淀粉-AM-DADMAC接技共聚物的微波合成与絮凝应用

摘要

我国是焦化生产大国,每年约有2.85亿吨焦化废水外排,环境危害触目惊心。焦化废水的低成本高效治理是一个世界性的难题。目前,国内焦化厂废水需经三级处理才能达标。三级处理的方法主要有吸附法、氧化法、膜分离法、混凝沉淀法等。其中,混凝沉降法是目前应用较广泛、较经济、较高效的水处理技术。聚丙烯酰胺系列的有机絮凝剂主打产品,絮凝效果良好,然而价格却让人望而却步。淀粉是一种环境友好、资源丰富的可再生资源,同时也是一种用途广泛的化工原料,在造纸、纺织、食品加工及胶黏剂生产等行业的低廉应用实属可惜。利用淀粉开发高附加值的绿色化工材料是目前和未来主要的发展方向之一。天然高聚物基絮凝剂被称为“21世纪的绿色絮凝剂”,或可望为焦化废水的处理开辟一条绿色之道。本文旨在针对焦化废水的特点,为之研发一种专属性的絮凝剂。
　　 微波辐射具有加热快、能效高、选择强、放大易等诸多优点。微波反应器被微波加热有机合成的先驱之一A.K.Bose誉为“21世纪的本生灯”。较之常规加热方法,微波可加速化学反应速率10～1000倍。近年来,通过微波能量加热和驱动化学反应是科学界日益流行的主题之一,关于微波辅助聚合的报道更是如雨后春笋。该领域的蓬勃发展启发了本文的研究,即采用微波辅助法合成一种淀粉接枝二元共聚物。
　　 先分别利用水浴加热和微波加热对原淀粉进行糊化处理。采用光学显微镜、扫描电镜、菲林反应、红外光谱、Zeta电势等测试手段,分析了它们与原淀粉在结构和性质上的异同。在水溶剂体系中,在空氛和回流的条件下,以微波糊化淀粉为接枝骨架,AM和DADMAC为接枝单体,加入微量的KPS作为引发剂,在微波作用下完成了接枝共聚反应(反应体积为80 mL)。以接枝效率为主要优化指标,通过单因素实验得出最佳的接枝条件为:微波辐照时间150 s、微波辐照功率500 W、KPS浓度2 mmol/L、干基淀粉质量1g、AM的浓度0.9 mol/L、DADMAC的浓度0.1 mol/L。在此条件下所得接枝产物的接枝效率为68.8％,阳离子度为0.227 mmol/g,特性黏度为5.64 dL/g,重均分子量为2.15×106Da。采用扫描电镜、电子能谱、元素分析、X射线衍射和红外光谱分析等手段对原淀粉和接枝产物进行了表征,证明了淀粉接枝了AM和DADMAC两种单体。
　　 将接枝效率最高(68.6%)的淀粉接枝共聚物作为高分子絮凝剂处理焦化废水。对于CODCr=450.4 mg/L、色度=640°、浊度=240 NTU的焦化废水原水,投加1.5 g/L PFS、2.5 mg/L接枝淀粉和60 mg/L CTAB,经一次絮凝处理后,废水的CODCr=122.5 mg/L、色度=89.6°、浊度=19.2 NTU,达到了国家二级排放标准(GB13456-92钢铁工业水污染物排放标准)。与目前企业所用的CPAM相比,合成絮凝剂对焦化废水CODCr、色度的去除效果更佳。