具有捕集重金属功能的高分子絮凝剂CSAX的制备与性能研究

论文摘要

本文以玉米淀粉为基体,首先在弱碱性条件下,用环氧氯丙烷（EPI）作交联剂与玉米淀粉作用生成交联淀粉（CSt）,然后在弱酸性条件下,以硝酸铈铵（CAN）为引发剂、丙烯酰胺（AM）为单体,合成交联淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物（CSA）,最后此接枝共聚物和二硫化碳在碱性条件下磺化生成具有捕集重金属功能的高分子絮凝剂-----交联淀粉-聚丙烯酰胺-黄原酸酯（Crosslinked Starch-graft-polyAcrylamide-co-sodium Xanthate,简称CSAX）。用FTIR光谱、元素分析、电子扫描电镜以及X射线能量色散谱仪等对CSt、CSA、CSAX进行了表征。并讨论了环氧氯丙烷的用量,硝酸铈铵的剂量,NaOH和二硫化碳的重量百分比、温度、时间等合成条件对产品性能的影响。因为在CSAX分子中同时含有聚丙烯酰胺侧链和黄原酸基,所以CSAX具有同时除浊和捕集重金属离子双重功能。通过实验室配水和实际生产废水的絮凝实验,证明CSAX具有良好的絮凝功能,为重金属废水的治理提供了一种新的方法,开辟了一剂多用的途径,可望减少水处理的单元数,或者降低处理负荷和成本,使重金属离子的处理变的简单易行。论文的实验研究主要包括以下六部分内容：一)研究了交联淀粉的制备条件对CSAX性能的影响。实验证明最佳合成条件为：玉米淀粉50 g,1% （w/v） NaCl溶液75 mL,15% （w/v） NaOH溶液20 mL,环氧氯丙烷4 mL,反应时间8 h,反应温度30℃,获得交联淀粉的沉降积为45 mL。二)研究了交联淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物的制备条件及对CSAX性能的影响。实验证明最佳合成条件为：交联淀粉40 g/L,丙烯酰胺的浓度为0.939 mol/L,硝酸铈铵的浓度为6.67×10-4mol/L,反应时间3 h,反应温度45℃,此时CSA的接枝率和接枝效率均较高,分别为86.6%和72.7%,侧链的分子量可达2.64×107。三)研究了交联淀粉-聚丙烯酰胺-黄原酸酯的制备条件及对CSAX性能的影响。实验证明在催化剂NaOH浓度为3 mol/L,交联淀粉-丙烯酰胺接枝聚合物浓度为50 g/L, CS2浓度为1.6mol/L,反应温度为30℃,反应时间为3h的条件下,产品CSAX中的硫含量较高,为7.41%。四)研究了CSAX絮凝性能。在实验中分别用CSAX处理了含铜、铬、镍、汞以及多种金属离子的实验室配水和兰州综合电镀厂的生产废水。实验结果表明在实验室配水条件下,无论是水样含一种金属离子还是多种金属离子,CSAX对其都有较好的去除能力。用CSAX处理兰州综合电镀厂的生产废水,其表现为对重金属离子Cu2+、Pb2+、Cd2+有较高的去除能力,但对Cr（Ⅵ）、Ni2+、Zn2+的去除不显著。五)对CSAX形成絮体形态的研究表明,絮体的表面和内部具有高度不规则性,絮体的形成过程具有分形特征。通过实验研究絮体的特性和分形维数之间的关系,分析了絮体的分形特征,在原水浊度为100 NTU, pH值为5.0,Cu2+的浓度为25mg/L, CSAX的投加量为30mg/L的条件下,CSAX的絮凝效果最好,形成絮体的分形维数为2.0。证明可以通过监测絮体的分形维数来监控絮凝过程。六)探讨了CSAX的稳定性和技术经济。表明CSAX在低温、避光的条件下,存放稳定性较好,基本不会影响对废水的处理效果；另外,CSAX的生产成本低,处理废水时操作简单,处理效果好,可产生较好的社会效益和经济效益。

论文目录

• 攻读学位期间的研究成果
• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 课题研究的内容
• 1.3 拟解决的关键问题
• 1.4 创新点
• 第2章 文献综述
• 2.1 重金属废水的来源及危害
• 2.1.1 重金属废水的来源
• 2.1.2 重金属废水的危害
• 2.1.3 重金属废水的排放标准
• 2.2 重金属废水处理的现状
• 2.2.1 重金属废水处理的方法
• 2.2.2 重金属废水化学法处理存在的问题
• 2.3 絮凝理论及絮凝剂
• 2.3.1 无机盐及无机高分子絮凝剂
• 2.3.2 有机高分子絮凝剂
• 2.4 配位理论及高分子金属络合剂
• 2.4.1 价键理论
• 2.4.2 软硬酸碱理论
• 2.4.3 电负性理论
• 2.4.4 高分子金属络合剂
• 第3章 交联淀粉-聚丙烯酰胺-黄原酸酯的制备
• 3.1 实验材料和试剂
• 3.2 实验仪器和装置
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 实验装置
• 3.3 制备方法
• 3.3.1 交联淀粉的制备
• 3.3.2 交联淀粉聚丙烯酰胺接枝共聚物的制备
• 3.3.3 交联淀粉-聚丙烯酰胺-黄原酸酯的制备
• 3.4 性能测试方法
• 3.4.1 絮凝实验
• 3.4.2 交联度的测定
• 3.4.3 聚丙烯酰胺侧链分子量的测定
• 3.4.4 激光光散射法测定CSAX的分子量
• 3.4.5 CSAX的Zeta电位和粒度测定
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 表征
• 2/H₂O₂和CAN引发体系的对比'>3.5.2 CS₂/H₂O₂和CAN引发体系的对比
• 3.5.3 EPI的用量对淀粉的交联及絮凝效果的影响
• 3.5.4 CAN用量对共聚物及絮凝效果的影响
• 3.5.5 丙烯酰胺的浓度对共聚物及絮凝效果的影响
• 3.5.6 反应温度对共聚物及絮凝效果的影响
• 3.5.7 反应时间对共聚物及絮凝效果的影响
• 3.5.8 NaOH用量对黄原酸化反应和絮凝效果的影响
• 2用量对黄原酸化反应和絮凝效果的影响'>3.5.9 CS₂用量对黄原酸化反应和絮凝效果的影响
• 3.5.10 温度对黄原酸化反应和絮凝效果的影响
• 3.5.11 时间对黄原酸化反应和絮凝效果的影响
• 3.5.12 CSAX的稳定性
• 3.6 小结
• 第4章 CSAX的性能研究
• 4.1 CSAX对水溶液中铜和浊度的絮凝去除效果
• 4.1.1 实验
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.1.3 小结
• 4.2 CSAX对水溶液中铬和浊度的絮凝去除效果
• 4.2.1 实验
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 CSAX对水溶液中镍和浊度的絮凝去除效果
• 4.3.1 实验
• 4.3.2 结果和讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 CSAX对水溶液中汞和浊度的絮凝去除效果
• 4.4.1 实验
• 4.4.2 结果及讨论
• 4.4.3 小结
• 4.5 CSAX对水溶液中铜、镍、铬和浊度的絮凝去除效果
• 4.5.1 实验
• 4.5.2 结果与讨论
• 4.5.3 小结
• 4.6 CSAX对水溶液中多种金属离子和浊度的絮凝去除效果
• 4.6.1 实验
• 4.6.2 结果与讨论
• 4.6.3 小结
• 第5章 CSAX对实际废水处理的应用
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验试剂与材料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 镀铜废水
• 5.3.2 镀铬废水
• 5.3.3 综合电镀废水
• 5.4 小结
• 第6章 CSAX絮体形态的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 实验试剂、材料
• 6.2.2 实验方法
• 6.2.3 分形维数的确定
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 不同CSAX剂量下絮体分形结构的特性
• 6.3.2 原水pH值不同时絮体分形结构的特性
• 6.3.3 原水浊度不同时絮体分形结构的特性
• 2+浓度不同时絮体分形结构的特性'>6.3.4 原水Cu²⁺浓度不同时絮体分形结构的特性
• 6.4 小结
• 第7章 技术经济分析
• 7.1 技术分析
• 7.2 经济分析
• 7.2.1 产品原材料
• 7.2.2 运行费用分析
• 第8章 研究结论与展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 展望
• 8.2.1 国内外同类产品的发展现状
• 8.2.2 发展方向
• 致谢
• 参考文献