壳聚糖在污水处理中的应用研究_赵殿英

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第26卷第1期潍坊工程职业学院学报Vol.26No.1 2013年1月JOURNAL OF WEIFANG ENGINEERING VOCATIONAL COLLEGE Jan.2013

doi:10.3969/j.issn.1009-2080.2013.01.028

壳聚糖在污水处理中的应用研究

赵殿英

(潍坊职业学院,山东潍坊261041)

摘要:壳聚糖是一种天然无毒的高分子聚合物,本身及其改性产品都具有很好的絮凝性能,在污水处理方面具有重要作用。本文主要介绍了壳聚糖的絮凝原理及其在污水处理中的应用研究。

关键词:壳聚糖;絮凝原理;污水处理;应用研究

中图分类号:X703文献标志码:A文章编号:1009-2080(2013)01-0086-03

工农业生产的发展在给人类创造丰富财富的同时,也对环境造成了不同程度的危害,特别是水资源的污染问题,越来越受到人们的关注。对污水处理方面的研究,也显得越来越重要。目前污水处理的方法主要有物理法、化学法、物理化学法、生物法等,有些方法在处理污水的同时又造成了二次污染,有些方法投资大,不适于中小型企业。因此低成本、易降解、无二次污染的污水处理方法成为污水处理方面研究的热点、难点。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物,生产原料丰富,生产工艺简单,价格便宜,安全无毒,容易降解,对水中的污染成分絮凝效果好,不会造成二次污染,这些特点使壳聚糖及其改性产品被广泛应用于污水处理中。

1壳聚糖处理污水的原理

甲壳素广泛存在于蟹、虾的外壳中,属于天然高分子化合物,是多糖类,含量约为10% 30%,化学式为:(C6H11NO4)n,化学名称:聚-N-乙酰-D-葡糖胺,结构式如图1。

图1甲壳素结构式

在甲壳素中加入40% 60%浓碱液,加热到80ħ 120ħ数小时,脱去乙酰基即得到壳聚糖。壳聚糖化学名称为:(1,4)-2-氨基-2-脱氧-β

-D-葡萄糖,是一种白色半透明的片状固体,为线型分子,分子链中含有游离的羟基(-OH)和氨基(-NH

2

),其结构如图2。

图2壳聚糖结构图

从图2可以看出,壳聚糖分子中含有多个-NH2,能与水中的质子结合形成-NH+3而带正电荷,因此壳聚糖是阳离子型絮凝剂,可通过电中和作用中和水中带负电荷的胶体杂质、有机物质等表面的负电荷,使其脱稳凝聚而沉淀。同时壳聚糖分子中的羟基O 和氨基N上有孤对电子,与金属离子具有很好的配位螯合作用,可去除水中的一些金属离子,如Hg2+、Cd2+、Ni2+、Pb2+、Cu2+、Cr6+等。壳聚糖分子中的-

OH和-NH

2

还可以与蛋白质、氨基酸、核酸、脂肪酸、染料、卤素等形成氢键或共价键、配位键,吸附去除废水中的有机物。但由于壳聚糖只溶于稀酸和一些特定溶剂,限制了它的应用范围,因此对壳聚糖进行酰基化、烷基化、羧甲基化、硫酸酯化、接技、交联等处理,引入各种功能基团,得到其改性产品,不仅絮凝效果提高,也大大扩大了它的应用范围。

2壳聚糖在污水处理方面的应用研究

2.1在造纸废水处理方面

造纸行业产生的废水中含有大量的木质素、纤维

收稿日期:2013-01-17

作者简介:赵殿英(1965-),女,山东高密人,潍坊职业学院化学工程学院副教授。68

素、填料、胶料和色素等,呈可溶或悬浮状态。有害杂质很多,色度较大,化学耗氧量大,对环境污染非常严重。如何使造纸废水达到排放标准或再利用,一直是研究焦点。

石中亮等[1]研究了使用壳聚糖处理制浆造纸废水的效果,研究发现壳聚糖絮凝剂能有效地去除制浆造纸废水中的耗氧物质,废水中COD去除率可达65%以上,其最佳工艺条件是:pH为6.5 6.7,搅拌速率120r/min,絮凝时间为12h。同时还与无机絮凝剂硫酸铝进行了比较,结果表明壳聚糖絮凝剂的净水效果明显优于硫酸铝。若将壳聚糖与硫酸铝复配后处理制浆造纸废水,可使COD去除率达到82%以上。孙加龙等[2]用自制的未脱蛋白质的壳聚糖处理造纸废液,考察并比较了其对4种废液的固形物、无机物、有机物、COD的去除率。实验表明,壳聚糖对4种造纸废液的絮凝效果都比较好,尤其对中性亚钠法苇浆废液絮凝效果最佳。张亚静等[3]研究了利用壳聚糖的改性产品氯化三甲基壳聚糖季铵盐作絮凝剂处理造纸废水的效果。实验从废水的pH值、氯化三甲基壳聚糖季铵盐的浓度、搅拌时间、助凝剂方面研究了对氯化三甲基壳聚糖季铵盐絮凝效果的影响。研究结果表明,氯化三甲基壳聚糖季铵盐在废水pH值为8 13时,COD的去除效果最好,达到75%以上。这主要是由于废水中的胶体物在碱性下带负电荷,而氯化三甲基壳聚糖季铵盐为阳离子电解质,因而能相互凝聚成较大的颗粒沉降下来。氯化三甲基壳聚糖季铵盐的浓度也影响到絮凝效果,高浓度的絮凝效果好于低浓度,且在一定浓度范围内絮凝效果随浓度增加而增加。但浓度过高时絮凝效果反而下降,这主要是浓度过高时大量高分子会吸附在胶粒表面形成保护层,使胶粒的稳定性增加。搅拌速度和搅拌时间同样影响絮凝效果,适当地延长缓慢搅拌时间可以提高絮凝效果。助凝剂与壳聚糖季铵盐配合使用可提高絮凝效果,但要选择适宜的pH值。

2.2在印染废水处理方面

印染废水中含有染料、媒染剂、重金属离子等,成分复杂、COD高、色度大,这些有毒有害物质是重要的水域污染源。用传统的无机絮凝剂处理印染废水效果往往不理想,脱色率也较差,难以达到排放标准。壳聚糖及其改性产品对活性染料、酸性染料、媒染剂等具有很好的絮凝作用,能够通过静电作用、化学吸附或物理吸附使之凝聚而沉降。

林静雯等[4]研究了利用壳聚糖与丙烯酰胺接枝共聚物作为絮凝剂,处理印染废水,并与壳聚糖处理效果进行了比较。研究结果表明,壳聚糖接枝共聚物对印染废水的COD去除率和脱色率都明显好于壳聚糖。其最佳处理工艺条件是pH值为6 7,PAC浓度为400mg/L,壳聚糖接枝共聚物浓度为100mg·L-1时,印染废水的脱色率和COD去除率分别为95%和76%。这主要是壳聚糖接枝共聚物的分子量比壳聚

糖大,酰胺基比壳聚糖多,因而具有更强的吸附、架桥能力。袁毅骅等[5]用壳聚糖对印染废水进行絮凝脱色研究,结果表明,在印染废水的pH值为6.0、壳聚糖浓度为0.1%时,脱色率可达到90%。与无机高分子聚合物复配使用,脱色效果更好。刘秉涛等[6]用硅胶负载壳聚糖处理印染废水,实验表明:硅胶负载壳聚糖处理的印染废水脱色率可达61% 96%,不仅脱色效果好,而且可以避免壳聚糖在酸性条件下地流失。黄惠莉等[7]研究了羧甲基壳聚糖对水溶性染料溶液和印染废水的处理效果。结果表明,羧甲基壳聚糖对水溶性染料和印染废水都具有很好的脱色效果,其最佳处理条件是废水pH为6 7,温度为35ħ,羧甲基壳聚糖添加量为0.6g·L-1。

2.3在含重金属离子的废水处理方面

壳聚糖对许多金属离子具有螯合、离子交换和吸附作用,因而能有效地捕集废水中的金属离子,以去除废水中的有害金属离子。

张廷安等〔8〕用脱乙酰度为60.5%的壳聚糖与Na

2

SO

4

复配处理含镉废水,当pH值为8 9时,废水中镉的去除率达到99.95%以上。使用同样条件处理冶炼厂含镉废水,镉的去除率达到99.7%以上,处理后的水中铜、锌、铅的残留量均低于国家排放标准。杨明平等[9]研究了壳聚糖对废水中以Cr2O2-7、

CrO2-

4

形式存在的Cr6+的去除效果,研究表明壳聚糖对Cr6+具有很好的吸附能力。吸附的最佳工艺条件是pH值为3 4,废水中Cr6+离子浓度要小于60mg/L,作用时间为8 10小时,废水中Cr6+离子吸附率达98%以上。李琼等[9]考察了壳聚糖对含Pb 废水的吸附性能,研究结果显示,当废水pH值为5 6,含Pb浓度为l.0ˑ10-4mol/L时,加入0.4ml质量分数为0.8%的壳聚糖溶液并保持吸附时间为

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