聚二烯丙基二甲基氯化铵的合成及其在水处理中的应用

摘要

论文研究了复合型混凝剂PDADMAC在水处理领域中的应用。首选采用统计学田口方法设计出PDADMAC的制备路线，以期获得优化的合成条件。通过方差分析分析(ANOVA)，研究了合成条件对浊度去除率的影响。其次采用混凝试验，以余浊和化学需氧量（COD）的去除率为指标，对PDADMAC的混凝性能进行了评价。研究结果表明：PDADMAC的优化合成条件是温度50℃，引发剂用量0.20g，去离子水用量10 mL和合成时间8h。方差分析结果显示，PDADMAC除浊能力最显著的影响因素是合成温度，其次是引发剂用量，合成时间和去离子水用量。采用田口方法研究了合成温度，引发剂用量，去离子水用量和合成时间对产品粘度的影响，研究结果表明当合成温度，引发剂用量，去离子水用量和合成时间分别是60℃,0.15g,10mL and 5 h时，产品粘度达到最佳。方差分析结果表明合成温度是产品粘度最显著的影响因素，其次是引发剂用量，合成时间和去离子水用量。
　　混凝的优化条件为：投加量为12mg/L，生活污水pH值为9，快速搅拌速度为300rpm以及沉淀时间120min。在优化的混凝剂投加量条件下，浊度和COD去除率分别达到86.56和57.64％。其中污水的浊度从70.9NTU下降到9.53NTU，而COD从288mg/L下降到122mg/L。但是在优化的废水初始pH条件下，浊度和COD去除率分别为91.06%和57.47%。在优化的混凝剂投加量条件下，COD值为从初始的174mg/L下降到74mg/L，而浊度从106NTU下降到9.45NTU，且浊度和COD的去除效率分别为90.71%和76.54%。此时，浊度下降到9.15NTU而COD下降到42mg/L，胶体的zeta电位值小于零(-4.97mV),因此电中和机理在混凝过程中起着重要的作用，但是它并不是PDADMAC唯一的混凝机理。
　　论文研究了PFS与新型复合絮凝剂PFPD1,PFPD2和PFPD3。通过响应曲面（RSM）法研究了不同混凝剂投加量和污水初始pH值对污水浊度和COD去除的影响，从而获得能够达到最佳COD去除效果的混凝剂投加量和废水初始pH值。结果表明观测值与预测值相吻合。
　　通过模型对各种混凝剂进行除浊效果的预测。研究结果表明：当PFS投加量为390mg/L与pH为7.7时，浊度去除率达到98.2%；当PFPD1投加量为430mg/L，pH值为7.96,浊度去除率预测值为98.1%。PFPD2的最佳混凝条件为投加量320 mg/L和pH为7.24，浊度去除率预测值为96.75%；采用PFPD3，模型预测的浊度去除率为90.5%，此时混凝剂投加量为390mg/L与pH值为7.28。
　　通过模型研究了混凝剂对废水COD的去除率效果。研究结果表明：PFS投加量为390mg/L,废水初始pH为7.32时，COD去除率能够达到66.9%;PFPD1投加量为384 mg/L和废水初始pH值为8.13时，66.2%的COD将会被除去；当投加量为450mg/L且废水初始pH值为8.14，PFPD2对COD去除有69.4%的预测效果；模型预测表明：当PFPD3投加量为390mg/L与废水初始pH值为7.49时，废水COD的去除率达到67.6%.
　　采用浊度与COD作为模型的响应值拟合模型，研究结果表明PFS投加量为388mg/L与废水初始pH值为7.6时，浊度和COD的去除率预测值分别为98.1%和66.8%；采用PFPD1，当投加量为384mg/L和废水初始pH值为7.75时，浊度和COD的预测效率分别为97.8%和65.8%；采用PFPD2，混凝剂投加量为444mg/L和废水初始pH值8.05时，浊度和COD的预测效率分别为93.65%和69.05%；在PFPD3投加量390mg/L与废水初始pH值7.48条件下，浊度和COD的预测效率分别为90.5%与67.6%。模拟结果表明，混凝剂除浊性能大小比较为：PFS>PFPD1>PFPD2>PFPD3；而COD去除率的性能大小比较则为PFPD2>PFPD3>PFS>PFPD1。
　　在优化的预测条件下，实验结果表明：采用PFS，浊度从67.3NTU降低至2.66NTU,而COD值从200mg/L降低到65mg/L；采用PFPD1，浊度从74.0NTU降低至2.70NTU,而COD值从194mg/L降低到65.2mg/L;但是，采用PFPD2，废水的浊度从70.4降低到5.25NTU，而COD从192mg/L降低至60.9mg/L；最后，采用PFPD3进行混凝试验，浊度从初始的63.1NTU降低到6.10NTU,而废水COD含量从199mg/L降低至63.8mg/L。实验结果证明了RSM方法适合于优化混凝过程。
　　论文还研究了复合混凝剂PFPD1与PFPD2的制备以及用于微污染水源水的处理，同时与PFS进行了比较。采用响应曲面法设计和观察在不同混凝剂投加量与污染水初始pH条件下，浊度和TOC的去除效果。此外，预测了达到最低余浊和TOC值时所需的混凝剂投加量和废水初始pH值。实验结果表明模型预测值和观察值基本一致。
　　通过模型对余浊进行预测分析。研究结果表明当PFS投加量为200mg/L与污染水初始pH为8.13时，浊度从初始8.01NTU降低至0.924NTU；采用PFPD1，当投加量为140mg/L与污染水初始pH为7.52时，浊度从初始的8.01NTU降低至0.907NTU;而采用PFPD2，在投加量为100mg/L与污染水初始pH为7.34时，浊度从初始14.4NTU去除至1.08NTU。
　　通过模型对TOC进行预测分析，研究结果表明当PFS投加量为200mg/L与污染水初始pH为7.98时，TOC预测值从初始3.17mg/L降低至2.03mg/L；采用PFPD1，当投加量为180mg/L与污染水初始pH为7.97时，浊度从初始3.17mg/L去除至1.83mg/L;而采用PFPD2，在投加量为140mg/L与污染水初始pH为7.94时，浊度从初始2.53mg/L去除至1.51mg/L。
　　通过余浊模拟，结果表明各种混凝剂混凝性能大小比较为：PFS>PFPD1>PFPD2；而通过TOC模拟，结果表明各种混凝剂混凝性能大小比较：PFPD2>PFPD1>PFS。实验验证了RSM模型预测值与观测值一致，证明了该模型适用于混凝过程的优化。

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CHAPTER 1 Introduction

1.1 Background

1.2 Impurities in water/wastewater

1.3 Physical-chemical treatment

1.4 Polyelectrolytes

1.5 Coagulants/flocculants

1.6 Objectives and Motivation

1.7 Thesis Organization

CHAPTER 2 Literature Review

2.1 Introduction

2.2 Colloidal stability of wastewater particles

2.3 Coagulation/Flocculation Mechanism

2.4 Coagulants/Flocculants

2.5 Conclusions

CHAPTER 3 Materials and methods

3.1 Introduction

3.2 Methods

3.3 Materials

3.4 Experimental Design and Data Analysis

CHAPTER 4 Synthesis and Application of PDADMAC in Treating Municipal Wastewater

4.1 Introduction

4.2 Results and Discussion

4.3 Conclusions

CHAPTER 5 Optimizing Coagulation-flocculation Process for Treating Wastewater Using PFS-PDADMAC Composite Coagulant

5.1 Introduction

5.2 Results and Discussion

5.3 Conclusions

CHAPTER 6 Optimizing Coagulation-flocculation Process for Treatment of Micro-polluted Surface Water Using Response Surface Methodology \(RSM\)

6.1 Introduction

6.2 Results and Discussion

6.3 Conclusions

CHAPTER 7 Conclusions and Recommendations

7.1 Conclusions

7.2 Recommendations

致谢

参考文献

List of Publications