纖維素/木質素類改性污泥脫水劑

時間：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高分子絮凝劑主要包括纖維素衍生物類絮凝劑和木質素類絮凝劑兩部分。纖維素來源于樹木、棉花、麻類植物和某些農副產品，是自然界中資源豐富、價格低廉的可再生資源。歷史上，纖維素是高分子化學誕生和發展時期的主要研究對象。以后，隨著石油基化工產品和合成材料的涌現及發展，人們對纖維素研究的興趣逐漸淡化。然而，20世紀70年代的石油危機和近年來石油化工原料價格的猛漲，以及對環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”的天然高分子出現了世界范圍的復興。

據統計，地球上每年經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、半纖維素和木質素等天然高分子物質。它們具有生物降解性和可再生性，是理想的綠色環保材料。

纖維素改性產品主要是指纖維素分子鏈中的羥基與化合物發生酯化或醚化反應后的生成物，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物、季銨鹽醚化產物等。經過改性后的纖維素，其功能的多樣性和應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境協調性，使其成為目前材料研究中最為活躍的領域木質素是結構復雜的芳香族天然高分子聚合物，具有三維網狀空間結構，含有多種功能基，木質素結構單元之間的連接方式較多且位置不同，具有潛在的反應性能和反應點，因此對其進行化學改性的潛力巨大。另一方面，作為地球上最豐富的可再生資源之一，木質素與纖維素及半纖維素構成植物的基本組成部分，據估計每年全世界由植物新合成的木質素即達1500億噸，來源豐富，市場前景廣闊。

[制備方法]通過接枝共聚反應在木質素骨架上接上特定的官能團是最常見的改性方法。如引入—CONH2、—CH2N(CH3)2、—N(CH3)3—、—OSO3CH3等官能團，從而增加木質素分子上的活性點，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，松木木質素能與丙烯酰胺發生接枝共聚，引發體系為Ce4+過氧化物。在木質素與烯類單體的接枝反應中研究最多的是木質素與丙烯酰胺的接枝反應，所用的引發劑有鈰鹽、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反應制備了兩性絮凝脫水劑LSDC，用裂解氣相色譜質譜聯用技術證明了陽離子基團的存在，并將LSDC應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素磺酸鈣和水，攪拌溶解，升溫至50℃，通氮氣5min，加入配比量的過硫酸鉀及丙烯酰胺，保溫反應，K2S2O8用量5mmol/L，丙烯酰胺用量1.4mol/L，反應溫度50℃，反應時間2.5h。

將接枝共聚物溶液用10% NaOH溶液調節至一定的pH值，加入甲醛在相應溫度下羥甲基化反應一定時間，再加入二甲胺在一定溫度下胺甲基化反應一定時間，得到反應產物。反應條件優化以反應產物對250mg/L活性艷橙K-G染料的脫色效果為考察對象。

經正交實驗確定較佳反應條件為醛胺摩爾比1：1，羥甲基化反應溫度50℃，羥甲基化反應時間1h，胺甲基化反應溫度50℃，胺甲基化反應時間2h。

確定了胺甲基化反應的較佳條件為：醛胺摩爾比1：1，反應溫度50℃，反應時間2h，pH10。在此條件下制備的兩性木質素絮凝劑稱為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目花生殼粉與質量分數15%的NaOH于20℃下反應，堿化90min后反應制得預處理過的花生殼粉。預處理的目的是改變天然纖維素材料的結構，破壞纖維素-木質素-半纖維素之間的連接，降低纖維素的結晶度，脫去木質素，增加原料的疏松性以增加纖維素與醚化劑的有效接觸，從而提高反應效率。預處理過程的主要影響因素有花生殼粉的粒度，預處理堿液的濃度，預處理溫度及時間等。

纖維素原料在破裂、碾磨等外力作用下使顆粒變小，結晶度降低。增大比表面，有利于堿化處理。實驗發現粉碎160目宜于反應進行。堿處理利用—OH使木質素主要的醚鍵發生斷裂，從而使木質素大分子碎片化，部分木質素溶解于反應溶液中，同時使纖維素膨脹，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素分子之間的酯鍵。堿處理可引起較少的糖降解。從實驗現象及數據表明纖維素的潤脹在質量分數15%的氫氧化鈉溶液中最佳，質量分數過大，可能會導致部分半纖維素被分解，致使損失太多。所以，實驗選用質量分數15%的NaOH溶液處理。堿化為放熱反應，隨溫度提高，纖維素潤脹程度下降，堿纖維的反應活性降低。進一步通過單因素實驗發現，溫度低于20℃以下，反應時間加長，同時溫度0℃左右時，堿化過程不好控制，無法充分進行，溫度升高，產物的絮凝效果增強，但溫度過高，樣品會使花生殼中某些成分分解和糊化，不利于反應的進行，故實驗條件選取20℃。由正交實驗數據分析可得，堿化90min即可使纖維素潤脹基本完全，堿化時間過長可能導致花生殼中有用成分損失。所以花生殼堿化預處理時間選用90min。

按一定比例加入預處理好的花生殼粉及質量分數為30%的陽離子醚化劑，在80℃水浴中反應3h，冷卻，烘干即得絮凝劑PNET。反應原理如下所示：

PNET的制備過程的主要影響因素有反應時間、反應溫度、醚化劑質量分數和花生殼與醚化劑質量比等。反應時間的長短直接決定反應產物的醚化程度。時間過短反應不充分，時間過長，會帶來--些副反應產物，對于該實驗，選取反應時間為3h較易。在有機合成反應過程中，反應溫度是一個重要的反應參數，能控制反應速度，對反應還有其他影響，如高溫可破壞高分子鏈的結構，以至影響產物的絮凝性能，經過分析，實驗指標隨著反應溫度的增大而緩慢增加，故確定反應溫度為80℃。根據實驗數據及實驗現象可知，在上述反應條件下，質量分數為30%醚化劑即可完全與花生殼反應。故實驗選用質量分數30%醚化劑與花生殼反應。在已完成優化實驗條件基礎下，對花生殼與醚化劑的配料比進行了單因素實驗，數據見表11-7。花生殼與醚化劑的最優質量比為10：1時，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，達到了既節約原料又降低成本的效果。

表11-7 花生殼與醚化劑的質量比對污泥脫水效果的影響

[應用]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，然后繼續攪拌15min，倒入布氏漏斗中，真空抽濾脫水，每隔一定時間記錄一次濾液體積，測抽濾至真空度破壞時濾液的透光率達到93.5%，濾餅的含水率82%，污泥脫水率為89%。同時對生活廢水和電鍍廢水進行處理，生活廢水除磷率為58.3%，電鍍廢水除鉻率為74%。通過實驗現象和實驗數據說明了絮凝劑對污泥處理效果比較理想。同時，絮凝劑對生活廢水中的磷和電鍍工業廢水中鉻離子具有一定的絮凝凈化能力。

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