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用改性凹凸棒石處理造紙廢液的研究 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2013-08-18 20:35:22 瀏覽次數: |
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(中國礦業大學,北京/石鈺, 熊余, 劉月, 魯光輝, 鄭水林)1引言
當前,造紙工業發展迅速,造紙產生的工業廢水已經成為污染水環境的重要來源之一。造紙生產中的廢水所含污染物十分復雜,故處理難度大。目前造紙廢水的處理方法主要分為:生物法、電化學法、物理化學法、濕式催化氧化法、光催化氧化法、超臨界水氧化法等六種方法。在眾多的廢水處理方法中,絮凝沉降法由于具有投資少、設備簡單、停留時間短等特點,應用比較廣泛。
凹凸棒石是一種含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物,比表面積大, 化學穩定性好, 吸附能力強。本實驗通過對凹凸棒石進行改性處理后將其作為絮凝劑用于造紙廢水的處理,探討了不同制備工藝條件對其吸附性能的影響規律。
2 實驗
2.1 實驗原料和試劑
凹凸棒石黏土:取自江蘇省盱眙,比表面積為166.9m2/g,主要化學成分SiO2為55.99%,Al2O3為11.76%,Fe2O3為7.38%,MgO為8.05%。
廢液:取自湖南雪麗造紙廠,為草類纖維造紙所生成,其主要指標為:COD含量為1468.7mg/L,pH值為9.15,濁度為190,色度為365,SS為187mg/L。
硫酸、鹽酸、六偏磷酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨,均為化學純試劑。
2.2 儀器與設備
SX3-10-14快速升溫電阻爐,湘潭市儀器儀表有限公司;2XZ-0.5型旋片式真空泵,北京中興偉業儀器有限公司;DZKW-4型電子恒溫水浴鍋,北京中興偉業儀器有限公司;JB300-D型強力電動攪拌器,上海標本模型廠;PHS-25酸度計,上海轉速表廠;QE-100高速中藥粉碎機,武義縣屹立工具有限公司;101A-3型數顯電熱鼓風干燥箱,上海圣欣科學儀器有限公司;KQ218超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;JW-BK靜態氮吸附比表面孔徑測定儀,北京精微高博科技有限公司;JA2003電子天平,上海精科天平。
2.3 改性凹凸棒石的制備
2.3.1 預處理
將凹凸棒石原土研磨篩分,于200℃煅燒4h,用去離子水浸泡24h后洗滌數遍至洗滌水澄清,烘干備用。
2.3.2 提純
凹凸棒石原土于500℃下在馬弗爐中煅燒3 h,洗滌烘干備用。
稱取經煅燒后的凹凸棒石,按固液比1:10,加入濃度為70%的硫酸,在70℃下振蕩2h,過濾,用蒸餾水洗滌至中性,真空抽濾并烘干,即得到經酸提純處理的精凹凸棒石黏土。
2.3.3 有機改性
將精凹凸棒石黏土加入適量分散劑六偏磷酸鈉,經超聲波處理,離心分離后制得納米顆粒。將超細顆粒配置成濃度為10%溶液,加入適量改性劑十六烷基三甲基溴化銨,在70℃,攪拌速度為1000 r/min下反應2 h,將反應物用離心機離心, 棄去上層清液,烘干產品,制得改性凹凸棒石。
2.4 檢測方法
COD檢測:采用酸性高錳酸鉀法,在酸性條件下向被測水樣中定量加入高錳酸鉀溶液,加熱水樣,使高錳酸鉀與水樣中有機污染物充分反應,過量的高錳酸鉀用一定量的草酸鈉還原,最后用高錳酸鉀溶液返滴過量的草酸鈉,由此計算水樣的耗氧量。
SS去除率:用0.45 m濾膜過濾水樣,留在濾料上并于103-105℃烘至恒重的固體,經103~1050C烘干后得到SS含量。
色度去除率:色度是指含在水中的溶解性的物質或膠狀物質所呈現的類黃色乃至黃褐色的程度。用氯鉑酸鉀和氯化鈷配制顏色標準溶液,與被測樣品進行日視比較,以測定樣品的顏色強度,即色度。
3 結果與討論
凹凸棒石有機改性中主要影響因素為:凹凸棒石的質量分數、改性劑加入量、反應溫度、攪拌速度以及反應時間。為深入研究這些因素對改性效果的影響,設計正交試驗進行考察,結果發現各因素影響程度順序依為次為:加入的絮凝劑與濾液的固液比>反應PH值>反應時間>反應溫度>攪拌速度。由此確定優化的工藝條件為加入的絮凝劑與濾液的固液比值為1:10,反應溫度50℃,攪拌速度500 r/min,反應時間2 h,反應pH值為9。
3.1固液比對處理效果的影響
圖1~圖3所示為在pH值為9,反應溫度50℃,攪拌速度500 r/min,反應時間為2 h的條件下,固液比對COD的去除率、SS去除率以及色度去除率的影響。
圖1 固液比對造紙濾液COD去除率的影響
由圖1可以看出,固液比在1:8之前,濾液中COD的去除率基本保持不變,而隨著固液比減少,COD的去除率呈現明顯下降,因此固液比為1:8 時,COD去除率最佳。
圖2 固液比對造紙濾液SS去除率的影響
由圖2可以看出,SS去除率隨著固液比比值的減小而下降,當比值小于1:8以后,其下降趨勢明顯增大。因此,當固液比值為1:8時,濾液中的SS去除率達到99.51%,基本除去了懸浮雜質,相對與固液比為1:6,其COD去除率更高,兩種情況下SS去除率基本相同,因此固液比為1:8為優化值。
圖3固液比對造紙濾液色度去除率的影響
由圖3可以看出,當固液比值在1:8~1:6之間時,有機凹凸棒土很好的去除了造紙濾液中的雜質,使得其色度去除率達到99%,達到清澈透明。因此,最佳的固液比應該介于兩者之間。
綜合以上結果得出最佳的固液比為1:8。
3.2 pH對處理效果的影響
圖4~圖6所示為在絮凝劑與濾液的固液比為1:8,反應溫度50℃,攪拌速度500 r/min,反應時間為2 h的條件下,反應pH值對COD的去除率、SS去除率及色度去除率的影響。
圖4 pH值對造紙濾液COD去除率的影響
由圖4可以看出,當pH大于8.5時,COD去除率隨著pH的增加而減小,并且減小的速率很快。而當pH在7.5至8.5之間時, COD去除率基本保持穩定,有機改性凹凸棒石處理造紙濾液的適宜pH值范圍為7.5至8.5之間。
圖5 pH值對造紙濾液SS去除率的影響
由圖5可以看出,當溶液pH大于8.5時,SS去除率逐漸呈現出下降趨勢。而當pH值在7.5~8.5之間,其基本保持平穩狀態,當pH值為8時,SS去除率達到最大值。
圖6 pH值對造紙濾液色度去除率的影響
由圖6可以看出,當pH大于8時,色度去除率隨著PH值的增加而呈現出明顯的下降趨勢。而pH在7.5與8之間時,SS去除率基本保持穩定。當pH為8時,濾液色度去除率最大。
綜合以上結果得出最佳pH值為8。
3.3吸附機理分析
凹凸棒石比表面積大,吸附能力強,帶有結構電荷以及表面電荷,因此對于造紙濾液的去除主要為外表面的膠體以及離子交換吸附。
通過對凹凸棒石煅燒和硫酸處理,增強了離子交換性能,表面積增大。加入陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨改性凹凸棒石,使其表面電性變為正,使得其疏水性減小,分散性能增大,從而對造紙濾液的處理效果增加。此外,使得凹凸棒土晶體內被插入了長碳鏈,凹凸棒土的晶體間間距被撐開,增強了對雜質的去除。由此可見,十六烷基三甲基溴化銨對于凹凸棒土進行的有機改性是通過電性中和,離子交換及其吸附架橋兩者機理結合而完成的。
4結論
(1)凹凸棒石本身具有很強的吸附能力,通過對其煅燒、酸處理、有機改性后提高了凹凸棒石的吸附能力。
(2)最佳試驗條件為加入的絮凝劑與濾液的固液比為1:8,反應溫度50℃,攪拌速度500 r/min,反應時間2 h,反應pH為8。處理后廢水COD的去除率為89.96%,SS去除率99.67%,以及色度去除率99.31%。
(廈門非金屬礦加工與應用技術交流會,發表于中國粉體技術雜志)
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