絮凝剂的现状和污水治理的发展2

物理化学课外实践论文絮凝剂的现状和污水治理发展生命科学学院12级应用化学1班3125412016李鑫摘要：本文首先详细介绍了无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂的研究现状，论述了传统絮凝剂在水处理中存在的缺陷以及绿色絮凝剂的优越性。指出，随着环境保护要求的日趋严格，开发廉价、高效、无毒又能够完全生物降解、不产生二次污染的新型天然改造高分子有机絮凝剂和微生物絮凝剂是该研究领域重要的发展方向，具有极其重要的现实意义。讨论了絮凝剂的研究现状，分析了各种絮凝剂的分子结构、确定理化性质、絮凝机理，对比了絮凝剂在处理造纸、印染和重金属废水的处理效果，分析了絮凝剂处理废水存在的问题，并提出相关措施，以为研制和开发高效、无公害和低成本的新型絮凝剂提供理论基础。关键字：絮凝剂；处理废水；效果；措施一、引言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。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。随着经济发展和人们环保意识的增强，廉价、高效、无毒又能够全生物降解、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。二、絮凝剂的研究现状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。1、无机絮凝剂无机絮凝剂主要是依靠中和粒子上的电荷而凝聚，故常常被称为凝聚剂。其按金属盐种类可分为铝盐系和铁盐系，铝盐以硫酸铝、氯化铝为主，铁盐以氯化铁、硫酸铁为主；按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸系。无机絮凝剂的研究与发展时间比较长，应用历史比较悠久，属于传统絮凝剂。它经历了从单一品种到多品种、从低分子的铝（铁）盐到高分子的聚合铝（铁）；从单一的聚合铝（铁）到多元的聚合铝（铁）的发展过程。近年来,聚合铝(铁)的主要形态向高电荷多核络合物方向发展；聚合铝(铁)的共存阴离子从低价向高价方向发展；聚合铝(铁)由阴离子型向阳离子型方向发展，如改性单阳离子或多阳离子无机聚合絮凝剂的研制。目前无机高分子絮凝剂已形成阴离子型、阳离子型、无机复合型三种类型，并以其来源广、较经济、用法简单广泛应用于饮用水、工业水的净化处理以及地下水、废水淤泥的脱水处理等，在我国实际用量占絮凝剂总量的80%以上。但铝系絮凝剂会产生二次污染，毒害水生生物、植物和微生物，通过事物链和饮用水，最终危害人类健康；铁系絮凝剂对金属有腐蚀性，使水有颜色，且高浓度的铁对人体健康和生态环境也有不利影响，聚合无机盐絮凝剂虽处理效果良好,但用量大,对环境有二次污染，这使无机絮凝剂的应用受到很大的限制。2、有机絮凝剂有机絮凝剂主要依靠架桥作用使粒子沉降，故常常被称为助凝剂。有机高分子絮凝剂自20世纪60年代作为第二代絮凝剂问世以来，引起了人们的高度重视。与无机絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂具有用量少、絮凝速度快、受共存盐类、介质pH值及环境温度影响小、生成物泥量少、可具链状、环状等多种结构、利于污染物进入絮体、脱色性好等优点。近20年来有机絮凝剂的发展十分迅速，现多采用无机/有机复合絮凝剂以弥补单独使用有机絮凝剂与无机絮凝剂的不足,来促进有机高分子絮凝剂的作用。根据化学成分，有机絮凝剂大体可分为合成类有机高分子絮凝剂和天然类有机高分子絮凝剂两大类。而天然类有机高分子絮凝剂又经历了由简单的天然有机高分子絮凝剂到天然改性有机高分子絮凝剂的飞跃过程。2.1合成有机高分子絮凝剂合成类有机高分子絮凝剂是利用高分子有机物分子量大、分子链官能团多的结构特点经化学合成的一类有机絮凝剂,具有产品性能稳定、容易根据需要控制合成产物分子量等特点。其中,应用较多的主要是聚丙烯酰胺（PAM）及其衍生物,约占世界同类高分子絮凝剂总产量的80%以上，它们具有用量少、高絮凝性和低生产成本等特点。近年来，科学工作者又研制出丙烯酰胺与功能性阳离子单体共聚物絮凝剂等新型改性合成有机高分子絮凝剂。但以聚丙烯酰胺为代表的合成高分子有机絮凝剂的残留物不易被生物降解，且其单体丙烯酰胺有强烈的神经毒性和“三致”效应(致畸、致突变、致癌),易造成二次污染，所以世界各国对其使用作了规定:如美国批准使用的聚丙烯酰胺的最大允许浓度为1mg/dm3,英国规定聚丙烯酞胺的投加量平均不得超0.5mg/dm3,最大投加量不得超过1mg/dm3，因此合成有机高分子絮凝剂的应用也受到了一定的限制。2.2天然有机高分子絮凝剂天然有机高分子絮凝剂是以天然高分子资源如淀粉、纤维素等为原料经化学改性后制得的一类有机高分子絮凝剂，是绿色药剂。简单的天然有机高分子絮凝剂的使用远小于合成的有机高分子絮凝剂,原因是其电荷密度较小，相对分子质量较低,且易发生生物降解而失去其絮凝活性。而经改性后的天然有机高分子絮凝剂是一类生态安全型絮凝剂,与合成的有机高分子絮凝剂相比,具有选择性大、无毒、易生化降解、不造成二次污染、易于根据需要采用不同的制备方法进行改性等显著特点，因此，倍受人们的关注。目前,天然改性高分子有机絮凝剂包括淀粉衍生物、纤维素衍生物、甲壳素衍生物、植物胶改性产物、多糖类蛋白质改性产物等。本文主要介绍淀粉衍生物和甲壳素衍生物两大类。2.2.1淀粉及其衍生物淀粉是自然界中含量最为丰富的有机资源，也是开发最早的一类天然有机高分子絮凝剂。由于其来源广泛、价格低廉、且产物完全可以生物降解，在自然界中形成良好循环；又由于淀粉含有多羟基,其化学性质活泼,通过羟基的醚化、交联、接枝共聚等化学改性,其活性基团大大增加；形成的聚合物呈枝化结构,分散了絮凝基团,对悬浮体系中颗粒物有更强的捕捉与促沉作用等特点，因此，在众多天然改性高分子絮凝剂中，淀粉改性絮凝剂的研究开发尤为引人注目。目前，改性淀粉絮凝剂主要有接枝类改性淀粉絮凝剂、离子化改性淀粉絮凝剂和磺原酸酯类改性淀粉絮凝剂等三大类。它们与聚丙烯酰胺相比具有稳定性强、适应范围广、絮凝能力强等特点，广泛用于食品、石油、造纸、电镀、印染、皮革等工业废水处理,污泥脱水,饮用水净化,重金属离子去除和矿物冶炼等领域。2.2.2甲壳素及其衍生物甲壳素又名甲壳质、几丁质，其天然储量十分丰富,是仅次于纤维素的第二大天然高分子化合物。甲壳素可经脱乙酰化制得壳聚糖。壳聚糖是迄今为止发现的唯一天然碱性多糖,因而具有非常特殊的性能和用途。这类物质分子中含有酰胺基及氨基、羟基,因此具有絮凝吸附等功能。作为线性聚胺,壳聚糖在酸性介质中溶解后,随着氨基的质子化表现出阳离子聚电解质的性质,不仅对重金属具有螯合的吸附作用,还可有效吸附水中带负电荷微细颗粒,因此在电镀废水、印染废水、重金属废水和给水净化等方面应用广泛。更重要的是,壳聚糖可降解性好,使用过程中不会造成二次污染,因此被广泛用于食品加工水的处理,可使各种食品加工废水固形物减少70%～98%。曾德芳等成功地获得了一套适合我国国情的用壳聚糖工业化生产絮凝剂的最佳工艺路线,为壳聚糖絮凝剂在我国的工业化、商品化奠定了良好的基础。3、微生物絮凝剂随着人们对水处理认识的不断提高,如何减少二次污染问题已经引起越来越多的重视，微生物絮凝剂就是在这样的背景下，于20世纪80年代后期，做为第三代絮凝剂应运而生。它是利用生物技术,通过微生物的发酵、抽提、精制等工艺从微生物或其分泌物中得到的一类具有絮凝活性的新型高分子有机物。微生物絮凝剂一般由多糖、蛋白质、DNA、纤维素、糖蛋白、聚氨基酸等高分子物质构成。产生絮凝剂的微生物来源广泛，主要有线菌、真菌以及藻类等。微生物絮凝剂分子中含有多种官能团，能使水中胶体悬浮物相互凝聚、沉淀。它对多种细微颗粒以及可溶性色素都具有优良的絮凝能力，并具有较高的热稳定性。与其它无机和有机高分子絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有生产周期短、高效、无毒、不产生二次污染、脱色效果独特、廉价、可以采取生物工程的手段实现产业化等特点，在安全环保方面更具优越性，可广泛应用于医药、食品、化学和环保等领域。我国微生物絮凝剂的研究和应用起步较晚，大多处于实验室阶段，仅停留在菌种筛选和絮凝性能的研究上。而近年来，我国科研工作者针对微生物絮凝剂存在着生产成本高、活体絮凝剂保存困难、絮凝剂处理功能单一等难题，以及处理效果容易受到温度、pH、无机金属离子和絮凝剂的分子量等因素的影响，尤其是容易受到有毒物质的干扰等不足做了大量工作。三、絮凝剂处理废水的研究进展絮凝剂处理造纸废水，造纸工业的整个生产过程，包括从备料到成纸，以及黑、红液的回收，纸张的加工等都要用大量的新鲜水，用于输送、分散、洗涤和冷却设备等用途。虽然在过程中进行处理、回收、再用，但仍有很多的废水排入自然水体中去，造成了水体的大面积污染。1999年，中国纸的产量为2900万t，世界排名第三；用量为3500万t，世界排名第二，已占世界产量的百分之十二，就对环境的污染来看，全国造纸企业污水排放量占全国污水排放量的百分之十左右，居全国第三位，COD的排放量占全国排放量百分之四十左右，居全国第一位，可以看出造纸工业是中国环境污染的主要行业之一。造纸废水的产生与生产过程的各个工序有关，总的来说可以分为黑液、中段废水与白水三类。目前，木浆和草浆黑液都可以被传统的碱回收方法治理。纸浆是造纸白水中的成分主要来源，所以绝大部分白水可以直接回用，用于造纸车间配浆工段浆料的稀释和配浆，剩余少部分白水可以通过白水塔、浮选池和纤维分离机等方法回收纤维回用，再多余的部分可以与中段水混合处理。中段废水来源于制浆废水之后，包括洗浆的稀黑液、漂白废水、洗网、洗涤筛选废水、洗毯废水、造纸车间的多余白水等。因此中段废水是个来源复杂，成分复杂的系统，中段废水的脱色处理十分关键。由于造纸工业废水排放量大，水污染严重，生态破坏性大，对其处理一直困扰着广大厂家和环境工作者。而科学技术的不断进步，废水综合利用率的也在逐步提高，造纸废水的治理也取得了一定的进展。近几年来国内外处理造纸废水的方法有物理处理技术、化学处理技术、物理化学处理技术、生物处理技术、膜处理技术、高级氧化法、人工湿地处理技术。国际上，造纸废水采用较多的方法是先就地处理也就是本厂处理，再用絮凝法、生化处理法或同时使用两种方法，即可满足排放要求。处理效果见下表另外，在国外，造纸厂也将本厂处理后的污水送入城市污水处理厂，在污水处理厂进行合并处理。由于城市污水中氮和磷的含量很高，这样可以利用氮和磷作为生化处理中的营养原料，从而降低成本。四、絮凝剂处理废水存在的问题与措施絮凝剂应用于处理废水方面已有很长的一段时间，成为目前处理废水必不可少的药剂，而且人们对絮凝剂处理废水的研究也取得了巨大成果，但仍有很多不完善的地方:(1)大多絮凝剂生产成本高，如微生物絮凝剂、阳离子高分子絮凝剂等制造过程复杂，原料价格高，使其成本也高；(2)一些絮凝剂处理范围小，如有毒絮凝剂、对环境条件要求较高的絮凝剂，因其本身的有毒性而限制了其处理废水的范围；(3)进行水处理的工艺复杂，进行水处理过后造成二次污染；(4)处理功能单一，只对特定的某类废水或某几种废水的处理效果较好，这也限制了其在水处理方面普及度。针对以上絮凝剂处理废水存在的问题，我们应采取以下几点措施进行解决：(1)改进絮凝剂的制备方法和优化絮凝剂原料的筛选，充分利用工业生产和人类生活的废弃物作为废水处理絮凝剂或絮凝剂原材料