新型复合混凝剂BS的制备及其应用
陆雪梅,陈雷,赵浩,徐炎华
(南京工业大学城市建设与安全环境学院,江苏南京210009)
摘要:以工业固体废物为原料,研制出集物理吸附和化学混凝为一体的新型复合混凝剂BS;研究了混凝剂BS对染料废水的脱色效果;分析了混凝剂BS处理印染废水的影响因素,并探讨印染废水的混凝沉降机理。结果表明,在pH值6~12下,混凝剂BS具有良好的混凝效果,其对染料废水的最佳脱色区间为pH值6~8和11~12。与传统混凝剂相比,混凝剂BS的脱色率和COD去除率均有所提高,且使废水的处理成本显著降低。
关键词:染整;废水处理;脱色;混凝剂;制备;应用
Preparation and application of a novel composite coagulantBS
LU Xue-me,i CHEN Le,i ZHAO Hao, XU Yan-hua
(College ofUrban Construction and Safety& EnvironmentalEngineering,Nanjing University ofTechnology, Nanjing210009, China)
Abstract:A new kind of complex coagulant BS made from solid waste, owning the capabilities of physical adsorption and chem icalcoagulation, was prepared fordyestuffwastewater treatm ent. Factors exerting influence on decoloration and coagulation were investigated, and the m echanism of coagulation was studied. Results indicated that coagulant BS had a good effect within wide scope of pH value6~12, especially at6~8and11~12. Compared with other traditionalcoagulants, its removalefficiencies ofCOD and chromawere superior. In addition, the cost of dye stuff wastewater treatment with BS was reduced remarkably.
Key words:dyeing and finishing; wastewater treatment; decolour; coagulant; preparation; apply
0前言
印染废水主要含有染料、浆料、染色助剂、纤维杂质、无机酸、碱等,具有排放量大、组分复杂、污染严重、难降解等特点,是我国主要有害工业废水之一[1]。目前常用的处理方法主要有中和法、氧化法、吸附法、混凝法和生物法等。其中,混凝法以其适应性强、操作简
单和基建投资低等优点,而被广泛采用。
混凝法处理印染废水是基于传统的胶体混凝脱稳理论,即通过压缩双电层、电中和、吸附架桥和网捕沉降的机理,除去染料大分子物质。这种方法较易去除在溶液中以胶体或悬浮态存在的疏水性染料,而对于在水溶液中以分子、离子状态存在的亲水性染料,去除效果不佳[2]。因此,结合染料分子结构,通过对混凝剂作用机理的深入研究,研制开发价廉、高效、低毒、广谱的复合混凝剂,成为目前混凝技术发展的主要方向之一[1]。
混凝剂BS是一种新型复合混凝剂(南京工业大学环境工程研究所自制)。它以工业固体废物为原料,通过浸取稀酸并添加适量无机助剂而制得。此混凝剂含有多种有效组分,利用多组分的协同作用,专用于处理以印染废水为主的工业废水。与传统混凝剂相比,其对COD和色度的去除率均有所提高。该混凝剂的突出优点是制备工艺简单,混凝沉降速度快,在达到同样处理效果时,每吨废水处理费用明显低于其它同类混凝剂,并且对亲水性染料的去除效果良好。由于其原料成本低廉,属于以废治废,因此具有良好的环境效益和经济效益,可以广泛推广应用。
1试验
1.1试剂与设备
试剂 工业固体废物(南京某厂)、印染废水(南通某印染厂)、酸性红B、活性红KE23B、分散红紫P2R、直接枣红GB、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、氢氧化钙粉末, (以上均为工业品)。
仪器 722型分光光度计, PHSJ-4A型酸度计,HJ-5型多功能磁力搅拌器,比色管。
1.2印染模拟废水的配制
试验用废水为南通某印染厂产生的两类不同性质的生产废水W1和W2,其水质指标见表1。
模拟废水分别采用酸性红B、活性红KE-3B、分散红紫P-R和直接枣红GB纯染料配制,以排除实际水样中其它组分对脱色效果的干扰,浓度均为50 mg/L。
1. 3混凝剂BS的制备
将取自南京某厂的工业固体废物,烘干研磨成试验所需的粉末状,主要组分及含量如表2。
将浓酸稀释到所需浓度,然后取适量,在缓慢搅拌的状态下,将其加入到定量的粉末状废渣中,反应一段时间后,再添加其它的复配无机助剂,继续搅拌一段时间后,冷却至常温,放置6~8h,使废渣里的有效组分充分释放出来,即得到试验用混凝剂BS。其外观为淡黄褐色悬浊液, pH值4~5,相对密度1.4,镁盐浓度为1.65mol/L,铁盐浓度为1.24 mol/L。
1.4脱色试验
室温(22~24℃)下,在250mL烧杯中加入100mL模拟废水,然后加入一定量的复合混凝剂BS,用氢氧化钙粉末调节pH值,控制搅拌器转速为300r/min,搅拌30~60s,使混凝剂快速均匀地分散到废水中,再调节转速为50r/min,搅拌5~6min后,静置沉降30min,过滤。用722型分光光度计,在各染料的最大吸收波长处检测滤液吸光度A,以纯净蒸馏水作参比。按下式计算脱色率:
式中:A1———脱色前的模拟废水;
A2———脱色后的模拟废水。
1.5混凝试验
混凝试验操作步骤同1. 4,待搅拌后的混凝液静置沉降一段时间后,取上层澄清液分别测定其色度和COD值。
1.6水质分析
脱色试验色度 最大吸收波长分光光度法;
混凝试验色度 稀释倍数法;
COD值 重铬酸钾标准回流法。
2结果与讨论
2.1混凝剂BS的脱色效果
2.1.1pH值对混凝剂BS脱色效果的影响
水样pH值对染料分子的结构有一定的影响,且pH值不同,染料的吸光度也不同。测定不同pH值下水样处理前后的吸光度,结果如表3所示。
由表3可知,混凝剂BS对试验所选染料具有较宽的脱色区,且具有两个较佳的脱色区间: pH值6~8和11~12。pH值6~8时,对分散染料和直接染料的去除效果较好; pH值11~12时,对不同类型的染料废水都有明显的脱色效果。其原因可能是,混凝剂BS中含有Mg2+、Fe3+以及少量的Fe2+和Al3+等多种具有混凝作用的金属离子,不同金属离子在不同的pH值下产生不同的水解形态,其混凝脱色机理也不同。因此,对不同类型染料废水的脱色能力不一样,由于它们相互之间的协同作用,弥补了单一金属混凝剂pH值适用范围窄的缺陷。因其主要组分是Mg2+和Fe3+离子,因此产生了两个最佳的pH值脱色范围。
2.1.2混凝剂BS的投加量对脱色效果的影响
控制水样的pH值为11~12,测试混凝剂BS的投加量对模拟废水脱色效果的影响,结果如图1所示。
由图1可知,脱色率随混凝剂BS投加量的增加而增大。相对于活性染料和酸性染料来说,混凝剂BS对分散染料和直接染料的去除效果更佳。当混凝剂BS投加量为1 g/L时,分散染料和直接染料的脱色率可达到95%左右,而活性染料和酸性染料由于投加量不足,表现出较低的脱色率,分别为79. 2%和88. 4%;混凝剂BS投加量为1. 8 g/L时,各种染料的脱色率均达到95%以上,分散染料和直接染料的脱色率接近100%,可见混凝剂BS具有良好的脱色效果。若再增加混凝剂BS投加量,脱色率变化不大。这可能是因为混凝剂的混凝沉淀作用首先要有吸附架桥机会。当混凝剂投加过量时,虽然增加了多核金属络离子的数量,但架桥作用所必需的粒子表面吸附活性点减少,架桥变得困难,导致处理效果改善不明显[3]。
2.2混凝剂BS对实际印染废水的处理效果
混凝剂BS处理印染废水包括螯合、凝聚和吸附等一系列过程,影响处理效果的因素较多。试验研究了pH值、混凝剂BS投加量和沉降时间对实际印染废水处理效果的影响,并与常用的无机混凝剂进行了对比。
2.2.1不同混凝剂对印染废水处理效果的对比
分别以印染废水W1、W2为试验水样,采用BS、聚合氯化铝和聚合氯化铁为混凝剂,进行混凝实验,其最佳反应条件以及反应结果如表4所示
由表4可见,对含疏水性染料的生产废水W1,三种混凝剂均有较高的脱色率和COD去除率;而对含活性染料的生产废水W2,聚合氯化铁和聚合氯化铝的处理效果明显劣于混凝剂BS。推测其原因,活性染料母体上含有较多的—SO3H、—COOH和—OH等基团,易与混凝剂BS中所含的镁离子生成络合物[4],然后通过聚硅酸大分子的吸附架桥作用从水中分离,获得明显的去除效果[5,6]。而聚合氯化铝和聚合氯化铁主要起混凝的作用,所以对活性染料的去除效果较混凝剂BS差。
2.2.2不同混凝剂混凝沉降速度对比
按混凝沉降试验方法,以表4中的最佳反应条件,在1000mL生产废水W1中分别加入不同的混凝剂,然后倒入1 L的量筒中,测量沉降不同时间时上层澄清液的高度H(mm),结果如图2所示;沉降40min后液/固比如表5所示。
由图2和表5可见,混凝剂BS沉降速度最快,40min可完全沉淀,其沉渣所占体积最小。这主要是
因为混凝剂BS中含有较多的废渣,由于废渣的吸附作用,使络合物和高分子聚合物吸附在其周围,形成较大的悬浮体,当停止搅拌时,包含有废渣颗粒的悬浮体由于质量较大,能迅速沉降,因而提高了混凝的速度。
2.2.3不同混凝剂处理成本的对比
用这三种混凝剂处理印染废水W1和W2,以表4中的参数控制各自的最佳反应条件进行混凝沉淀,处理成本如图3所示。
由表4和图3可见,采用工业固体废物制成的混凝剂BS用于印染废水处理时,在达到较好处理效果的同时,能够大大降低水处理的药剂消耗费用,减少废水处理成本,这对废水排量大的印染厂具有重要的现实意义。
3混凝剂BS混凝沉降机理的探讨
混凝剂BS是由固体废物通过稀酸浸取,并添加适量无机助剂而制得的复合型无机混凝剂,其主要组分为Mg2+、Fe3+以及聚硅酸大分子,还含有少量的Al3+、Fe2+和Ca2+。BS混凝剂除了对疏水性染料有优异的去除效果外,对亲水性染料也有良好的去除效果,其脱色、去除COD性能均优于传统的铝盐、铁盐混凝剂。
BS混凝剂的混凝脱色机理主要有以下四方面:
(1)混凝剂BS中含有大量的Mg2+,加入氢氧化钙粉末后,经水解反应生成氢氧化镁絮体。氢氧化镁具有强烈的吸附作用,对疏水或亲水性染料废水的脱色效果都比较好,染料分子中的—COOH、—SO3H、—NH2、—OH等阴离子基团容易作为氢氧化镁表面的吸附作用点而被吸附除去。因吸附是将整个染料分子去除,除色度去除率高外,COD去除率也很高。镁盐的最佳混凝pH值为11.5左右,而混凝剂BS中含有较多的Fe3+,则其共沉淀作用最佳pH值降至11左右。
(2)混凝剂BS中含有大量的Fe3+和少量的Al3+,因具有高价的正电荷,能有效降低或消除废水中悬浮颗粒的ξ电位,使其脱稳而聚集沉降。这些离子的复盐水解,可形成复杂的多核络合物[6, 7],随着缩聚反应的不断进行,利于废水中悬浮的胶体杂质脱稳凝聚。
(3)固体废物用酸浸泡后,废渣结构发生了显著的变化,如图4所示。
由图4可见,废渣经过酸浸泡后,其颗粒外表有许多不规则的凸起和孔洞,表面或微孔内变得更加粗糙,比表面积显著增大,这相当于表面被活化。活化后的废渣对有机物和染料有很好的吸附能力。
为验证此机理,将混凝剂BS过滤,取其滤渣烘干,再将干燥的渣粉水洗、过滤继续烘干,反复3次,以除去其中的镁盐和铁盐等组分。最后用干燥的渣粉处理印染废水W1,在试验确定的最佳反应条件下, COD去除率为43. 6%,脱色率高达75%左右;而未经酸浸的工业固体废物在最佳反应条件下,COD去除率10%以下,脱色率20%以下。
同时,废渣的吸附作用也加快了胶粒凝聚后的沉降速度。
(4)混凝剂BS含有聚硅酸大分子,且Mg2+、Fe3+和Al3+水解生成聚合物,具有较强的吸附架桥和捕捉能力,能使难溶化合物及细小颗粒从水中分离出来,更加强化了吸附和混凝沉降过程。
因此,混凝剂BS综合了镁盐、铁盐、活性固体组分和聚硅酸等有效组分,集吸附和混凝为一体,在混凝过程中起到了协同作用,对疏水性或亲水性染料废水都具有良好的处理效果。处理亲水性染料废水时,主要是氢氧化镁的吸附作用而脱色,因此处理亲水性染料废水比处理疏水性染料废水需要消耗更多的混凝剂BS,这可由表4中看出。
4结论
(1)组分分析及试验结果表明,混凝剂BS为多组分无机混合物,主要混凝组分为Mg2+、Fe3+和Al3+等无机电解质。经酸处理后,废渣颗粒表面和微孔内变得更加粗糙,有利于对废水中杂质的吸附。因此,它综合了镁、铁、铝和活性固体组分的有效组分,具有物理吸附和化学混凝的双重作用,且各组分之间有一定的协同作用,混凝效果优于传统的无机混凝剂。
(2)混凝剂BS对疏水性和亲水性染料废水都具有良好的混凝脱色效果,混凝剂BS的最佳脱色区间为pH值6~8以及11~12。在最佳反应条件下,混凝脱色率可达95%以上,COD去除率为85%左右。
(3)混凝剂BS的制备工艺简单,其原料来源为工业固体废物,以废治废,且成本低,处理效果好,沉降速度快,是处理印染废水的一种有效途径,具有较好的环境效益和经济效益。
(4)本技术成果现已申报国家发明专利,专利号为CN200510094055. 4。
参考文献:
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