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技术知识

阳离子聚丙烯酰胺的溶解性研究

时间:2021-06-21 09:11:45点击:0

摘要:介绍阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)在污水处理设施中的应用现状,并通过实验研究探讨了溶解水温,搅拌速度,溶解助剂用量等对CPAM的溶解性的影响。结果表明,水温越高,搅拌速度越快,CPAM溶解速度越快,但能耗也越大,经乙醇润湿后的CPAM,其溶解性有一定的提高。通过实验结果总结出了较佳的溶解条件:溶解水温:30-50℃,搅拌速度200-300(r/min),乙醇用量控制在溶解水量的0.2%-0.4%。本实验研究结果对指导污水处理厂在冬季气温较低时,污泥脱水设施的工艺调整及技术改造,以降低药耗,控制污水处理成本具有较高的实用价值。

聚丙烯酰胺(PAM)是一种线型高分子聚合物,具有优良的增稠絮凝、沉降、过滤、增黏、助留、净化等多项功能,按离子特性分为非离子、阴离子、阳离子和两性离子型四种类型。其中阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)是由一种阳离子单元和丙烯酰胺非离子单元构成的共聚物,其分子链上带有可以电离的正电荷基团(一CONH2),在水中可以电离成聚阳离子和小的阴离子,能与分散于溶液中的悬浮粒子吸附和架桥,有着较强的絮凝作用。它在工业和农业中应用广泛,特别适用于城市污水、污泥及其他工业污泥的脱水处理。

在采用活性污泥工艺运行的污水处理设施中,由于其排出生物处理系统的剩余污泥有机物含量高,在后续脱水处理中一般选用阳离子有机高分子絮凝剂如阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)进行加药调理。CPAM在投加之前需要事先配制成一定浓度的水溶液。

然而,在污泥脱水系统实际运行过程中,往往冬季药耗会大幅增加。例如某污水处理厂2012年相对气温较高的4-10月污泥脱水CPAM平均药耗为6.6kg/t DS,而相对气温较低的其他月份平均药耗为8.5kg/t DS,后者相比前者高出28.8%。其主要原因是:CPAM受冬季低温影响溶解不完全,且低温对CPAM的絮凝效果有一定影响。因此,低温不仅会增加污泥脱水药耗,降低污泥脱水效率,还会大幅提高污水处理设施的运行成本。所以在冬季低温天气时,污泥脱水处理过程中实现CPAM的低耗利用已经显得十分迫切。

针对以上问题,拟从影响CPAM溶解性的因素如溶解温度、搅拌条件、溶解助剂用量等进行实验分析,总结在不影响CPAM药性前提下的较佳溶解条件。

1、试验部分

1.1 试验药品与仪器

本试验使用的药品、仪器及其型号规格如表1所示。

表1 药品、仪器名称及型号规格

名称 型号规格
无水乙醇 分析纯
数显恒温恒速多头磁力搅拌器 HJ-6B
万分之一电子天平 FA1004
水分快速测定仪 HB43-S
离心沉淀机 LXJ-Ⅱ
烧杯 250mL、500mL
量筒 250mL
洗耳球 中号、小号
移液管 15mL、2mL

1.2 试验方法

1.2.1 试验材料及污泥来源

本试验选用某污水处理厂脱水机房现用的阳离子聚丙烯酰胺干粉为研究对象。其基本特性如表2所示。

表2 现用CPAM基本特性

名称 阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)
型号 巴斯夫8185
外观 白色粉末状
离子度/% 80
分子量/万 1000
化学结构式 (CH2CHCONH2

本试验使用的污泥选用某污水处理厂重力浓缩和机械浓缩后的调节池污泥,其含水率在97.0%左右。

1.2.2 试验装置

本试验采用可调节式恒温恒速磁力搅拌方式对阳离子聚丙烯酰胺进行溶解试验。溶解装置主要由恒温恒速搅拌器、磁搅拌子、温度传感器、固定支架、烧杯等组成,如图1所示。

图1阳离子聚丙烯酰胺溶解装置

1.2.3 试验步骤

量取200mL水置于500mL烧杯中,加入磁搅拌子后放在数显恒温恒速多头磁力搅拌器上,开启搅拌,调节至预定转速(150-450r/min) ,并加热水温至预定温度(20-80℃) 后,称取0.4g CPAM干粉于500mL烧杯中,将加热恒温水连同搅拌子小心地徐徐倒人盛有CPAM的烧杯中,并将其放于试验装置上溶解。记录所需溶解时间,溶液为略显沉浊或较少量细微凝胶的黏稠溶液,即合格。另外,在做乙醇用量与溶解时间关系试验时,在盛有CPAM干粉的烧杯中预先加人一定量的无水乙醇进行润湿助溶,10min后再进行溶解。

CPAM溶解后,关闭数显恒温恒速多头磁力搅拌器。经溶解后的CPAM溶液需要“熟化"30min后才能使用。量取160mL污泥样于250mL烧杯中,然后用15mL的移液管移取12mL CPAM溶液加入250mL烧杯中(按5.0g/kg DS的投药量计算用药量),用玻璃棒均匀搅拌1min,搅拌速度60r/min,再用离心沉淀机离心10min后(转速2500r/min),滤去上清液,测量其污泥含水率。最后总结出在满足平稳的脱水效果的前提下,CPAM的较佳溶解条件,即较适宜的溶解温度、搅拌速度及助溶剂用量等。

1.2.4 分析方法

污泥含水率测定方法:水分快速测定仪。

2、结果与讨论

2.1 水温对CPAM溶解时间的影响

水温的高低直接影响CPAM的溶解速度。水温越高,其溶解速度越快,但水温过高CPAM的分子链结构可能会被破坏,会影响最终污泥脱水效果。CPAM在不同水温下溶解时间及污泥脱水含水率如表3所示,其中12℃是本试验进行时的自然水温。

表3 水温与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率关系表

序号 水温/℃ 溶解时间/min 含水率/%
1 12 171 86.1
2 20 84 86.9
3 30 64 86.2
4 40 55 86.5
5 50 46 86.1
6 60 34 86.2
7 70 30 85.1
8 80 28 84.2

根据表3的数据绘制出水温与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率关系曲线,如图2所示。

图2 水温与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率关系图

由图2可知随着水温升高,CPAM的溶解速度明显加快。水温从12℃上升到60℃,CPAM的溶解时间减少较迅速,而从60℃上升到80℃, CPAM的溶解时间减少较缓慢。

此外,使用水温更高的CPAM溶液,经脱水后的污泥含水率相对更低些,说明水温高,CPAM溶解得更充分。但总体上随着水温变化,脱水后污泥的含水率没有明显波动,可见溶解水温在80℃以下时对CPAM的分子结构破坏程度不明显。

2.2 搅拌速度对CPAM溶解时间的影响

搅拌的速度对CPAM的溶解速度影响较大。搅拌越快,其溶解速度越快,但是过快的搅拌速度产生的过强剪切力会造成CPAM的分子链发生断裂,从而影响最终污泥脱水效果。CPAM在不同搅拌速度下的溶解时间及污泥脱水含水率如表4所示。

表4 搅拌速度与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率关系表

序号 搅拌速度/(r·min-1 溶解时间/min 含水率/%
1 150 109 86.3
2 200 46 86.1
3 250 36 86.5
4 300 26 86.2
5 350 23 85.7
6 400 21 85.9
7 450 20 85.4

根据表4的数据绘制出搅拌速度与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率的关系曲线,如图3所示。

图3搅拌速度与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率关系图

由图3可知随着搅拌速度的加快,CPAM的溶解速度明显加快。搅拌速度从150r/min增加到300r/min,CPAM的溶解时间减少较迅速;从300r/min增加到450r/min,CPAM的溶解时间减少较缓慢。

此外,由图3可知,使用搅拌速度更快的CPAM溶液,脱水后的污泥含水率相对更低,说明搅拌速度快CPAM溶解得更充分。但总体上随着搅拌速度的改变,脱水后污泥的含水率没有明显波动,可见采用磁力搅拌条件,搅拌速度在450r/min以下时,对CPAM的分子结构破坏程度不明显,这可能是因为本试验选用的CPAM具有较高分子量,其制备的溶液会更耐剪切。

2.3 乙醇用量对CPAM溶解时间的影响

在水溶CPAM之前,使用醇类对CPAM干粉进行润湿一段时间,然后加水溶解,由于醇类等有机小分子物质除了对CPAM颗粒进行吸附、润湿、渗透等物理作用外,其对CPAM水化和氢键的形成还有一定作用,加人醇类等助溶剂可改善CPAM的溶解性。本试验采用无水乙醇作为溶解助剂,在称取的0.4g CPAM干粉中添加适量的乙醇,经过10min润湿后,再加人200mL水,并调整搅拌速度为200r/min,水温控制为50℃进行溶解试验。CPAM在不同乙醇用量时的溶解时间及污泥脱水含水率如表5可知。

表5 乙醇用量与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率关系表

序号 乙醇用量/% 溶解时间/min 含水率/%
1 0.0 46 86.3
2 0.2 41 85.3
3 0.4 40 87.5
4 0.6 42 87.7
5 0.8 41 86.7
6 1.0 42 84.4

根据表5的数据绘制出乙醇用量与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率的关系曲线,如图4所示。

图4 乙醇用量与CPAM溶解时间及污泥脱水含水率关系图

由图4可知乙醇用量为0.2%-0.4%的溶解水量时,溶解速度有所加快,而继续增加乙醇用量,溶解时间减少不明显,这可能是因为在一定条件下,醇类对CPAM水化和氢键等形成的促进作用已基本达到平衡。

因此,考虑到经济因素,本试验乙醇用量宜取水量的0.2%-0.4%。此时,CPAM的溶解速度相对较快,污泥脱水效果比较理想,而乙醇用量并不多。

3、结论

对于污水处理厂污泥脱水过程中使用的阳离子聚丙烯酰胺的溶解性,根据上述的研究结果,可以得出以下结论:

(1) CPAM溶解水温越高、搅拌速度越快,其溶解速度越快,但增加到一定程度后,溶解时间减少不明显,而此时能耗明显增加,因此,可确定一个适宜区间为:水温控制在30-50℃,搅拌速度宜取200-300r/min。

(2) 助溶剂乙醇的使用对于CPAM的溶解性具有一定效果。但乙醇用量控制在溶解水量的0.2%-0.4%时,其溶解速度加快明显,此后随着乙醇用量的增加,CPAM的溶解速度无明显加快,考虑到经济因素,乙醇用量宜取溶解水量的0.2%-0.4%。

(3)鉴于试验研究结果,污水处理厂在冬季运行时只需增加少量投资,添加一套可调温加热装置对CPAM溶解用水进行适当加热,并在低温天气时适当提高搅拌速度,且有条件情况下,在CPAM干粉加水溶解之前预先加人少量助溶剂润湿一段时间,就能有效提高CPAM溶解速度及溶解程度。因此,本试验结果对指导污水处理厂在冬季气温较低时,通过污泥脱水设施的工艺调整及技术改造,以降低药耗、控制污水处理成本具有较高的实用价值。