壳聚糖混凝效果的实验研究

邝钜炽1，张军2
（1.佛山科学技术学院化学与化工系，广东佛山528000；2.佛山市石湾东建陶瓷厂，广州佛山528000）

　　摘　要：本文通过对壳聚糖（CH）与聚丙烯酸胺（PAM）在pH值、加入量对混凝效果影响、对难沉降粒子聚沉能力等方面进行的对比实验，得出结论：壳聚糖的除浊能力大于PAM，最适宜的pH范围为4－7，其优良的混凝性能是由于其独特的聚阳离子结构。
　　关键词：混凝剂；壳聚糖；聚丙烯酸胺；聚合氯化铝
　　中图分类号：X792
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2001）02－0008－03

　Experimental Study on Coagulation Effect of Chitin
KUANG Ju-chi, ZHANG Jun
(l. Department of Chemistry, Foshan University, Foshan 5280(X), China; 2. Shwan Dongjian Ceramic Factory Of Foshan, Foshan 528000, China)

　　Ahstract: Experiments were made for comparison between chitin(CH) and Polyacrylamide (PAM ) on effects Of their pH values and added quantity upon the result Of flocculation and their flocculating abilities to particles which are hardly sedimentary. The conclusions are: the nocculating abiIity of chitin(cH) is better than that of polyacrylamide (PAM), the most suitable range of pH vluse is 4--7 and the good flocculating Performance results from its unique cationic Polymerization structure.
　　Key words: flocculant; chitin; polyacrylamide; Polyaluminum chloride

　　在饮用水、工业废水和生活污水处理中，大量应用无机混凝剂，其主要是Ml₂（SO₄、聚合氯化铝（PAC）、FeCl₃、聚合硫酸铁PFS等。90年代后，相继出现了多种复合型混凝剂^[1-3]；然而国内对天然环保型混凝剂一壳聚糖^[4-5]型混凝剂的研究与应用明显不足。本文通过实验对比，表明壳聚糖作为阳离子型混凝剂有良好混凝作用，性能优于上述传统混凝剂；且壳聚糖的原料一甲壳素是地球上第二大再生资源，仅海洋生物的生成量就达10×10⁹t以上。它无毒无害，可完全生物降解，其聚沉污泥可作肥料，是少有的环保型高效废水处理剂。

1 实验部分

1.1 实验仪器与药品
　　主要仪器：DBJ－621定时变速搅拌器，PHS－2型酸度计，722型分光光度计，DXD-1型电泳仪。
　　实验用药品：壳聚糖（CH）、阴离子型聚丙烯 酸胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）均为分析纯。试验用水采用蒙脱土、高岭土、河底淤泥配制。
1.2 混凝效果评价方法
　　取已经干燥恒重并准确称取的实验泥粉（蒙脱土、天然粘泥和高岭土等）1g放入1升的烧杯中，加蒸馏水至1000 mL，然后搅拌均匀，配成实验水样。实验时，取500 mL水样，调好pH值后加入一定量的混凝剂，充分搅拌 7min，静置10min，取上清液在722型分光光度计上测透光率T％。透光率实质是残余浊度的表征，从而可用来评定混凝效果，T％值越大，说明混凝性能越佳。
1.3 溶液ζ电位的测定
　　根据混凝实验方法，在实验水样中逐次按不同起始浓度C加入相应的混凝剂，搅拌均匀后取部分试液在DXD－1型电泳仪上测定电动电位ζ，并考察-dζ/dc之变化。

2 实验结果及讨论

2.1 混凝剂加入量对混凝效果的影响
　　取1000mg/L蒙脱土悬浮液若干份，依次加入不同份量的CH或PAM，观察其混凝效果。结果如图1所示。

　　蒙脱土是一种比高岭土更难混凝沉降的物质，从上图对蒙脱土悬浊液的混凝对比实验可见，CH≥0.07mg/L即可达到 80％的混凝沉降效果，而PAM用量到0.3mg/L后也一直处于不到40％的水平。
2.2 混凝剂作用效果随酸度的变化
　　在1000mg/L蒙脱上悬浮液中调节水样的pH值，以试验酸度对CH（0.1mg/L）、PAM（3mg/L）混凝效果的影响，结果见图2。

　　由图2可看出，在pH≤8.6的情况下，壳聚糖表现出很好的不依赖体系酸度的优越性。由此看来，壳聚精是非反应性阳离子聚合物，因而在很强的酸性环境，仍能保持很好的混凝作用；而大多数阳离子合成高聚物是依赖处理液的PH发生变化，形成阳电荷才能起作用；因而应用具有局限性。大多数阴离子高聚物在酸性环境电性被中和而失去作用，故随pH的波动均较大，混凝沉降对pH的适应能力远不及壳聚糖。
　　当然，pH≥9时CH的阳电荷被OH-中和而混凝能力急剧下降也应充分注意。其最佳作用范围应为pH＝4－7。
2.3 混凝剂对难沉降粒子作用效能的比较
　　实验所用河底淤泥（相当于陶瓷厂排放水中最难处理物质）是无机、有机混合物，在水中以胶体微粒为主，所以最难混凝沉降。图3实验结果表明，CH的混凝作用受悬浮粒子浓度变化的影响较小，其投加量少，余浊度低，混凝沉降快速。反观阴离子型聚丙烯酰胺PAM，淤泥浓度大于450mg/L则产生絮凝恶化现象，导致T％急剧降低。

2.4 混凝剂聚沉动力学因素——－dζ/dC
　　在500mg/L高岭上悬浮液中按不同起始浓度分别加人CH、PAC，测定溶液的ζ电位，结果如图4所示。

　　由此可知，在未加人CH时ζ电位由高岭上悬浊液的pH值决定，实验在pH＝6下测定约为-35mV左右。加入CH，溶液|ζ|值迅速降低，到ZndL时已降至零（此浓度后ζ电位因CH的电性而变正，并没有对高岭土的沉降造成负影响；而加入PAC至4mg/L溶液ζ电位几乎完全未受影响，此后|ζ|值才随加入量增大而缓缓减小，但最小也只能达7.5mV。可见PAC聚沉能力不及CH的重要原因在于其一dζ/dC远比后者平缓。
2.5 壳聚糖的混凝机理
　　CH表现的优越混凝性能，主要得益于其阳离子型混凝剂可同时发挥电中和凝聚及粘结架桥絮凝的作用，即高分子链上的阳离子活性基团与带负电荷的高岭土等粘土类胶体微粒相吸引，降低及中和了胶体微粒的表面电荷（|ζ|降低），同时压缩了胶体微粒扩散层而使胶体微粒凝聚脱稳，并借助于高分子链的粘结架桥作用而产生絮凝沉降。常用的阴离子型聚丙烯酰胺仅依靠分子链上的阴离子活性基团与胶体微粒表面间通过范德华力和氢键的粘结作用进行粘结架桥。实验结果表明，壳聚糖具有近似于强阳离子型高分子混凝剂的除浊效果。也就是说，它具有电中和凝聚及粘连架桥絮凝的双重作用，是一种重要的阳离子型高分子混凝剂。
　　有意义的是，壳聚糖从离解角度看是弱聚电解质，但却具有强离子型聚电解质的高效混凝除浊效果，这是由它特殊的聚精胺结构所致。

3 结论

　　①壳聚精除浊能力远优于传统的聚丙烯酰胺和聚合氯化铝混凝剂，当最难以聚沉的河底淤泥浓度＞400mg/L、PAM几乎丧失除浊能力时，CH仍能达到相当的混凝效果。
　　②CH是非反应性聚电解质，对溶液酸性的容许范围远大于PAM。
　　③CH表现的优越混凝性能，主要得益于其特殊聚阳离子结构：既可发挥电中和（令|ζ|有效降低）凝聚效力，压缩胶体微粒扩散层而使粘土类胶体微粒凝聚脱稳，同时又可借助于高分子链的粘结架桥作用而产生絮凝沉降。
　　④应以—dζ/dC代替传统的△ζ作为衡量聚沉能力的依据。这样做，更科学更合理。

参考文献：

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　　作者简介：邝钜炽（1954－），男，助理研究员，华南理工大学在职硕士研究生，已获多项校、市科技论文、成果奖，主持并承担的广东省高教系统“水处理技术（简称）”项目日前在省成果鉴定会获颇高评价。