附量(mg/g;b為與吸附熱有關的常數(shù)。研究P AM在硅膠和碳化硅顆粒上的吸附規(guī)律表明8,在01000m g/L濃度范圍內(nèi),PAM的吸附等溫線大體可分為3個部分:較低濃度范圍內(nèi)吸附量隨平衡濃度的增加而迅速增大的L型部分;中間濃度范圍內(nèi)為吸附量隨平衡濃度的增加緩慢增大的平臺

19、部分;較高濃度范圍內(nèi)為因膠束形成而使吸附量隨平衡濃度的增加繼續(xù)增大的S型部分。本研究所得的是中等到高濃度范圍內(nèi)的吸附等溫線,其形狀與前人的研究結(jié)果基本一致。2.5 膨潤土吸附處理PA M生產(chǎn)過程中的廢水采自安徽天潤化工有限公司的PAM生產(chǎn)末端的廢水,經(jīng)過分析其目標污染物及組成主要有:AM(1%2%,PAM(0 1%0 3%,含鹽量約為10%,COD約10000m g/L,p H為6 5,水溶液透明。為了確定用膨潤土吸附處理含PAM的生產(chǎn)廢水是否經(jīng)濟可行,同時采用活性炭進行吸附實驗,取100mL廢水樣2份,調(diào)整p H至3,投加不同吸附劑,于恒溫搖床中(20#震蕩反應1 5h后離心,取上清液測定P

20、AM的濃度,結(jié)果如表2所示。表2 對PAM生產(chǎn)廢水吸附效果表Table2 Resu lt of ab sorption on m anu facture s o l u ti on吸附劑PAM吸附量(m g/gCOD去除率(%市場價格(元/tNa基膨潤土活性炭22.430.135.448.520035040006000表2中的數(shù)據(jù)表明,實際應用中膨潤土能較好地去除PAM生產(chǎn)廢水中的PAM,同活性炭相比,膨潤土價廉易得,而處理效果和活性炭相近,因而在實際應用中膨潤土有更高的性價比。3 結(jié) 論(1高濃度P AM在N a基膨潤土的表面有良好的吸附行為。在高濃度P AM溶液中,吸附等溫線為Lang m uir型。(2吸附過程中,較強的酸性條件對吸附有促進作用。酸的存在中和了PAM自身的電荷,使得PAM分子的長鏈更加舒展,同時也降低了PAM與粘土表面的靜電斥力,使得粘土八面體內(nèi)的金屬離子溶出,形成更多的吸附位點,使得吸附量增加。但在工程應用的p H范圍內(nèi),水溶液的弱酸堿度變化范圍對吸附效果沒有顯著影響。(3較低溫度和較高溫度會改變PAM水溶液的物理性質(zhì)而使PAM的吸附行為有所差異。但在1430#內(nèi),PAM在粘土表面的吸附行為沒有顯著差異,而PAM化工生產(chǎn)廢水的溫度一般在20 30#,因此PAM吸附法可以保證處理效果的穩(wěn)定性。(4對于濃度在100200m g/