论文摘要
Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cr6+、As3+、Cu2+和Ni2+等重金属离子,由于微量即可产生显著毒性效应,不能被微生物降解,易在生物体内富集而使之中毒,因此,重金属废水是对环境污染最严重、对人类危害最大的工业废水之一。采用螯合沉淀法处理重金属废水,可使重金属离子生成难溶于水的螯合沉淀物直接分离除去,简化废水处理工艺、降低成本、提高絮凝效果。本研究设计并合成了一种新型两性高分子重金属螯合絮凝剂（ACPF）,系统考察了其螯合、絮凝性能,初步探讨了其螯合、絮凝作用机理,并对其生态安全性和实际应用性进行了研究。基于高分子螯合剂在螯合过程中存在空间位阻和空间不匹配而使部分螯合基不能与重金属离子螯合,导致絮体带有过剩负电荷,阻碍絮体的形成和进一步生长的问题,本研究将阳离子单体二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）引入到高分子链上以制备两性高分子螯合絮凝剂。先以DMDAAC和丙烯酰胺（AM）为原料合成系列阳离子度的聚（二甲基二烯丙基氯化铵-丙烯酰胺）[P（DM-AM）],再与甲醛（HCHO）在碱性条件下通过Mannich反应将三乙烯四胺（TETA）接在共聚物P（DM-AM）分子链上,然后与CS2和NaOH发生黄原酸化反应合成目标产物ACPF。Mannich反应最佳条件为:n（AM）∶n（HCHO）∶n（TETA）=1∶0.95∶1.05,pH=10.5,反应温度为45℃,加入甲醛反应30min,加入多胺反应2h。黄原酸化反应最佳条件为:n（CS2）∶n（TETA）=3.5∶1和n（NaOH）∶n（CS2）=1.1∶1,第一段反应温度和时间分别为55℃和4h,第二段反应为室温,反应时间为2h。通过对ACPF在模拟重金属废水处理中的应用研究发现,在较宽的pH值范围内,ACPF不仅能快速有效地去除游离重金属离子,还可以处理络合和带浊度的重金属废水,残余重金属离子浓度和剩余浊度均能达到国家污水综合排放一级标准（GB 8978-1996）;并考察了其絮凝沉降性能以及初步探讨了其螯合、絮凝作用机理。采用紫外光谱法研究了ACPF、ACPF-Cu、ACPF-Ni、ACPF-Pb和ACPF-Cd的紫外吸收特征,结果表明,ACPF分别在204.05nm、251.12nm和285.25nm三处各出现一最大吸收峰;而螯合物的最大吸收峰分别在紫外区的318.45nm、326.72nm、325.72nm和312.86nm处,与ACPF的比较,最大吸收峰均有显著红移;ACPF中-CSS-与Cu2+、Ni2+、Pb2+和Cd2+四种重金属离子生成2∶1型螯合物;四种重金属螯合物的稳定常数β分别为: 4.86×1011、2.54×1010、2.47×1011和2.25×1011 ,其稳定性顺序为:ACPF-Cu>ACPF-Pb>ACPF-Cd> ACPF-Ni。采用电子显微镜（EMS）、扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）等技术以及螯合沉淀物溶出实验,研究了四种螯合沉淀物的结构、表面成分组成和化学稳定性,研究表明,在水溶液中螯合沉淀物絮体呈疏松网状结构,干燥后呈形状不规则、表面不光滑的致密颗粒状;螯合沉淀物中S与Cu2+、Ni2+、Pb2+和Cd2+原子个数比和质量比与理论值比较接近;螯合沉淀物在中性和弱碱性条件下均有较好的稳定性,重金属离子溶出浓度均低于国家污水综合排放一级标准;通过混合细菌的生长抑制性急性毒性试验考察了ACPF的生态安全性表明ACPF不会对环境产生生物毒性,可以安全使用。将ACPF应用于HEDP预镀铜废水的处理,结果表明,单独使用ACPF或CaCl2均不能达标;将ACPF和CaCl2配合使用,处理水的COD和Cu2+指标均能达到国家电镀污染物排放标准（GB21900-2008）。HEDP预镀铜废水较适宜的处理条件为:中性和弱碱性,ACPF投加量为4.0g/L,CaCl2投加量为100mg/L,絮凝30min,废水COD和Cu2+去除率分别达98.26%和99.58%,残留浓度分别为24mg/L和0.185mg/L。总之,合成的两性高分子螯合絮凝剂ACPF是一种新型高效且生态安全性良好的重金属离子处理剂,在适宜条件下可有效地处理多种重金属废水,絮体沉降性能好,螯合沉淀物稳定性好,不会造成二次污染,因此,ACPF具有广阔的应用前景。