纤维素/木质素类改性污泥脱水剂

时间：2023-03-24 05:36:38来源：food栏目：食品快速检测阅读：

纤维素/木质素类改性污泥脱水剂

[db:作者] / 2023-02-08 00:00

纤维素类的天然有机高分子絮凝剂主要包括纤维素衍生物类絮凝剂和木质素类絮凝剂两部分。纤维素来源于树木、棉花、麻类植物和某些农副产品，是自然界中资源丰富、价格低廉的可再生资源。历史上，纤维素是高分子化学诞生和发展时期的主要研究对象。以后，随着石油基化工产品和合成材料的涌现及发展，人们对纤维素研究的兴趣逐渐淡化。然而，20世纪70年代的石油危机和近年来石油化工原料价格的猛涨，以及对环境污染和健康等问题的重视，迫使人们把注意力重新集中到纤维素一世界上广泛存在，价廉物丰的可再生资源上来，使曾一度受“冷落”的天然高分子出现了世界范围的复兴。

据统计，地球上每年经光合作用生成的植物为5000亿吨，可利用的植物资源约为2000亿吨。木材和草木秸秆中含有大量纤维素、半纤维素和木质素等天然高分子物质。它们具有生物降解性和可再生性，是理想的绿色环保材料。

纤维素改性产品主要是指纤维素分子链中的羟基与化合物发生酯化或醚化反应后的生成物，包括纤维素醚类、纤维素酯类以及酯醚混合衍生类。此外还有纤维素的接枝共聚产物、季铵盐醚化产物等。经过改性后的纤维素，其功能的多样性和应用的广泛性都得到了很大提高，并且纤维素功能材料所具有的环境协调性，使其成为目前材料研究中最为活跃的领域木质素是结构复杂的芳香族天然高分子聚合物，具有三维网状空间结构，含有多种功能基，木质素结构单元之间的连接方式较多且位置不同，具有潜在的反应性能和反应点，因此对其进行化学改性的潜力巨大。另一方面，作为地球上最丰富的可再生资源之一，木质素与纤维素及半纤维素构成植物的基本组成部分，据估计每年全世界由植物新合成的木质素即达1500亿吨，来源丰富，市场前景广阔。

[制备方法]通过接枝共聚反应在木质素骨架上接上特定的官能团是最常见的改性方法。如引入—CONH2、—CH2N(CH3)2、—N(CH3)3—、—OSO3CH3等官能团，从而增加木质素分子上的活性点，改善其絮凝脱水性能。

Meister和Patil等将具有较好吸附性能的—CONH2接枝在木质素骨架上。他们的研究表明，在含有CaCl2和微量Ce4+的已光解二烷中，松木木质素能与丙烯酰胺发生接枝共聚，引发体系为Ce4+过氧化物。在木质素与烯类单体的接枝反应中研究最多的是木质素与丙烯酰胺的接枝反应，所用的引发剂有铈盐、菲林试剂、高锰酸钾、过硫酸盐以及γ射线辐射等。

詹怀宇等通过对木素磺酸钙与丙烯酰胺接枝共聚物的Mannich反应制备了两性絮凝脱水剂LSDC，用裂解气相色谱质谱联用技术证明了阳离子基团的存在，并将LSDC应用于生物活性污泥的絮凝脱水处理，取得了良好的效果。

制备方法为在三口烧瓶中加入一定量的木质素磺酸钙和水，搅拌溶解，升温至50℃，通氮气5min，加入配比量的过硫酸钾及丙烯酰胺，保温反应，K2S2O8用量5mmol/L，丙烯酰胺用量1.4mol/L，反应温度50℃，反应时间2.5h。

将接枝共聚物溶液用10% NaOH溶液调节至一定的pH值，加入甲醛在相应温度下羟甲基化反应一定时间，再加入二甲胺在一定温度下胺甲基化反应一定时间，得到反应产物。反应条件优化以反应产物对250mg/L活性艳橙K-G染料的脱色效果为考察对象。

经正交实验确定较佳反应条件为醛胺摩尔比1：1，羟甲基化反应温度50℃，羟甲基化反应时间1h，胺甲基化反应温度50℃，胺甲基化反应时间2h。

确定了胺甲基化反应的较佳条件为：醛胺摩尔比1：1，反应温度50℃，反应时间2h，pH10。在此条件下制备的两性木质素絮凝剂称为LSDC。

邱会东等以花生壳为原料制备污泥脱水剂，其制备方法如下：160目花生壳粉与质量分数15%的NaOH于20℃下反应，碱化90min后反应制得预处理过的花生壳粉。预处理的目的是改变天然纤维素材料的结构，破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度，脱去木质素，增加原料的疏松性以增加纤维素与醚化剂的有效接触，从而提高反应效率。预处理过程的主要影响因素有花生壳粉的粒度，预处理碱液的浓度，预处理温度及时间等。

纤维素原料在破裂、碾磨等外力作用下使颗粒变小，结晶度降低。增大比表面，有利于碱化处理。实验发现粉碎160目宜于反应进行。碱处理利用—OH使木质素主要的醚键发生断裂，从而使木质素大分子碎片化，部分木质素溶解于反应溶液中，同时使纤维素膨胀，半纤维素溶解，并削弱纤维素和半纤维素的氢键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键。碱处理可引起较少的糖降解。从实验现象及数据表明纤维素的润胀在质量分数15%的氢氧化钠溶液中最佳，质量分数过大，可能会导致部分半纤维素被分解，致使损失太多。所以，实验选用质量分数15%的NaOH溶液处理。碱化为放热反应，随温度提高，纤维素润胀程度下降，碱纤维的反应活性降低。进一步通过单因素实验发现，温度低于20℃以下，反应时间加长，同时温度0℃左右时，碱化过程不好控制，无法充分进行，温度升高，产物的絮凝效果增强，但温度过高，样品会使花生壳中某些成分分解和糊化，不利于反应的进行，故实验条件选取20℃。由正交实验数据分析可得，碱化90min即可使纤维素润胀基本完全，碱化时间过长可能导致花生壳中有用成分损失。所以花生壳碱化预处理时间选用90min。

按一定比例加入预处理好的花生壳粉及质量分数为30%的阳离子醚化剂，在80℃水浴中反应3h，冷却，烘干即得絮凝剂PNET。反应原理如下所示：

PNET的制备过程的主要影响因素有反应时间、反应温度、醚化剂质量分数和花生壳与醚化剂质量比等。反应时间的长短直接决定反应产物的醚化程度。时间过短反应不充分，时间过长，会带来--些副反应产物，对于该实验，选取反应时间为3h较易。在有机合成反应过程中，反应温度是一个重要的反应参数，能控制反应速度，对反应还有其他影响，如高温可破坏高分子链的结构，以至影响产物的絮凝性能，经过分析，实验指标随着反应温度的增大而缓慢增加，故确定反应温度为80℃。根据实验数据及实验现象可知，在上述反应条件下，质量分数为30%醚化剂即可完全与花生壳反应。故实验选用质量分数30%醚化剂与花生壳反应。在已完成优化实验条件基础下，对花生壳与醚化剂的配料比进行了单因素实验，数据见表11-7。花生壳与醚化剂的最优质量比为10：1时，所制得的絮凝剂对模拟水样透光率较高，且合成絮凝剂所用原料配比比较合理，达到了既节约原料又降低成本的效果。

表11-7 花生壳与醚化剂的质量比对污泥脱水效果的影响

[应用]LSDC在生物活性污泥脱水处理研究表明，投加LSDC后，污泥比阻可降低至原始污泥的41%左右，过滤性能大大改善。LSDC在提高污泥沉降速度、降低污泥含水率和过滤比阻方面有很好的性能，优于对比样CPAM。

取重庆市北碚污水厂的活性污泥300mL置于500mL的烧杯中，用搅拌器中速搅拌，在一定pH值下搅拌中加入0.9g左右絮凝剂PNET，然后继续搅拌15min，倒入布氏漏斗中，真空抽滤脱水，每隔一定时间记录一次滤液体积，测抽滤至真空度破坏时滤液的透光率达到93.5%，滤饼的含水率82%，污泥脱水率为89%。同时对生活废水和电镀废水进行处理，生活废水除磷率为58.3%，电镀废水除铬率为74%。通过实验现象和实验数据说明了絮凝剂对污泥处理效果比较理想。同时，絮凝剂对生活废水中的磷和电镀工业废水中铬离子具有一定的絮凝净化能力。

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