新型硅-铝-铁淀粉复合凝聚剂的合成、表征与二级污外文翻译资料

 2022-08-06 11:08:45

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新型硅-铝-铁淀粉复合凝聚剂的合成、表征与二级污泥脱水性能

重点：硅、铝、铁接枝到淀粉主链以合成CSiAFS

CSiAFS污泥脱水性能优于PAC，PAM，FeCl3

CSiAFS在pH等于3.0～11.0范围内具有良好脱水效果

CSiAFS的表面有孔道，是不连续表面，这有助于污泥脱水。

关键词：淀粉 接枝共聚物 凝聚剂 污泥脱水

摘要：絮凝是最广泛经济有效的污泥脱水预处理技术之一，新型环境友好型高效型混凝剂多用于污泥脱水领域。在此次研究中，新型复合硅-铝-含铁淀粉是通过接枝硅，铝，铁到淀粉骨架上而合成的化合物。聚合淀粉混凝剂通过傅立叶-变换红外光谱学（FTIR），扫描电子显微镜检查法，X射线粉末衍射，热重分析法定性。二级处理污泥的脱水性能可根据毛细管抽吸时间，沉淀量百分比，过滤比阻来评估。结果表明此类共聚物：（1）pH在3.0到11.0范围内具有良好的脱水性能，（2）脱水性能优于PAC，PAM，FeCl3，（3）在压滤过程中，由于共聚物的不连续表面含有孔道和空隙，这有助于松动二次污泥的不渗透薄层。这种新型共聚物是一种在二次污泥脱水中有应用前途的绿色絮凝剂。

1.介绍：

污水处理厂产生的污泥含水率往往高达90%以上[1]；如此之高的污泥含水率会浪费大量的存储空间和能量，因此给污泥脱水是不可避免的。絮凝是目前应用最广泛、经济有效的污泥脱水预处理方法之一[2-8]；无机高分子絮凝剂和合成高分子混凝剂均表现出较高的混凝效率，但有些混凝剂在使用过程中会产生二次污染［9-11］。因此，有必要开发具有高效混凝效率的环保型絮凝剂。淀粉具有廉价、可再生、完全生物降解、易于获得［12］等优点。近年来，淀粉的衍生物作为混凝剂已经引起了人们的广泛关注［13-15］。在淀粉中加入阳离子基团（胺和丙烯酰胺［16-18］）和阴离子基团（磷酸盐、黄原酸盐和羧酸盐［14，19-22］）以获得高效絮凝剂。污泥中的胶体通常带负电，因此，阳离子絮凝剂适合于电荷中和，有利于絮凝［23］。然而，一些合成的阳离子聚合物可以增加污泥体系的粘度，降低滤饼的渗透性，从而增加污泥脱水的难度［24-25］。因此，合成一种新型绿色阳离子淀粉来提高滤饼的渗透性和孔隙率是十分必要的。

在我们早期的文章中，我们用硫酸铝、硫酸亚铁和淀粉制备了铝-铁-淀粉复合絮凝剂（CAFS），其絮凝效果良好［26］。研究发现，添加硅可以增加网链尺寸［27］。促进多孔结构［28］的形成，提高聚合效率，絮凝效果更好。以淀粉、水玻璃、硫酸铝和氯化铁为原料，制备了复合絮凝剂CSiAFS。用傅立叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜、X射线粉末衍射和热重分析对CSiAFS的结构和形貌进行了表征。通过毛细吸水时间、沉降体积百分比、比阻等指标评价了CSiAFS的脱水能力。本工作的目的是制备一种具有高分子量和桥接聚合能力的淀粉基絮凝剂，并更好地了解絮凝脱水过程所涉及的机理。

2．材料和方法

2.1材料

2.1.1试剂

水分含量13.4%的玉米淀粉购自长春大成玉米淀粉有限公司。聚合氯化铝（PACl）的碱度（OH/Al）为1.35。含量30%的三氧化二铝购自南宁化学工业公司。硫酸铝、氢氧化钠、硫酸购自广州化学试剂厂。水玻璃、氯化铁、聚丙烯酰胺（PAM）购自中国天津大茂化学试剂厂。所有的试剂都是分析纯级别的，所有的溶剂都是由去离子水制备。

2.1.2二级污泥

二级污泥样本是采自中国广州力娇污水处理厂二级沉淀池。该厂日处理50万立方米废水，采用厌氧-缺氧-好氧工艺。样本在采样后30分钟内被转运到实验室，然后，样本经过重力增厚，接着，去除浮层。紧接着，样本被储存在4℃的冰箱里不超过两天，二级污泥样品组成如下：含水率95%，SRF 98.3times;1011m/kg，CST 120s，SV30 85.0%，pH 6.75。

2.2合成CSiAFS

将约80mL的0.16mol/L NaOH加入5克玉米淀粉（13、4%水分，中国）的水泥浆中，在50到55℃下连续低速搅拌（50rpm）1小时，制备出改性淀粉溶液。同时，准备0.3mol/L的NaSiO3，通过使用5mol/L的硫酸调节pH值为3.0，然后混合搅拌（50rpm）1小时。然后将100mL 0.3mol/L的硅酸钠、80mL 1.4mol/L的硫酸铝和20mL 0.9mol/L的三氯化铁加入改性淀粉溶液，通过5mol/L的硫酸调节pH值为3.0。将混合物在50到55℃的水溶液中搅拌4小时。然后冷却至室温并进行冷冻干燥得到CSiAFS。合成途径如图一所示。

单硅酸盐是一种弱两性酸，在强酸条件下（pH3.0）单酸分子间发生聚合生成聚硅酸盐。同时，在低pH值下，铝，铁与六个水分子配位，多为8面体，由于硅，铝，铁对氧的配位数相同（都为6）几个特征相似，三者之间存在很强的相互作用，铝离子和铁离子进入二氧化硅层形成倍硅酸铝铁。此外，倍硅酸铝铁和碱性变性淀粉聚合成氢键聚合物后，在羟基甲基和倍硅酸铝铁盐-铝-铁基团之间发生脱水和羟基架桥反应。通过聚合反应和羟基桥联反应，将硅铝和铁接枝到改性淀粉链上合成CSiAFS。

示意图1 .CSiAFS的合成

图1.NS和CSiAFS的傅里叶红外光谱图 图2.NS和CSiAFS的X射线衍射光谱图

2.3CSiAFS表征

采用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）通过溴化钾颗粒法测定了天然淀粉（NS）和CSiAFS的红外光谱。样本的XRD模型通过使用D/MAX-Ultima IV X射线进行衍射分析，该衍射仪配备了一个Cu-Ka辐射源（k=0.15418），在40kV和30mA下工作，拥有10～70度的8°/分钟的速度扫描衍射角。使用STA 409 PC热分析仪（NETZSCH，德国）在氧气氛下以10°C/min的升温速率升至1000度进行热重分析。SEM影像在日立S-3400N扫描显微镜（日本）观察得到。

2.4絮凝实验

二级污泥脱水能力以过滤比阻（STF）［30］、毛细管吸水时间（CST）［31］、沉淀30分钟后污泥体积（SV30）表示。所有实验均采用三组重复实验，实验结果采用均数法。在每个测试中，100mL二级污泥的pH值经过调整，然后，优化剂量的絮凝剂以250rpm的搅拌速度快速搅拌添加1分钟。其次是在50rpm缓慢搅拌5分钟。最后搅拌时期，高度一半的混合系统毛细管吸水时间由TYPE304M毛细管吸水计时器（Trition Electronics，英格兰）zeta电位采用采用Nano-2S90 zeta Sizer(Malvern，英国）测量。SV30采用采用标准法测量［32］，将处理后的污泥倒入布克纳漏斗，在0.06MPa的真空压力下过滤30分钟，记录不同时间收集的滤液体积，SRF通过公式：

计算。

其中P为过滤压力（N/m2）,A为过滤面积（m2），mu;为滤液粘度（Ns/m2），omega;为每体积滤液沉积的饼状固体质量（kg/m3）；b为式子（t/V=bV a）的速率，为过滤时间，t为过滤体积（m3）。

为了验证CSiAFS的絮凝机理，将100mL的二次污泥pH调整为7.0。接下来，加入30mgCSiAFS，在250rpm混合一分钟，50rpm下混合5分钟。然后静置25分钟。在混合和絮凝的过程中，在倒置显微镜（OLYMPUS CX31，日本）下观察不同时间的絮凝体的形态特征。

3.结果与讨论

3.1CSiAFS的表征

3.1.1傅里叶变换红外光谱分析

NS和CSiAFS的红外光谱图如图1所示。3441.38cm-1的NS和3419.56cm-1CSiAFS的特征峰与羟基一致，但CSiAFS的产生削弱了原氢键与羟基相连得水合酮的结合。形成了更为稳定的O-HO···O氢键。结果表明，CSiAFS的吸收峰转移到了较低的频率。在2927.22cm-1的NS和3099.82cm-1的CSiAFS处的吸收峰对应于葡萄糖单元C-H键的伸缩振动。这些键靠近C-O-H，并受O-H键的影响。与水合氢形成一个弱稳定性的氢键。因此，CSiAFS的吸收峰明显向更高频率移动。吸收峰为1645.39cm-1的NS和1652.37cm-1的CSiAFS，分别对应羟基的伸缩振动和吸收峰。1379.53cm-1的NS和1384.27cm-1的CSiAFS对应于淀粉分子的C-O键伸缩振动。这些峰的存在证明了CSiAFS具有淀粉碳链结构。

吸收峰为1144.77cm-1的CSiAFS对应Si-O的拉伸振动。在944.95cm-1处的吸收峰对应于Al-OH-Al的旋转振动，Fe-OH-Fe的旋转振动在851.78cm-1和859.47cm-1处出现吸收峰。在670.81cm-1和417.10cm-1处的吸收峰是由于Fe-O-H的旋转振动引起的，这是Fe和羟基的显著特征。622.84cm-1的CSiAFS处的吸收峰对应于Al-O-H在水合氢上的旋转振动。这些数据都证实了天然淀粉成功与铁、铝、硅接枝。

图3.NS和CSiAFS的热重分析和微熵热重分析

3.1.2 X射线衍射分析

NS和CSiAFS的XRD图谱如图2所示。天然淀粉的光谱图中出现2theta;=14.70°，16.73°，17.72°和22.64°，结晶度为38.4％。但在相同的衍射角度下，CSiAFS的衍射峰完全消失，在2theta;=20.88°，22.28°和24.30°出现了新的锐锋。在此同时，CSiAFS的非晶形区域变得更广，和衍射峰在2theta;=20.88°与铝和硅相关，衍射峰在2theta;=22.28°与三价铁和硅有关，衍生峰在2theta;=24.30°与三价铁有关，CSiAFS在光谱图中的结晶度为21.3%，几乎是NS的一半。很明显，淀粉分子间的分子间力在接枝反应中，链和氢键被削弱，导致结晶能力下降。

图4.NS和CSiAFS的扫描电子显微镜图像（a）-和（b）-NS；（c）-和（d）-CSiAFS

3.1.3热性能

如图3所示，NS和CSiAFS在TGA曲线上都有三个失重阶段。同样，失重阶段是从室温的120℃（NS）和150℃（CSiAFS）来自水的损失，在260-350℃（NS）和150-500℃（CSiAFS）对应于表面羟基分裂，在350-480℃（NS）和700-720℃（CSiAFS）对应于主要淀粉链和关键粘附剂的破裂，后两个失重对应为主要的失重阶段。同时，NS和CSIAFS在DTG曲线上有两个较大的吸热峰，对应着失重的两种状态。320℃(NS)和155℃（CSiAFS）的吸热峰是由于表面羟基分裂引起的。一开始，CSiAFS的失水速率比NS快，这说明合成的CSiAFS提高了孔隙率使水分更容易去除，在475℃（NS）和715℃（CSiAFS）时达到吸热峰，代表了后一种失热状态，其对应了淀粉主链和接枝键的断裂。在失重后期，CSiAFS的减重率比NS低说明了CSiAFS具有较高的稳定性。最后，CSiAFS的TGA曲线在约800℃的时候趋于稳定，比NS对应点高约300℃说明CSiAFS具有更高的热稳定性，CsiAFS的残余重量为36.0%，分别对应于硅化二氧化物、氧化铝和氧化铁的0.22%、34.32%和1.46%。由此可以确

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