PAM处理马铃薯淀粉废水工艺的探索（三等奖）

PAM处理马铃薯淀粉废水工艺的探索指导老师：陈晓农作者：马梧桐桂起林邓宇飞北京化工大学材料科学与工程学院目录一.引言 4二.实验原理 51.1PAM的作用机理 51.1.1PAM的分子式 51.1.2PAM分类 51.1.3PAM的作用原理简介 51.2硫酸铝的作用 61.3硫酸铝和PAM混合使用 6三.实验部分 73.1实验仪器和试剂 73.2实验前期 73.2.1模拟液的配制 73.2.2硫酸铝溶液（7.5wt%）的配制 83.2.3聚丙烯酰胺溶液（0.5wt%）的配制 83.2.4光电浊度计的校准 83.2.5实验条件的确定 83.3实验中期 93.3.1PAM最佳投放量的确定 93.3.2硫酸铝最佳投放量的确定 103.4实验后期 123.4.1PAM与硫酸铝的混合比例的确定 123.4.2最经济投放方式的确定 12四．结果与讨论 144.1实验总结 144.2联系工业 15五．致谢 16参考文献 16

PAM处理马铃薯淀粉废水工艺的探索指导老师：陈晓农马梧桐桂起林邓宇飞北京化工大学材料科学与工程学院摘要：采用模拟试验方法研究了聚丙烯酰胺（PAM）,硫酸铝以及它们的混合使用对马铃薯废水的处理的效果。通过对废水处理前后浊度和COD指标及处理成本等方面的综合分析,得到如下结果：硫酸铝、PAM以及复合使用对马铃薯淀粉废水浊度均具有良好的去除能力。其中7ppm的PAM单独使用和10mg/L+4ppmPAM复合使用处理效果最佳其浊度去除率可高达98%，COD去除率可达到83.5%。并且在达到相同最佳效果时，PAM和硫酸铝复合使用的成本比PAM单独使用节约28.6%。关键词：PAM；硫酸铝；马铃薯淀粉废水；絮凝一.引言马铃薯淀粉废水是马铃薯淀粉以及相关淀粉化工产品生产过程中产生的废液，是食品工业中污染最严重的废水之一。废水中含有大量有机物，如糖类、蛋白质等，因此造成了废水的COD、浊度和色度都很高，如果直接将废水排入水体不仅是对水资源的浪费。而且对环境造成严重污染。直接排入水体的废水之中的有机质会在自然发酵后释放出硫化氢、氨气等气体从而污染环境。在水中由于有机质浓度过高,各种微生物生长繁殖迅速,其中有害微生物或者致病菌的大量生长繁殖,不仅直接侵害了水生动物,而且由于微生物的生长和有机质的氧化反应,水中的溶解氧被消耗殆尽,使水生动物因缺氧而死亡,从而对河流、水库及环境造成严重污染。针对马铃薯淀粉废水的处理，人们都在力求研究出一种合理、高效、低能耗的淀粉废水处理方法。目前，在废水预处理过程中助凝剂或初级絮凝剂的水溶性聚合物在水处理中已引起广泛的重视，其优点在于产生的沉淀絮块较大且稳定,污泥量少,需用的化学试剂量少。再结合马铃薯淀粉生产废水具有如下几个明显的特点：①马铃薯淀粉加工业具有明显的季节性，主要集中在每年的10月份至翌年的1月份，处于冬季气温低、水温低，十分不利于生物处理；②生产周期短，生物系统启动困难；③由于搓磨机生产时加入大量气体，浓、稀蛋白水中含有大量稳定的微气泡；④蛋白含量高，曝气时还会产生大量泡沫。因此本文章采用物理化学方法即用无机絮凝剂硫酸铝和有机絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）处理马铃薯淀粉废水，并将无机和有机絮凝剂进行复配，研究在正常废水pH值下、各絮凝剂的投药量、助凝剂投加量以及沉降时间等对絮凝效果的影响，从而确定处理马铃薯淀粉废水的较佳絮凝剂及其较经济的投放方式，为工业应用提供理论依据。二.实验原理1.1PAM的作用机理1.1.1PAM的分子式1.1.2PAM分类一般比较常用的就是阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）和阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）。CPAM的作用原理：先是利用电荷中和，使被反应物脱稳，从而再利用架桥吸附作用达到沉降的效果；APAM则是以架桥吸附作用为主，因为阴离子的分子量比较大，链比较长架桥作用1.1.3PAM的作用原理简介1）絮凝作用原理：PAM用于絮凝时，与被絮凝物种类表面性质，特别是动电位，粘度、浊度及悬浮液的PH值有关，颗粒表面的动电位，是颗粒阻聚的原因加入表面电荷相反的PAM，能速动电位降低而凝聚。2）吸附架桥：PAM分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使颗粒形成聚集体而沉降。3）表面吸附：PAM分子上的极性基团颗粒的各种吸附。4）增强作用：PAM分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状，从而起增强作用。电荷的中和作用1.2硫酸铝的作用硫酸铝溶于水后，立即水解出铝离子，通常以[Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。产物包括：为水解的水和铝离子、单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化铝沉淀等。当pH值<3时，在水中这种水合铝络离子将是主要形态，如pH升高，水合铝络离子就会发生配位水分子离解(即水解过程)，生成各种羟基铝离子，pH值再升高，水解逐级进行，从单核单羟基水解成单核三羟基，最终将产生氢氧化铝化学沉淀物而析出。实际上的反应比上面的反应还要复杂得多，当pH>4值时，羟基羟离子增加，各离子的羟基之间可发生架桥连接(羟基架桥)产生多核羟基络合物，也即高分子缩聚反应。从生成物[Al2(OH)2(H2O)5]4+还可进一步被羟基架桥[Al3(OH)4(H2O)10]5+。与此同时，生成的多核聚合物还会继续水解。所以水解与缩聚两种反应交错进行，最终结果产生聚合度极大的中性氢氧化铝。当基数量超过其溶液度时，即析出氢氧化铝沉淀物。硫酸铝溶于水后生成水和离子其水解反应如下:[Al(H2O)6]3++H2O=[Al(OH)(H2O)5]2++H+3O[Al(OH)(H2O)5]2++H2O=[Al(OH)2(H2O)4]++H3+O[Al(OH)2(H2O)4]++H2O=[Al(OH)3(H2O)3]+H+3O生成的难溶沉淀物将悬浮物吸附,共同沉淀。在由[Al(O2H)6]3+最终趋于Al(OH)3(H2O)3的中间过程中,羟基可把单核络和物通过桥键缩聚为多核络合物：[Al(O2H)6]3++[Al(OH)2(H2O)5]2+=[Al2(OH)2(H2O)10]5++H2O2[Al(OH)(H2O)5]2+=[Al2(OH)2(H2O)3]4++2H2O1.3硫酸铝和PAM混合使用为了降低药耗，节约成本，提高处理率，充分发挥不同絮凝剂间的协同作用，通过多次实验和在工程上的实际应用，无机混凝剂与有机絮凝剂的搭配使用能够达到较好的效果。无机混凝剂与有机絮凝剂的搭配使用中，聚丙烯酰胺在硫酸铝沉降中使用,先加入带正电荷的硫酸铝，使废水中胶体脱稳，再加入聚丙烯酰胺，使脱稳后的胶体颗粒通过架桥作用和网捕作用迅速长大。搅拌要均匀，速度要慢。由于聚丙烯酰胺的大分子链中分布着许多胺基,它对硫酸铝溶液中的悬浮颗粒和胶体有很强的亲和力和吸附效应,可使溶液中的悬浮物和胶体或进行特性吸附,或形成分子间氢键,或改变胶体的电性电位。从而使它们被牢固地吸附在聚丙烯酰胺分子中的胺基基团的表面上,而后通过大分子链的交联,把分散状态的悬浮微粒和胶体网络起来,形成容易沉淀的大聚集体絮团而迅速沉降。聚丙烯酰胺的结构简式为:从聚丙烯酰胺的结构简式可以看出,它不但在酰基上含有胺基等极性基团,而且是由丙烯酰胺中的双键断裂加聚成了一个很长大分子链。这支大分子链具有很强的絮凝作用,可以网络和捕集处理溶液中的悬浮物等,且每个丙烯酰胺单体中都含一个胺基(-NH2),会产生强烈吸附,并形成氢键。同时它能够在水中降低液固两相界面的表面张力,生成带负电荷的憎水性阴离子,从而中和了硫酸铝溶液中的胶体电性电位,使之成为憎水性颗粒而沉降。因此硫酸铝溶液中悬浮物和胶体通过加入聚丙烯酰胺的絮凝,能更好的实现其沉降分离,以达到净化溶液的目的。三.实验部分3.1实验仪器和试剂仪器：小烧杯250ml烧杯2L烧杯数字磁力搅拌器精密天平电子天平光电浊度计（WZT-3A）pH计吸水纸一次性吸管量筒恒温烘干箱等。试剂：三级去离子水（以下简称去离子水）PAM-175（阳离子型聚丙烯酰胺）硫酸铝溶液（化学纯，分子式Al2(SO4)3·18H2O）附注：以上仪器与试剂均由北京化工大学科技楼1013有机功能材料联合实验室友情提供。3.2实验前期3.2.1模拟液的配制（1）购买新鲜马铃薯，去皮后将其切成条状，称重后放入干净2L烧杯中。加入去离子水直到刚刚淹没马铃薯。人为搅动1分钟后慢慢滤去烧杯中的水。（2）按土豆干重1:4加入去离子水。充分慢搅拌5分钟，用单层纱布过滤，并将滤液放入于2L的大烧杯中，继续用玻璃棒搅拌2分钟，并再次用单层纱布过滤。（3）将以上滤液置于数字磁力搅拌器（以下简称搅拌器）下以恒定的转速搅拌，控制转速为300r/min。（4）搅拌均匀后，模拟液配制完成。取一定量的模拟液用光电浊度计（以下简称浊度计）测定其浊度，多次读数，平均值即是模拟液的初始浊度。3.2.2硫酸铝溶液（7.5wt%）的配制用精密天平准确称取1.4379gAl2(SO4)3·18H2O于干燥的小烧杯中。用精密天平准确称取去离子水47.8187g于小烧杯中。充分搅拌使硫酸铝完全溶解，硫酸铝溶液配制完成。3.2.3聚丙烯酰胺溶液（0.5wt%）的配制用精密天平准确称取0.1000g聚丙烯酰胺于干燥的小烧杯中。用精密天平准确称取20.0000g去离子水于（1）中的小烧杯中，轻轻摇动。用锡纸封口，避光保存。一周后聚丙烯酰胺在水中分散均匀，溶液变得均匀、透明、粘稠，说明PAM溶液配制完成。3.2.4光电浊度计的校准用光电浊度计（以下简称浊度计）测定一级水的浊度用来校准浊度计。校准后用同样方法测定去离子水（三级）的浊度。表1去离子水（三级）的浊度次数123浊度（NTU）0.280.290.283.2.5实验条件的确定（1）实验内容分别取150g模拟液于编号为：1,2,3,4的烧杯中，均放在数字磁力搅拌器下。按照下表（表2）的顺序依次进行实验，并记录相应的数据。（2）实验数据表2不同实验条件的实验效果序号123PAM量（ppm）2．52．52．5转速（r/min）240240300/240搅拌时间（min）5102+830分钟浊度（NTU）60.4960.4759.9360分钟浊度（NTU）56.6751.1847.0356.7152.2247.4756.6352.2547.57120分钟浊度（NTU）50.0049.9349.91附注：1，烧杯3中：300/240和2+8是指：快搅拌(300r/min)搅动2分钟，然后慢搅拌(240r/min)搅动8分钟。（3）数据分析1．静置时间的确定：比较烧杯1的浊度值可见静置30分钟效果明显没有静置60分钟的效果好，静置时间不取30分钟。比较烧杯2的浊度值可见静置120分钟与静置60分钟效果差别不很明显，而且静置120分钟，不具有实验的可行性。因此确定静置时间为60分钟。2．搅拌时间的确定：比较烧杯1和烧杯2，可见搅拌时间定为10分钟比较理想。3．搅拌转速的确定：根据烧杯2和烧杯3可见先快后慢，实验效果比较理想，故采用先快搅拌（300r/min）2分钟后慢搅拌（240r/min）8分钟。3.3实验中期3.3.1PAM最佳投放量的确定（1）实验内容1．测定此次实验所用模拟液的起始浊度。2．取已经编号的200ml烧杯，分别加入搅拌均匀的150g模拟液。将烧杯放在搅拌器下，分别准确加入3ppm,4ppm,5ppm,7ppm,10ppm,15ppm,20ppm的PAM(0.5%)后，以快搅（300r/min）搅拌2min，慢搅拌（240r/min）搅拌8min后静置60分钟，分别测定其浊度。（2）实验数据表3不同PAM实验效果序号PAM的投放量/ppm浊度/NTU平均浊度/NTU去除率1起始值301.42301.48301.45301.4502310.5810.4110.3810.460.965347.487.437.367.420.975456.936.96.76.840.977576.156.056.126.110.9806107.457.477.447.450.9757154.644.644.694.660.9858206.416.376.536.440.979(3)数据分析图1不同PAM投放量的效果图图2去除率效果图(4)实验结论1．PAM具有很好的处理效果，浊度下降很大。2．PAM投放量大于7时，处理效果出现波动，且在7ppm时达到第一个极大值，此时浊度去除率达到98%，效果理想。考虑到处理的成本问题，故认为7ppm是最佳的投放量。3.3.2硫酸铝最佳投放量的确定（1）实验内容1．测定此次实验所用模拟液的起始浊度。2．取已经编号的200ml烧杯，分别加入搅拌均匀的150g模拟液。将烧杯放在搅拌器下，分别准确加入200mg，400mg，600mg，800mg，1000mg，1200mg(7.5%)硫酸铝溶液后，以快搅（300r/min）搅拌2min，慢搅拌（240r/min）搅拌8min后静置60分钟，分别测定其浊度（2）实验数据表4不同硫酸铝实验效果序号硫酸铝的用量/（mg/L）浊度测量/NTU平均浊度/NTU去除率1起始值326.59326.48326.55326.540210043.4344.3943.543.770.866320033.4332.7932.9533.060.899430022.4822.7622.3322.520.931540025.7424.8724.7225.110.923650029.8729.9929.829.890.908（3）数据分析图3不同硫酸铝投放量的效果图图4去除率效果图（4）实验结论1．硫酸铝具有较好的处理效果，浊度下降较大2．用硫酸铝处理废水，去除率先上升后下降，并在300（mg/L）时出现极大值。故认为硫酸铝最佳投放量为300（mg/L）。3.4实验后期3.4.1PAM与硫酸铝的混合比例的确定由中期实验可知，无论硫酸铝还是PAM都能有效地处理淀粉马铃薯废水，并且对浊度的去除率均能达到90%以上。特别是PAM，在用量为7ppm时浊度的去除率高达98%。为了进一步节约成本，我们进一步设计实验：在总价钱不超过7ppmPAM的价钱的前提下，将PAM和硫酸铝复合使用，以探究最经济的投放方式。根据大量市场价格信息可知PAM的单价大约是硫酸铝的十倍。将价格适当转换，在总价钱不大于7ppm的PAM的钱的情况下设计以下2—9号实验。3.4.2最经济投放方式的确定（1）实验内容1，测定此次实验所用模拟液的起始浊度。2，取已经编号的200ml烧杯，分别加入搅拌均匀的150g模拟液。将烧杯放在搅拌器下，将2—6号烧杯分别准确加入20mg(7.5%)硫酸铝溶液后，以快搅（300r/min）搅拌2min，后分别加入2ppm，3ppm，4ppm，5ppm，6ppm的PAM慢搅拌（240r/min）搅拌8min后静置60分钟，分别测定其浊度。将7,8,9号烧杯分别加入40mg，40mg，60mg的(7.5%)硫酸铝溶液后，以快搅（300r/min）搅拌2min，后分别加入4ppm，5ppm，4ppm的PAM，慢搅拌（240r/min）搅拌8min后，静置60分钟分别测定其浊度。（2）实验数据表5复合实验效果序号硫酸铝（mg/L)+PAM(ppm)浊度值/UNT平均值/NTU去除率1起始值368.89368.95368.92368.920210+212.112.3512.2412.230.967310+310.3410.3510.1210.270.972410+47.527.567.557.540.980510+57.767.787.627.720.979610+68.178.238.178.190.978720+47.797.777.757.770.979820+59.899.939.949.920.973930+48.878.738.868.820.976（3）数据分析图5去除率效果图（4）实验结论1．复合加入对废水仍有很好的处理效果。2．从去除率图可以看出4号样品（10+4）浊度去除率最大，此时总的处理成本相当于5ppm的价钱，比PAM单独处理时的7ppm节省28.6%。四．结果与讨论4.1实验总结做出中期实验和后期实验的（2-6号）去除率效果图：图6三种实验处理效果对比图根据上图可知无论是PAM单独作用，还是PAM与硫酸铝的复合使用，都能对马铃薯废水产生比较理想的处理效果，使其浊度大幅度的下降即很大程度上减少了废水中有机物的含量，为废水的下一步处理以及最终的排放奠定良好的基础。根据中期实验可知高分子絮凝剂PAM处理废水有以下五个优势：1.与传统的低分子无机絮凝剂硫酸铝相比，在相同的实验条件下有更好的絮凝效果，浊度去除率高达98%。2.其受温度影响不大，化学性质稳定，最佳PH的范围广实际处理废水时不用另外调节废水的PH值。3.与硫酸铝相比，在处理效果相近时，PAM的使用成本更加低廉。（例如7ppmPAM的处理效果比300mg/L的硫酸铝要好，而成本仅为后者的7/30）。4.PAM絮凝速度更快，絮凝颗粒更大，在实际试验过程中，加入PAM后，只需30s左右就会有大量大颗粒絮凝体出现，有助于絮凝物的沉降。5．PAM投放量少，仅仅几个ppm（十万分之一），对水体本身的影响很小。为了进一步提高废水的处理效果以及降低处理废水的成本。我们设计了后期实验，对PAM和硫酸铝进行复配使用。根据实验可知，当先加10mg/L的硫酸铝后再加入4PPM的PAM时浊度的去除率可达98%。而其使用成本与单独使用5ppm的PAM一样，但其净水效果已经达到7ppm的PAM单独使用时的效果，可见此种投加方式在保证净水效果不变的情况下更进一步降低了处理废水的成本（节约28.6%）。由于浊度并不能直接反应废水中有机物的含量，为此我们又进一步测定了必要样品的CODCr值（化学需氧量）以验证实验效果。分别测定PAM单独作用时原溶液，以及分别加入5ppm,7ppm的PAM处理后的废水的上层清夜的CODCr和PAM与硫酸铝复配实验的原溶液以及（10+4ppm）处理后的废水的上层清夜的CODCr值见下表（表6）：表6必要样品COD值溶液PAM单独实验原溶液5ppm处理后上层清夜7ppm处理后上层清夜复合实验原溶液（10+4ppm）处理后上层清夜CODcr(mg/L)1756.2356.7290.02283.3379.0COD去除率079.7%83.5%083.4%由表6可知：无论是PAM单独作用，还是PAM与硫酸铝的复合使用，都能对马铃薯废水的COD有较理想的处理效果，就是说能够有效地除去废水中的有机物。并且我们也可以看出单独使用7ppm时的去除率与复合（10+4ppm）使用基本是相同的。这一结论进一步说明了，复合使用（10+4ppm）与7ppm相比不仅没有影响到实验效果而且可以降低成本。4.2联系工业虽然此次探究实验达到了比较理想的处理效果，但是也仅仅只能为工业马铃薯废水的处理提理论依据，切不可生搬硬套直接与工业对接。不过此次试验无疑为工业处理废水提供了新的思维与方法。处理工业的废水首先应该充分的考虑工业废水与模拟液的性质差异，如起始浊度范围的差异，受PH、水温以及粘度的影响差异等等。其次要考虑工业处理废水的设备要求，例如能否充分搅拌净水剂使其分散均匀等。最后，还要考虑废水处理的后续问题，例如是否要循环利用等。还有本实验用浊度值作为主要的评判标准，但浊度并不是工业的主要评判标准，因