聚丙烯酸酯基高分子螯合絮凝剂的合成及其性能研究

摘要

重金属离子及其化合物毒性强，进入自然环境后无法自净和降解，且通过食物链富集可直接进入人体。因此，重金属废水是对环境污染严重、对人类健康危害巨大的工业废水之一，重金属废水的治理势在必行。在已开发的重金属废水处理方法中，螯合沉淀法以其简单、有效且处理成本较低，获得了广泛应用。高效、价廉的重金属螯合絮凝剂的研究开发是提高重金属废水处理效果的关键。本文基于丙烯酸易于聚合而氨基二硫代甲酸基具有强螯合重金属的能力，设计并合成了聚丙烯酸酯基高分子螯合絮凝剂（PACPF），考察了 PACPF螯合、絮凝性能，并将其应用于电镀废水的处理。
　　先以甲基丙烯酸甲酯（MMA）和乙醇胺(EOA)进行酯交换反应得到甲基丙烯酸氨基乙酯(AEMA)，AEMA均聚后在碱性条件下与 CS2发生黄原酸化反应生成目标产物PACPF。酯交换反应的最佳条件为：n(MMA)∶n(EOA)=2.0:1，催化剂氢氧化钙1.5 g，阻聚剂吩噻嗪0.3 g，反应温度和时间分别为80℃和4 h；均聚反应的最佳条件为：m（APS）：m（AEMA）=1∶100，通氮排氧30 min后在60℃条件下反应4 h；黄原酸化反应最佳条件为：n(PAEMA)∶n(NaOH)∶n(CS2)=1：1.05：1.2，反应温度和时间分别为30℃和4 h。合成产物PACPF采用IR、1H NMR和元素分析对其分子结构进行表征。
　　以模拟重金属废水为处理对象，考察了 PACPF投加量、pH值对去除效果的影响以及螯合物沉渣的稳定性和溶出性，并采用酸浸方式对沉渣中重金属离子进行回收。结果表明：PACPF在较宽的 pH值范围内不仅能有效地去除游离态重金属离子，对络合态和带浊度的重金属离子也具有良好的去除效果，残余重金属离子浓度达到国家污水综合排放一级标准（GB8978-1996）；PACPF对不同重金属离子的选择性顺序为 Cu2+＞Pb2+＞Cd2+＞Zn2+，生成的螯合物沉渣具有良好的化学稳定性，在自然堆积条件下不易产生二次污染，但通过酸浸方式能够回收大部分重金属。
　　以电镀废水为处理对象，废水 COD浓度为901.76 mg/L，Cu2+浓度为102.08 mg/L，Ni2+浓度为55.38 mg/L，考察了PACPF投加量、pH值对去除效果的影响以及螯合物沉渣的稳定性，并采用酸浸方式对沉渣中重金属离子进行回收。结果表明：单独使用PACPF和Al2(SO4)3都只能部分去除镀铜废水的Cu2+、Ni2+和COD，将PACPF和Al2(SO4)3配合使用后Cu2+、Ni2+和COD的残余浓度均能达到国家国家电镀污染物排放标准（GB21900-2008）。在中性或弱碱性条件下，当PACPF投加量达到7.5 g/L，此时Al2(SO4)3投加量为150 mg/L，Cu2+、Ni2+和COD的去除率分别为99.52％、99.61%和96.45%，处理后出水残余浓度分别降至0.49 mg/L、0.216 mg/L和32.25 mg/L。PACPF和Al2(SO4)3配合使用时不但沉降性能良好，残渣亦具有良好的稳定性，同样能够通过酸浸方式回收大部分重金属。
　　总而言之，PACPF是一种简单、高效、性能优良的重金属高分子螯合絮凝剂，不仅具有良好的社会与经济效益，而且具有广阔的应用前景。

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第一章 绪论

1.1 日益严峻的水资源环境

1.2 中国水资源现状

1.3重金属废水的来源及危害

1.4重金属污染状况

1.5 重金属废水的处理方法

1.6重金属螯合絮凝剂的研究进展

1.7 本课题研究的主要意义和内容

第二章PACPF的合成与表征

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 PACPF的螯合絮凝性能

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4本章小结

第四章PACPF在电镀废水中的应用

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

附录