亚麻废纱纤维素基絮凝材料的制备及其功能化改性研究

摘要

纺织废料大多作为废弃物进行填埋或焚烧处理，引发的环境污染问题日益受到关注，亟需提高其资源化回收利用的程度。在工业废水处理领域，混凝沉淀是主要的首段工序，其中絮凝剂的质量和成本是影响其运行效率的最关键因素。天然来源的生物基絮凝剂与传统的化学合成类絮凝剂（如聚丙烯酰胺，PAM）相比，具有原料丰富、环境友好等显著特性，随着研发技术的进步和生产成本的降低，用其替代或部分替代化学合成类絮凝剂已成为可能。亚麻废纱是一种纺织废料，鉴于其高纤维素含量的特点，可考虑将其经过简单预处理，制备环境友好的生物基絮凝材料，应用于工业废水处理的混凝沉淀工段，有望降低混凝成本、提高混凝效率，减少混凝污泥二次环境污染，同时实现亚麻废纱的资源化利用。 为此，本论文以亚麻废纱纤维素为基础原料，优化制备了亚麻废纱纤维素基絮凝材料(FC-g-PAM)、疏水亚麻废纱纤维素基絮凝材料(FC-g-PAM-g-TMPS)和两性疏水亚麻废纱纤维素基絮凝材料(CFC-g-PAM-g-TMPS)，对其表观形貌和化学结构进行了分析与表征;将得到的3种絮凝材料分别用于印染、造纸和机械加工废水的混凝沉淀处理，对其应用性能进行了测试与评价;初步分析了3种絮凝材料对水体中负电性污染物的混/絮凝机理，具体研究内容及其结论如下: 1.亚麻废纱纤维素基絮凝材料制备及其混凝性能研究 为部分替代商业PAM，提升絮凝材料的絮凝效率和环境友好性，以亚麻废纱中提取的纤维素(FC)为基础原料，采用正交试验优化制备了FC-g-PAM。以经过FC-g-PAM混凝处理的模拟废水上清液浊度为衡量指标，确定了其最优制备工艺:反应温度80℃、过硫酸铵用量0.30 g/g、 PAM用量0.25 g/g、 FC浓度6％; FC-g-PAM接枝率52％、取代度1.61;模拟废水浊度去除率98.8％;90d生物降解率68.5％，降解性能明显优于商业PAM;将FC-g-PAM用于印染、造纸和机械加工废水的混凝处理，结果表明FC-g-PAM对3类典型工业废水的混凝效果显著且优于商业PAM;分析FC-g-PAM混凝处理高岭土悬浊液过程，初步发现FC-g-PAM在混凝水体中负电性污染物时，混凝机理主要表现为电中和和粘结架桥，同时具有网捕卷扫作用。 2.亚麻废纱纤维素基絮凝材料疏水改性制备及其混凝性能研究 为减少工业废水混凝污泥含水率，降低其压滤能耗，利用丙基三甲氧基硅烷(TMPS)对FC-g-PAM进行了疏水改性。采用正交试验优化制备了FC-g-PAM-g-TMPS，以经过FC-g-PAM-g-TMPS混凝处理的模拟废水上清液浊度为衡量指标，确定了其最优制备工艺:pH=9、TMPS用量0.80 g/g、反应温度80℃、反应时间10 h;FC-g-PAM-g-TMPS水接触角112°;模拟废水浊度去除率99.2％;将FC-g-PAM-g-TMPS用于印染、造纸和机械加工废水的混凝处理，结果表明FC-g-PAM-g-TMPS对3类典型工业废水的混凝效果良好，其产生混凝污泥的污泥沉降比(SV30)和污泥比阻(SRF)明显下降;将FC-g-PAM-g-TMPS应用于机械加工废水的工厂放大混凝处理，结果表明经FC-g-PAM-g-TMPS混凝产生的污泥量和所需板框压滤机能耗较PAM混凝处理分别下降22.9％和16.7％，混凝污泥减量和压滤能耗降低效果显著;分析FC-g-PAM-g-TMPS混凝处理高岭土悬浊液过程，初步发现FC-g-PAM-g-TMPS在混凝水体中负电性污染物时，混凝机理主要表现为电中和和粘结架桥，同时具有网捕卷扫作用。 3.两性疏水亚麻废纱纤维素基絮凝材料制备及其絮凝性能研究 为减少混凝过程的助凝剂使用，降低混凝成本，减少污泥产生量，利用3-氯-2-羟丙基-三甲基氯化铵(CTA)对FC-g-PAM-g-TMPS进行了阳离子化改性。采用正交试验优化制备了CFC-g-PAM-g-TMPS，以经过CFC-g-PAM-g-TMPS絮凝处理的模拟废水上清液浊度为衡量指标，确定了其最优制备工艺:反应时间8h、反应温度70℃、NaOH浓度6％、搅拌速度100 r/min; CFC-g-PAM-g-TMPS在无助凝剂添加条件下模拟废水浊度去除率99.5％;将CFC-g-PAM-g-TMPS用于印染、造纸和机械加工废水的絮凝处理，结果表明在无助凝剂添加条件下CFC-g-PAM-g-TMPS对3类典型工业废水絮凝效果仍然与商业PAM、FC-g-PAM和FC-g-PAM-g-TMPS的混凝效果相当，实现了絮凝污泥进一步减量和运行成本的降低;分析CFC-g-PAM-g-TMPS絮凝处理高岭土悬浊液过程，初步发现CFC-g-PAM-g-TMPS在絮凝水体中负电性污染物时，絮凝机理主要表现为静电簇和粘结架桥，同时具有网捕卷扫作用。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1纺织废料的来源与处理

1．1．1纺织废料的来源

1．1．2纺织废料的处理

1．2工业废水的污染与处理方法

1．2．1物理法

1．2．2化学法

1．2．3生物法

1．3絮凝和絮凝机理

1．3．1电中和作用

1．3．2静电簇作用

1．3．3粘结架桥作用

1．3．4网捕卷扫作用

1．3．5其他絮凝机理

1．4絮凝剂的分类

1．4．1化学絮凝剂

1．4．2生物絮凝剂

1．4．3接枝絮凝剂

1．4．4絮凝剂的发展趋势

1．5本论文的研究思路和内容

2．1前言

2．2实验部分

2．2．1实验材料与仪器

2．2．2 FC-g-PAM优化制备

2．2．4 FC接枝率和取代度测定

2．2．5 FC-g-PAM红外光谱表征

2．2．8 FC-g-PAM X射线衍射光谱表征

2．2．9 FC-g-PAM热重分析测定

2．2．11 FC-g-PAM生物可降解性能测定

2．2．13 FC-g-PAM混凝机理初探

2．3结果与讨论

2．3．1 FC-g-PAM制备工艺

2．3．2 FC接枝率和取代度计算

2．3．3 FC-g-PAM红外光谱分析

2．3．4 FC-g-PAM场发射扫描电镜观测结果

2．3．5 FC-g-PAM元素分析

2．3．7 FC-g-PAM热重分析

2．3．8 FC-g-PAM Zeta电位分析

2．3．9 FC-g-PAM生物可降解性能评价

2．3．10 FC-g-PAM混凝工业废水性能评价

2．3．11混凝机理分析

2．4本章小结

第三章亚麻废纱纤维素基絮凝材料疏水改性及其混凝性能研究

3．1前言

3．2实验部分

3．2．2 FC-g-PAM疏水改性制备

3．2．3 FC-g-PAM-g-TMPS混凝模拟废水测定

3．2．4 FC-g-PAM-g-TMPS红外光谱表征

3．2．5 FC-g-PAM-g-TMPS场发射扫描电镜观测

3．2．8 FC-g-PAM-g-TMPS水接触角测试

3．2．10 FC-g-PAM-g-TMPS混凝机理初探

3．3结果与讨论

3．3．1 FC-g-PAM-g-TMPS制备工艺

3．3．2 FC-g-PAM-g-TMPS红外光谱分析

3．3．3 FC-g-PAM-g-TMPS场发射扫描电镜观测结果

3．3．4 FC-g-PAM-g-TMPS元素分析

3．3．5 FC-g-PAM-g-TMPS热重分析

3．3．6 FC-g-PAM-g-TMPS水接触角分析

3．3．7 FC-g-PAM-g-TMPS混凝工业废水性能评价

3．3．8 FC-g-PAM-g-TMPS混凝机理分析

3．4本章小结

第四章两性疏水亚麻废纱纤维素基絮凝材料制备及其絮凝性能研究

4．1前言

4．2实验部分

4．2．1实验材料与仪器

4．2．2 FC-g-PAM-g-TMPS阳离子化改性制备

4．2．3 CFC-g-PAM-g-TMPS絮凝模拟废水测定

4．2．4 CFC-g-PAM-g-TMPS红外光谱表征

4．2．7 CFC-g-PAM-g-TMPS热重分析测定

4．2．8 CFC-g-PAM-g-TMPS Zeta电位测定

4．2．9 CFC-g-PAM-g-TMPS絮凝工业废水性能测定

4．2．10 CFC-g-PAM-g-TMPS絮凝机理初探

4．3结果与分析

4．3．2 CFC-g-PAM-g-TMPS红外光谱分析

4．3．3 CFC-g-PAM-g-TMPS场发射扫描电镜观测结果

4．3．4 CFC-g-PAM-g-TMPS元素分析

4．3．5 CFC-g-PAM-g-TMPS热重分析

4．3．6 CFC-g-PAM-g-TMPS Zeta电位分析

4．3．7 CFC-g-PAM-g-TMPS絮凝工业废水性能评价

4．3．8 CFC-g-PAM-g-TMPS絮凝机理分析

4．4本章小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

附录

致谢