纖維素/木質(zhì)素類改性污泥脫水劑

時(shí)間：2023-03-24 05:36:38來源：food欄目：食品快速檢測閱讀：

纖維素/木質(zhì)素類改性污泥脫水劑

[db:作者] / 2023-02-08 00:00

纖維素類的天然有機(jī)高分子絮凝劑主要包括纖維素衍生物類絮凝劑和木質(zhì)素類絮凝劑兩部分。纖維素來源于樹木、棉花、麻類植物和某些農(nóng)副產(chǎn)品，是自然界中資源豐富、價(jià)格低廉的可再生資源。歷史上，纖維素是高分子化學(xué)誕生和發(fā)展時(shí)期的主要研究對象。以后，隨著石油基化工產(chǎn)品和合成材料的涌現(xiàn)及發(fā)展，人們對纖維素研究的興趣逐漸淡化。然而，20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)和近年來石油化工原料價(jià)格的猛漲，以及對環(huán)境污染和健康等問題的重視，迫使人們把注意力重新集中到纖維素一世界上廣泛存在，價(jià)廉物豐的可再生資源上來，使曾一度受“冷落”的天然高分子出現(xiàn)了世界范圍的復(fù)興。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上每年經(jīng)光合作用生成的植物為5000億噸，可利用的植物資源約為2000億噸。木材和草木秸稈中含有大量纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等天然高分子物質(zhì)。它們具有生物降解性和可再生性，是理想的綠色環(huán)保材料。

纖維素改性產(chǎn)品主要是指纖維素分子鏈中的羥基與化合物發(fā)生酯化或醚化反應(yīng)后的生成物，包括纖維素醚類、纖維素酯類以及酯醚混合衍生類。此外還有纖維素的接枝共聚產(chǎn)物、季銨鹽醚化產(chǎn)物等。經(jīng)過改性后的纖維素，其功能的多樣性和應(yīng)用的廣泛性都得到了很大提高，并且纖維素功能材料所具有的環(huán)境協(xié)調(diào)性，使其成為目前材料研究中最為活躍的領(lǐng)域木質(zhì)素是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳香族天然高分子聚合物，具有三維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，含有多種功能基，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元之間的連接方式較多且位置不同，具有潛在的反應(yīng)性能和反應(yīng)點(diǎn)，因此對其進(jìn)行化學(xué)改性的潛力巨大。另一方面，作為地球上最豐富的可再生資源之一，木質(zhì)素與纖維素及半纖維素構(gòu)成植物的基本組成部分，據(jù)估計(jì)每年全世界由植物新合成的木質(zhì)素即達(dá)1500億噸，來源豐富，市場前景廣闊。

[制備方法]通過接枝共聚反應(yīng)在木質(zhì)素骨架上接上特定的官能團(tuán)是最常見的改性方法。如引入—CONH2、—CH2N(CH3)2、—N(CH3)3—、—OSO3CH3等官能團(tuán)，從而增加木質(zhì)素分子上的活性點(diǎn)，改善其絮凝脫水性能。

Meister和Patil等將具有較好吸附性能的—CONH2接枝在木質(zhì)素骨架上。他們的研究表明，在含有CaCl2和微量Ce4+的已光解二烷中，松木木質(zhì)素能與丙烯酰胺發(fā)生接枝共聚，引發(fā)體系為Ce4+過氧化物。在木質(zhì)素與烯類單體的接枝反應(yīng)中研究最多的是木質(zhì)素與丙烯酰胺的接枝反應(yīng)，所用的引發(fā)劑有鈰鹽、菲林試劑、高錳酸鉀、過硫酸鹽以及γ射線輻射等。

詹懷宇等通過對木素磺酸鈣與丙烯酰胺接枝共聚物的Mannich反應(yīng)制備了兩性絮凝脫水劑LSDC，用裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)證明了陽離子基團(tuán)的存在，并將LSDC應(yīng)用于生物活性污泥的絮凝脫水處理，取得了良好的效果。

制備方法為在三口燒瓶中加入一定量的木質(zhì)素磺酸鈣和水，攪拌溶解，升溫至50℃，通氮?dú)?min，加入配比量的過硫酸鉀及丙烯酰胺，保溫反應(yīng)，K2S2O8用量5mmol/L，丙烯酰胺用量1.4mol/L，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間2.5h。

將接枝共聚物溶液用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)至一定的pH值，加入甲醛在相應(yīng)溫度下羥甲基化反應(yīng)一定時(shí)間，再加入二甲胺在一定溫度下胺甲基化反應(yīng)一定時(shí)間，得到反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)條件優(yōu)化以反應(yīng)產(chǎn)物對250mg/L活性艷橙K-G染料的脫色效果為考察對象。

經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)確定較佳反應(yīng)條件為醛胺摩爾比1：1，羥甲基化反應(yīng)溫度50℃，羥甲基化反應(yīng)時(shí)間1h，胺甲基化反應(yīng)溫度50℃，胺甲基化反應(yīng)時(shí)間2h。

確定了胺甲基化反應(yīng)的較佳條件為：醛胺摩爾比1：1，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時(shí)間2h，pH10。在此條件下制備的兩性木質(zhì)素絮凝劑稱為LSDC。

邱會東等以花生殼為原料制備污泥脫水劑，其制備方法如下：160目花生殼粉與質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaOH于20℃下反應(yīng)，堿化90min后反應(yīng)制得預(yù)處理過的花生殼粉。預(yù)處理的目的是改變天然纖維素材料的結(jié)構(gòu)，破壞纖維素-木質(zhì)素-半纖維素之間的連接，降低纖維素的結(jié)晶度，脫去木質(zhì)素，增加原料的疏松性以增加纖維素與醚化劑的有效接觸，從而提高反應(yīng)效率。預(yù)處理過程的主要影響因素有花生殼粉的粒度，預(yù)處理堿液的濃度，預(yù)處理溫度及時(shí)間等。

纖維素原料在破裂、碾磨等外力作用下使顆粒變小，結(jié)晶度降低。增大比表面，有利于堿化處理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粉碎160目宜于反應(yīng)進(jìn)行。堿處理利用—OH使木質(zhì)素主要的醚鍵發(fā)生斷裂，從而使木質(zhì)素大分子碎片化，部分木質(zhì)素溶解于反應(yīng)溶液中，同時(shí)使纖維素膨脹，半纖維素溶解，并削弱纖維素和半纖維素的氫鍵及皂化半纖維素和木質(zhì)素分子之間的酯鍵。堿處理可引起較少的糖降解。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)表明纖維素的潤脹在質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的氫氧化鈉溶液中最佳，質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，可能會導(dǎo)致部分半纖維素被分解，致使損失太多。所以，實(shí)驗(yàn)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NaOH溶液處理。堿化為放熱反應(yīng)，隨溫度提高，纖維素潤脹程度下降，堿纖維的反應(yīng)活性降低。進(jìn)一步通過單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫度低于20℃以下，反應(yīng)時(shí)間加長，同時(shí)溫度0℃左右時(shí)，堿化過程不好控制，無法充分進(jìn)行，溫度升高，產(chǎn)物的絮凝效果增強(qiáng)，但溫度過高，樣品會使花生殼中某些成分分解和糊化，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，故實(shí)驗(yàn)條件選取20℃。由正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，堿化90min即可使纖維素潤脹基本完全，堿化時(shí)間過長可能導(dǎo)致花生殼中有用成分損失。所以花生殼堿化預(yù)處理時(shí)間選用90min。

按一定比例加入預(yù)處理好的花生殼粉及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的陽離子醚化劑，在80℃水浴中反應(yīng)3h，冷卻，烘干即得絮凝劑PNET。反應(yīng)原理如下所示：

PNET的制備過程的主要影響因素有反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、醚化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和花生殼與醚化劑質(zhì)量比等。反應(yīng)時(shí)間的長短直接決定反應(yīng)產(chǎn)物的醚化程度。時(shí)間過短反應(yīng)不充分，時(shí)間過長，會帶來--些副反應(yīng)產(chǎn)物，對于該實(shí)驗(yàn)，選取反應(yīng)時(shí)間為3h較易。在有機(jī)合成反應(yīng)過程中，反應(yīng)溫度是一個(gè)重要的反應(yīng)參數(shù)，能控制反應(yīng)速度，對反應(yīng)還有其他影響，如高溫可破壞高分子鏈的結(jié)構(gòu)，以至影響產(chǎn)物的絮凝性能，經(jīng)過分析，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)隨著反應(yīng)溫度的增大而緩慢增加，故確定反應(yīng)溫度為80℃。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，在上述反應(yīng)條件下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%醚化劑即可完全與花生殼反應(yīng)。故實(shí)驗(yàn)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%醚化劑與花生殼反應(yīng)。在已完成優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)下，對花生殼與醚化劑的配料比進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表11-7?；ㄉ鷼づc醚化劑的最優(yōu)質(zhì)量比為10：1時(shí)，所制得的絮凝劑對模擬水樣透光率較高，且合成絮凝劑所用原料配比比較合理，達(dá)到了既節(jié)約原料又降低成本的效果。

表11-7 花生殼與醚化劑的質(zhì)量比對污泥脫水效果的影響

[應(yīng)用]LSDC在生物活性污泥脫水處理研究表明，投加LSDC后，污泥比阻可降低至原始污泥的41%左右，過濾性能大大改善。LSDC在提高污泥沉降速度、降低污泥含水率和過濾比阻方面有很好的性能，優(yōu)于對比樣CPAM。

取重慶市北碚污水廠的活性污泥300mL置于500mL的燒杯中，用攪拌器中速攪拌，在一定pH值下攪拌中加入0.9g左右絮凝劑PNET，然后繼續(xù)攪拌15min，倒入布氏漏斗中，真空抽濾脫水，每隔一定時(shí)間記錄一次濾液體積，測抽濾至真空度破壞時(shí)濾液的透光率達(dá)到93.5%，濾餅的含水率82%，污泥脫水率為89%。同時(shí)對生活廢水和電鍍廢水進(jìn)行處理，生活廢水除磷率為58.3%，電鍍廢水除鉻率為74%。通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了絮凝劑對污泥處理效果比較理想。同時(shí)，絮凝劑對生活廢水中的磷和電鍍工業(yè)廢水中鉻離子具有一定的絮凝凈化能力。

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