阳离子淀粉-聚合硫酸铁复合絮凝剂制备的研究

摘 要： 以天然高分子物质淀粉为有机组分, 通过改性制备阳离子淀粉 (CS) , 与无机组分聚合硫酸铁 (PFS) 复合, 制备新型无机-有机高分子絮凝剂PFS+CS。并以吸光度为指标, 选用L9 (34) 正交表, 探讨pH值、反应温度、反应时间及原料质量比4个因素对产物的影响。结果表明较佳制备条件为pH值为1.5, 反应时间为0.5h, 反应温度为50℃, m (PFS) ∶m (CS) =1∶0.125。通过FT-IR分析, 聚合硫酸铁与阳离子改性淀粉得到复合, 制得了新型的无机有机复合絮凝剂。

随着工业化进程的加快, 水资源污染问题日趋严重, 使用絮凝剂处理污水是常用手段之一。絮凝剂可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂、微生物絮凝剂[1], 而无机-有机复合絮凝剂由于具有无机絮凝剂的快速破胶能力, 并克服了单一絮凝剂的用量大、适用范围小等缺点, 正逐步取代单一絮凝剂[2-3]。

聚合氯化铝是应用较广泛的无机高分子絮凝剂, 但有一定的生物毒性[4]。而铁盐无机高分子絮凝剂不仅无毒, 而且具有形成巩花大, 絮凝反应快, 沉降快等优点[5]。但聚铁盐不稳定, 絮凝架桥能力比有机絮凝剂差, 因此对聚铁盐进行有机复合是提高絮凝效果的常用方法[6]。

淀粉是一种天然有机高分子物质, 价格低廉、选择性好、安全无毒, 但可生物降解性限制了淀粉的使用寿命, 因此, 通过改性, 引入活性基团, 可提高絮凝性能[7]。

本实验以3-氯-2-羟丙基氯化铵为醚化剂, 制备阳离子改性淀粉 (CS) , 与无机聚铁基高分子复合, 制备絮凝剂。并选用L9 (3) 正交表, 以吸光度为指标, 探讨了p H值、反应温度、反应时间及原料质量比4个因素对产物的影响。

1 试剂与仪器

1.1 试剂

3-氯-2-羟丙基氯化铵、淀粉、绿矾、双氧水、氢氧化钠和硫酸, 以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器

WQF-310傅里叶变换红外光谱仪 (北京第二光学仪器厂) 、723型可见分光光度计 (山东高密彩虹分析仪器有限公司) 、101AB-2型电热鼓风干燥箱 (菏泽市石油化工学校仪器设备厂) 、HJ-3控温磁力搅拌器 (江苏金坛市金南仪器厂) 、FA1204B电子天平 (上海精科天美科学仪器有限公司) 、HH-1数显恒温水浴锅 (江苏金坛市荣华仪器制造有限公司) 和PHS-25B酸度计 (上海大中分析仪器厂) 。

2 实验

2.1 絮凝剂的制备

2.1.1 阳离子改性淀粉 (CS) 的制备

移取4m L醚化剂3-氯-2-羟丙基氯化铵置于烧杯中, 逐滴滴入3m L 10mol/L Na OH, 加入15m L蒸馏水, 混合后, 低于10℃下活化反应10min。将处理好的醚化剂加入15g淀粉中, 搅拌均匀, 40~50℃干燥1h, 粉碎后于85℃下反应0.5h, 得白色固体[8]。

2.1.2 聚合硫酸铁 (PFS) 的制备

在烧杯中加入10g绿矾·7H2O、10m L蒸馏水和2m L浓硫酸, 边搅拌边滴加, 反应30min后, 停止搅拌, 静置, 即得红褐色黏稠状PFS溶液。

2.1.3 聚合硫酸铁-阳离子改性淀粉复合絮凝剂 (PFS+CS) 的制备

称取一定量的聚合硫酸铁 (PFS) 和阳离子淀粉 (CS) 于烧杯中, 加入蒸馏水, 边搅拌边用稀硫酸调节p H值, 一定温度充分反应后, 减压过滤, 烘干, 即可制得无机-有机复合絮凝剂PFS+CS。

2.2 红外光谱表征 (FT-IR)

将制备的复合絮凝剂低温干燥, 研磨成粉状后, 采用KBr压片法于WQF-310傅里叶变换红外光谱仪测定其红外光谱, 扫描范围400~4 000cm。

3 结果与分析

3.1 PFS+CS的正交试验分析

采用正交试验法, 选用正交表, 探究4个因素:p H值A (1、1.5、2) 、反应时间B (0.5、1、1.5h) 、反应温度C (40、50、60℃) 及原料质量比D (1∶0.125、1∶0.250、1∶0.500) 对PFS+CS制备的影响, 并探讨各影响因素的显著性, 结果见表1。

表1 各因素对PFS+CS制备的影响

由表1得, PFS+CS制备影响因素的显著性依次为反应温度>原料配比>p H值>反应时间。较佳制备条件为:p H值1.5, 反应时间0.5h, 反应温度50℃, m (PFS) ∶m (CS) =1∶0.125。

3.2 复合絮凝剂PFS+CS的FT-IR分析

在较佳合成条件下制备了复合絮凝剂PFS+CS, 并采用傅里叶变换红外光谱仪对无机组分PFS、有机组分CS及无机-有机复合絮凝剂PFS+CS分别进行红外光谱分析, 如图1所示。

图1 PFS、CS、PFS+CS红外光谱图

由图1可知, 对于有机组分CS, 波数为1 000cm附近的吸收峰为阳离子改性淀粉中的伯醇、仲醇及醚键的特征吸收, O-H键的振动在1 658cm处产生吸收峰, C-H的振动在2 934 cm处产生吸收峰, -OH的伸缩振动产生了3 500cm处的吸收峰;当无机组分和有机组分发生聚合后, 其红外谱图上包含了CS的特征吸收峰, 同时在3 500cm处, 吸收峰比CS有较明显加宽, 这表明PFS和CS的吸收峰发生重叠, 两组分发生聚合。

4 结论

制备了新型无机-有机复合絮凝剂, 聚合硫酸铁-阳离子改性淀粉复合絮凝剂 (PFS+CS) , 采用正交试验法得出了各影响因素的显著性为:反应温度>原料配比>p H值>反应时间;较佳制备条件为:p H值为1.5, 反应时间为0.5h, 反应温度为50℃, m (PFS) ∶m (CS) =1∶0.125。并通过红外光谱法研究了絮凝剂复合前后的结构变化, 表明无机组分聚合硫酸铁与有机组分阳离子改性淀粉得到了复合, 制得了新型的无机-有机复合絮凝剂。

参考文献

[1]郑怀礼.聚铁基复合絮凝剂的研究[D].重庆:重庆大学, 2003.

[2]邓金梅, 罗序燕, 祝婷, 等.PAC-PAM复合絮凝剂对某镇生活污水处理效率的实验研究[J].化工新型材料, 2017 (2) :19-21.

[3]李哲, 常鼎伟, 周颖, 等.新型聚丙烯酰胺-聚硅酸硫酸铝复合絮凝剂的制备及絮凝效果研究[J].现代化工, 2016 (7) :118-121.

[4]张振花, 何玉凤, 张侠, 等.聚铁和聚铝类絮凝剂的改性及在废水处理中的应用研究进展[J].水处理技术, 2010, 36 (9) :10-15.

[5]郑怀礼, 龙腾锐, 舒型武.聚合铁类絮凝剂作用机理分析[J].重庆环境科学, 2000, 22 (3) :51-53.

[6]李祖义, 金浩, 石俊.Biosynthesis of Chiral Epoxides[J].有机化学, 2001, 21:247-251.

[7]佟瑞利, 赵娜娜, 刘成蹊, 等.无机、有机高分子絮凝剂絮凝机理及进展[J].河北化工, 2007 (3) :79-83.

[8]魏倩倩, 童群义.季铵型阳离子淀粉絮凝剂的制备及其应用[J].化工进展, 2008, 27 (2) :303-307.