CN105819559B - 一种用于废水处理的絮凝剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于废水处理的絮凝剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有式(I)结构通式的用于废水处理的絮凝剂，其中n、m的取值范围分别为500～1500和20～80，本发明还公开了该絮凝剂的制备方法，是瓜尔胶为原料转化为中间物接枝瓜尔胶，再合成接枝瓜尔胶一二氧化硅纳米复合材料。本发明具有原料来源广泛、成本低廉、天然无毒性，产品制备方法产率高、副产物少，其中利用的微波合成法能量利用率高、反应速度快、环保无污染等优点。

Description

一种用于废水处理的絮凝剂及其制备方法
技术领域
本发明属于水处理领域，涉及一种水处理用的絮凝剂，特别是涉及一种应用于废水处理的接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料絮凝剂及其制备方法。
背景技术
废水含有大量有毒有害物质，如果不经过处理直接排放，会导致水体污染。因此，各种各样的废水处理方法被应用于减少废水中的有毒有害物质，比如絮凝、沉降、蒸发、吸附等。在这些方法中，絮凝是一种环保、高效的废水处理方法。
絮凝剂包括无机絮凝剂和有机絮凝剂。目前的各类有机絮凝剂仍存在流体力学体积小、旋转半径小、热力学稳定性低、表面积小等问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明公开了一种用于废水处理的絮凝剂及其制备方法，通过向聚合物骨架表面引入无机纳米填充剂，增加旋转半径、热力学稳定性及表面积，得到一种高效的废水处理絮凝剂。
本发明公开了一种废水处理絮凝剂，为如下结构通式的化合物：
其中，n的取值范围为500～1500，m的取值范围为20～80。
上述废水处理絮凝剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)接枝瓜尔胶的合成
a)将瓜尔胶溶解于去离子水中；
b)将丙烯酰胺加至步骤a)所得的瓜尔胶水溶液中，混合均匀得到混合液A；
c)将过硫酸钾水溶液加入到步骤b)所得混合液A中，混合均匀得到混合液B；
d)将混合液B置于50℃～100℃条件下，用500W～1500W的微波照射进行接枝反应3h～6h得到产物溶液；
e)向步骤d)中所得的产物溶液中加入丙酮进行沉降，得到沉降物；
f)用洗涤液对步骤e)中所得的沉降物进行清洗，所用洗涤液是由甲酰胺和醋酸混合配制而成的；
g)将步骤f)中清洗后的沉降物置于烘箱中，在50℃～100℃条件下干燥2h～24h，得到中间产物接枝瓜尔胶；
(2)接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的合成
将中间产物接枝瓜尔胶在去离子水中溶解得到接枝瓜尔胶水溶液，在50℃～100℃条件下以200r/min～800r/min的速度持续搅拌；再向50℃～100℃的接枝瓜尔胶水溶液中迅速加入四乙基原硅酸盐的乙醇溶液和四乙基原硅酸盐的氨水溶液，以200r/min～800r/min的搅拌速度继续搅拌；再继续加热搅拌10h～15h后，停止加热和搅拌结束反应，并向其中加入丙酮进行沉降，将沉降得到的预产品置于烘箱中在50℃～100℃条件下干燥2h～24h，得到所述式(I)的絮凝剂，即接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料。
作为对本发明的进一步改进，所述废水处理絮凝剂的制备方法包括如下步骤：
(1)接枝瓜尔胶的合成
a)将瓜尔胶溶解于去离子水中，得到0.5g/mL～5g/mL的瓜尔胶水溶液；
b)将丙烯酰胺加至步骤a)所得的瓜尔胶水溶液中，混合均匀得到混合液A，其中丙烯酰胺与瓜尔胶水溶液的体积比为1:17～5:17；
c)将1×10﹣4mol/mL～10×10﹣4mol/mL的过硫酸钾水溶液，按过硫酸钾水溶液与瓜尔胶水溶液的体积比为1:17～5:17的比例加入到步骤b)所得混合液A中，混合均匀得到混合液B；
d)将混合液B置于50℃～100℃条件下，在氮气气氛中用500W～1500W的微波照射进行接枝反应3h～6h后，用饱和的对苯二酚溶液中止反应，得到产物溶液；
e)向步骤d)中所得的产物溶液中加入丙酮进行沉降，得到沉降物，其中丙酮与产物溶液的体积比为1:1～5:1；
f)用洗涤液对步骤e)中所得的沉降物进行清洗，所用洗涤液是由甲酰胺和醋酸混合配制而成的；
g)将步骤f)中清洗后的沉降物置于烘箱中，在50℃～80℃条件下干燥6h～12h，得到中间产物接枝瓜尔胶；
(2)接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的合成
将中间产物接枝瓜尔胶在去离子水中溶解配制5×10﹣3g/mL～5×10﹣2g/mL的接枝瓜尔胶水溶液，在50℃～100℃条件下以200r/min～800r/min的速度持续搅拌；再向50℃～100℃的接枝瓜尔胶水溶液中迅速加入1×10﹣2g/mL～5×10﹣2g/mL的四乙基原硅酸盐的乙醇溶液和四乙基原硅酸盐的氨水溶液，以200r/min～800r/min的搅拌速度继续搅拌；再继续加热搅拌10h～15h后，停止加热和搅拌结束反应，并向其中加入丙酮进行沉降，将沉降得到的预产品置于烘箱中在50℃～80℃条件下干燥6h～12h，得到所述式(I)的絮凝剂，即接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)原料来源广泛、成本低廉、天然无毒性；
(2)产品制备方法产率高、副产物少，其中利用的微波合成法能量利用率高、反应速度快、环保无污染；
(3)产品安全无污染，应用于废水处理中，能有效地减少废水的蒸发残留物(TS)、溶解性总固体(TDS)、总悬浮固体(TSS)和化学需氧量(COD)，以及各种重金属离子的含量。
附图说明
图1为本发明实施例1所得絮凝剂的红外谱图。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的及优点更加清晰易懂，现结合实施例对本发明做进一步解释说明，应当指出的是，在此列出的所有实施例仅仅是说明性的，并不意味着对本发明范围进行限定。
实施例1
本实施例1的废水处理絮凝剂，包括如下制备步骤：
(1)接枝瓜尔胶的合成
a)将瓜尔胶溶解于去离子水中，得到0.5g/mL的瓜尔胶水溶液；
b)将丙烯酰胺加至步骤a)所得的瓜尔胶水溶液中，混合均匀得到混合液A，其中丙烯酰胺与瓜尔胶水溶液的体积比为1:17；
c)将1×10﹣4mol/mL的过硫酸钾水溶液，按过硫酸钾水溶液与瓜尔胶水溶液的体积比为1:17的比例加入到步骤b)所得混合液A中，混合均匀得到混合液B；
d)将混合液B置于50℃条件下，在氮气气氛中用1500W的微波照射进行接枝反应3h后，用饱和的对苯二酚溶液中止反应，得到产物溶液；
e)向步骤d)中所得的产物溶液中加入丙酮进行沉降，得到沉降物，其中丙酮与产物溶液的体积比为1:1；
f)用洗涤液对步骤e)中所得的沉降物进行清洗，所用洗涤液是由甲酰胺和醋酸混合配制而成的；
g)将步骤f)中清洗后的沉降物置于烘箱中，在50℃条件下干燥12h，得到中间产物接枝瓜尔胶；
(2)接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的合成
将中间产物接枝瓜尔胶在去离子水中溶解配制5×10﹣3g/mL的接枝瓜尔胶水溶液，在50℃条件下以200r/min的速度持续搅拌；再向100℃的接枝瓜尔胶水溶液中迅速加入1×10﹣2g/mL的四乙基原硅酸盐的乙醇溶液和四乙基原硅酸盐的氨水溶液，以200r/min的搅拌速度继续搅拌；再继续加热搅拌10h后，停止加热和搅拌结束反应，并向其中加入丙酮进行沉降，将沉降得到的预产品置于烘箱中在50℃条件下干燥12h，得到结构通式(I)的絮凝剂，即接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料。
将瓜尔胶、接枝瓜尔胶和接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料进行红外测试，得到红外谱如图1所示，(a)代表瓜尔胶的红外谱、(b)代表接枝瓜尔胶的红外谱、(c)代表实施例1得到的接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的红外谱：
瓜尔胶的红外谱在3442cm-1有一个宽峰，对应于－OH的伸缩振动。在2915cm-1有一个尖峰，对应于C－H的伸缩振动。在1012cm-1和920cm-1的峰位对应于C－O－C的伸缩振动；
接枝瓜尔胶相比瓜尔胶的红外谱，其新增加了如下几个峰：在1657cm-1和1570cm-1的峰位分别对应于两个氨基，1432cm-1的峰位对应于C－N的伸缩振动。新增加的峰表明在瓜尔胶上产生了接枝反应，形成了接枝瓜尔胶；
对于接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料，3758cm-1峰对应于硅烷醇的－OH基团。1112cm-1和1015cm-1的峰分别对应于Si－O－Si和Si－OH，表明SiO2颗粒存在于接枝瓜尔胶上，形成了接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料。
实施例2
本实施例2的废水处理絮凝剂，包括如下制备步骤：
(1)接枝瓜尔胶的合成
a)将瓜尔胶溶解于去离子水中，得到5g/mL的瓜尔胶水溶液；
b)将丙烯酰胺加至步骤a)所得的瓜尔胶水溶液中，混合均匀得到混合液A，其中丙烯酰胺与瓜尔胶水溶液的体积比为5:17；
c)将10×10﹣4mol/mL的过硫酸钾水溶液，按过硫酸钾水溶液与瓜尔胶水溶液的体积比为5：17的比例加入到步骤b)所得混合液A中，混合均匀得到混合液B；
d)将混合液B置于100℃条件下，在氮气气氛中用500W的微波照射进行接枝反应4h后，用饱和的对苯二酚溶液中止反应，得到产物溶液；
e)向步骤d)中所得的产物溶液中加入丙酮进行沉降，得到沉降物，其中丙酮与产物溶液的体积比为5:1；
f)用洗涤液对步骤e)中所得的沉降物进行清洗，所用洗涤液是由甲酰胺和醋酸混合配制而成的；
g)将步骤f)中清洗后的沉降物置于烘箱中，在80℃条件下干燥6h，得到中间产物接枝瓜尔胶；
(2)接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的合成
将中间产物接枝瓜尔胶在去离子水中溶解配制5×10﹣2g/mL的接枝瓜尔胶水溶液，在100℃条件下以800r/min的速度持续搅拌；再向50℃的接枝瓜尔胶水溶液中迅速加入5×10﹣2g/mL的四乙基原硅酸盐的乙醇溶液和四乙基原硅酸盐的氨水溶液，以800r/min的搅拌速度继续搅拌；再继续加热搅拌10h后，停止加热和搅拌结束反应，并向其中加入丙酮进行沉降，将沉降得到的预产品置于烘箱中在80℃条件下干燥6h，得到结构通式(I)的絮凝剂，即接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料。
实施例3
本实施例3的废水处理絮凝剂，包括如下制备步骤：
(1)接枝瓜尔胶的合成
a)将瓜尔胶溶解于去离子水中，得到3g/mL的瓜尔胶水溶液；
b)将丙烯酰胺加至步骤a)所得的瓜尔胶水溶液中，混合均匀得到混合液A，其中丙烯酰胺与瓜尔胶水溶液的体积比为3:17；
c)将6×10﹣4mol/mL的过硫酸钾水溶液，按过硫酸钾水溶液与瓜尔胶水溶液的体积比为4:17的比例加入到步骤b)所得混合液A中，混合均匀得到混合液B；
d)将混合液B置于80℃条件下，在氮气气氛中用1000W的微波照射进行接枝反应6h后，用饱和的对苯二酚溶液中止反应，得到产物溶液；
e)向步骤d)中所得的产物溶液中加入丙酮进行沉降，得到沉降物，其中丙酮与产物溶液的体积比为4:1；
f)用洗涤液对步骤e)中所得的沉降物进行清洗，所用洗涤液是由甲酰胺和醋酸混合配制而成的；
g)将步骤f)中清洗后的沉降物置于烘箱中，在70℃条件下干燥9h，得到中间产物接枝瓜尔胶；
(2)接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的合成
将中间产物接枝瓜尔胶在去离子水中溶解配制2×10﹣2g/mL的接枝瓜尔胶水溶液，在80℃条件下以500r/min的速度持续搅拌；再向75℃的接枝瓜尔胶水溶液中迅速加入3×10﹣2g/mL的四乙基原硅酸盐的乙醇溶液和四乙基原硅酸盐的氨水溶液，以600r/min的搅拌速度继续搅拌；再继续加热搅拌12h后，停止加热和搅拌结束反应，并向其中加入丙酮进行沉降，将沉降得到的预产品置于烘箱中在65℃条件下干燥8h，得到结构通式(I)的絮凝剂，即接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料。
实施例4接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料应用于造纸工业废水处理
造纸厂是废水的排放大户，其排放的废水主要含有大量有机物、有毒重金属及各种悬浮物。
将实施例1～3制备的接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料分别以20mg/L的浓度添加于造纸工业废水中作样品1、样品2、样品3和以未添加接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的废水作空白样，用于分析材料对造纸工业废水的处理能力，实验结果如表1所示：
表1造纸工业废水处理结果
结果表明，接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料能有效减少造纸工业废水的浊度、蒸发残留物(TS)、溶解性总固体(TDS)、总悬浮固体(TSS)和化学需氧量(COD)，以及各种重金属离子如Zn2+、Pb2+及Fe3+。
实施例5接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料应用于采矿工业废水处理
将实施例1～3制备的接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料分别以20mg/L的浓度添加于采矿工业废水中作样品1、样品2、样品3和以未添加接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的废水作空白样，用于分析材料对采矿工业废水的处理能力，实验结果如表2所示：
表2采矿工业废水处理结果
结果表明，接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料能有效减少采矿工业废水的浊度、蒸发残留物(TS)、溶解性总固体(TDS)、总悬浮固体(TSS)，以及各种重金属离子。

Claims (3)

1.一种用于废水处理的絮凝剂，为如下结构通式的化合物：
其中，n的取值范围为500～1500，m的取值范围为20～80。
2.如权利要求1所述用于废水处理的絮凝剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)接枝瓜尔胶的合成
a)将瓜尔胶溶解于去离子水中；
b)将丙烯酰胺加至步骤a)所得的瓜尔胶水溶液中，混合均匀得到混合液A；
c)将过硫酸钾水溶液加入到步骤b)所得混合液A中，混合均匀得到混合液B；
d)将混合液B置于50℃～100℃条件下，用500W～1500W的微波照射进行接枝反应3h～6h得到产物溶液；
e)向步骤d)中所得的产物溶液中加入丙酮进行沉降，得到沉降物；
f)用洗涤液对步骤e)中所得的沉降物进行清洗，所用洗涤液是由甲酰胺和醋酸混合配制而成的；
g)将步骤f)中清洗后的沉降物置于烘箱中，在50℃～100℃条件下干燥2h～24h，得到中间产物接枝瓜尔胶；
(2)接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的合成
将中间产物接枝瓜尔胶在去离子水中溶解得到接枝瓜尔胶水溶液，在50℃～100℃条件下以200r/min～800r/min的速度持续搅拌；再向50℃～100℃的接枝瓜尔胶水溶液中迅速加入四乙基原硅酸盐的乙醇溶液和四乙基原硅酸盐的氨水溶液，以200r/min～800r/min的搅拌速度继续搅拌；再继续加热搅拌10h～15h后，停止加热和搅拌结束反应，并向其中加入丙酮进行沉降，将沉降得到的预产品置于烘箱中在50℃～100℃条件下干燥2h～24h，得到如权利要求1所述的絮凝剂。
3.如权利要求2所述的絮凝剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)接枝瓜尔胶的合成
a)将瓜尔胶溶解于去离子水中，得到0.5g/mL～5g/mL的瓜尔胶水溶液；
b)将丙烯酰胺加至步骤a)所得的瓜尔胶水溶液中，混合均匀得到混合液A，其中丙烯酰胺与瓜尔胶水溶液的体积比为1:17～5:17；
c)将1×10﹣4mol/mL～10×10﹣4mol/mL的过硫酸钾水溶液，按过硫酸钾水溶液与瓜尔胶水溶液的体积比为1:17～5:17的比例加入到步骤b)所得混合液A中，混合均匀得到混合液B；
d)将混合液B置于50℃～100℃条件下，在氮气气氛中用500W～1500W的微波照射进行接枝反应3h～6h后，用饱和的对苯二酚溶液中止反应，得到产物溶液；
e)向步骤d)中所得的产物溶液中加入丙酮进行沉降，得到沉降物，其中丙酮与产物溶液的体积比为1:1～5:1；
f)用洗涤液对步骤e)中所得的沉降物进行清洗，所用洗涤液是由甲酰胺和醋酸混合配制而成的；
g)将步骤f)中清洗后的沉降物置于烘箱中，在50℃～80℃条件下干燥6h～12h，得到中间产物接枝瓜尔胶；
(2)接枝瓜尔胶－二氧化硅纳米复合材料的合成
将中间产物接枝瓜尔胶在去离子水中溶解配制5×10﹣3g/mL～5×10﹣2g/mL的接枝瓜尔胶水溶液，在50℃～100℃条件下以200r/min～800r/min的速度持续搅拌；再向50℃～100℃的接枝瓜尔胶水溶液中迅速加入1×10﹣2g/mL～5×10﹣2g/mL的四乙基原硅酸盐的乙醇溶液和四乙基原硅酸盐的氨水溶液，以200r/min～800r/min的搅拌速度继续搅拌；再继续加热搅拌10h～15h后，停止加热和搅拌结束反应，并向其中加入丙酮进行沉降，将沉降得到的预产品置于烘箱中在50℃～80℃条件下干燥6h～12h，得到如权利要求1所述的絮凝剂。
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