PAM處理馬鈴薯淀粉廢水工藝的探索（三等獎）

PAM處理馬鈴薯淀粉廢水工藝的探索指導(dǎo)老師：陳曉農(nóng)作者：馬梧桐桂起林鄧宇飛北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院目錄一.引言 4二.實驗原理 51.1PAM的作用機理 51.1.1PAM的分子式 51.1.2PAM分類 51.1.3PAM的作用原理簡介 51.2硫酸鋁的作用 61.3硫酸鋁和PAM混合使用 6三.實驗部分 73.1實驗儀器和試劑 73.2實驗前期 73.2.1模擬液的配制 73.2.2硫酸鋁溶液（7.5wt%）的配制 83.2.3聚丙烯酰胺溶液（0.5wt%）的配制 83.2.4光電濁度計的校準(zhǔn) 83.2.5實驗條件的確定 83.3實驗中期 93.3.1PAM最佳投放量的確定 93.3.2硫酸鋁最佳投放量的確定 103.4實驗后期 123.4.1PAM與硫酸鋁的混合比例的確定 123.4.2最經(jīng)濟投放方式的確定 12四．結(jié)果與討論 144.1實驗總結(jié) 144.2聯(lián)系工業(yè) 15五．致謝 16參考文獻 16

PAM處理馬鈴薯淀粉廢水工藝的探索指導(dǎo)老師：陳曉農(nóng)馬梧桐桂起林鄧宇飛北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院摘要：采用模擬試驗方法研究了聚丙烯酰胺（PAM）,硫酸鋁以及它們的混合使用對馬鈴薯廢水的處理的效果。通過對廢水處理前后濁度和COD指標(biāo)及處理成本等方面的綜合分析,得到如下結(jié)果：硫酸鋁、PAM以及復(fù)合使用對馬鈴薯淀粉廢水濁度均具有良好的去除能力。其中7ppm的PAM單獨使用和10mg/L+4ppmPAM復(fù)合使用處理效果最佳其濁度去除率可高達98%，COD去除率可達到83.5%。并且在達到相同最佳效果時，PAM和硫酸鋁復(fù)合使用的成本比PAM單獨使用節(jié)約28.6%。關(guān)鍵詞：PAM；硫酸鋁；馬鈴薯淀粉廢水；絮凝一.引言馬鈴薯淀粉廢水是馬鈴薯淀粉以及相關(guān)淀粉化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢液，是食品工業(yè)中污染最嚴(yán)重的廢水之一。廢水中含有大量有機物，如糖類、蛋白質(zhì)等，因此造成了廢水的COD、濁度和色度都很高，如果直接將廢水排入水體不僅是對水資源的浪費。而且對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。直接排入水體的廢水之中的有機質(zhì)會在自然發(fā)酵后釋放出硫化氫、氨氣等氣體從而污染環(huán)境。在水中由于有機質(zhì)濃度過高,各種微生物生長繁殖迅速,其中有害微生物或者致病菌的大量生長繁殖,不僅直接侵害了水生動物,而且由于微生物的生長和有機質(zhì)的氧化反應(yīng),水中的溶解氧被消耗殆盡,使水生動物因缺氧而死亡,從而對河流、水庫及環(huán)境造成嚴(yán)重污染。針對馬鈴薯淀粉廢水的處理，人們都在力求研究出一種合理、高效、低能耗的淀粉廢水處理方法。目前，在廢水預(yù)處理過程中助凝劑或初級絮凝劑的水溶性聚合物在水處理中已引起廣泛的重視，其優(yōu)點在于產(chǎn)生的沉淀絮塊較大且穩(wěn)定,污泥量少,需用的化學(xué)試劑量少。再結(jié)合馬鈴薯淀粉生產(chǎn)廢水具有如下幾個明顯的特點：①馬鈴薯淀粉加工業(yè)具有明顯的季節(jié)性，主要集中在每年的10月份至翌年的1月份，處于冬季氣溫低、水溫低，十分不利于生物處理；②生產(chǎn)周期短，生物系統(tǒng)啟動困難；③由于搓磨機生產(chǎn)時加入大量氣體，濃、稀蛋白水中含有大量穩(wěn)定的微氣泡；④蛋白含量高，曝氣時還會產(chǎn)生大量泡沫。因此本文章采用物理化學(xué)方法即用無機絮凝劑硫酸鋁和有機絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）處理馬鈴薯淀粉廢水，并將無機和有機絮凝劑進行復(fù)配，研究在正常廢水pH值下、各絮凝劑的投藥量、助凝劑投加量以及沉降時間等對絮凝效果的影響，從而確定處理馬鈴薯淀粉廢水的較佳絮凝劑及其較經(jīng)濟的投放方式，為工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。二.實驗原理1.1PAM的作用機理1.1.1PAM的分子式1.1.2PAM分類一般比較常用的就是陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）和陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）。CPAM的作用原理：先是利用電荷中和，使被反應(yīng)物脫穩(wěn)，從而再利用架橋吸附作用達到沉降的效果；APAM則是以架橋吸附作用為主，因為陰離子的分子量比較大，鏈比較長架橋作用1.1.3PAM的作用原理簡介1）絮凝作用原理：PAM用于絮凝時，與被絮凝物種類表面性質(zhì)，特別是動電位，粘度、濁度及懸浮液的PH值有關(guān)，顆粒表面的動電位，是顆粒阻聚的原因加入表面電荷相反的PAM，能速動電位降低而凝聚。2）吸附架橋：PAM分子鏈固定在不同的顆粒表面上，各顆粒之間形成聚合物的橋，使顆粒形成聚集體而沉降。3）表面吸附：PAM分子上的極性基團顆粒的各種吸附。4）增強作用：PAM分子鏈與分散相通過種種機械、物理、化學(xué)等作用，將分散相牽連在一起，形成網(wǎng)狀，從而起增強作用。電荷的中和作用1.2硫酸鋁的作用硫酸鋁溶于水后，立即水解出鋁離子，通常以[Al(H2O)6]3+存在，但接著會發(fā)生水解與縮聚反應(yīng)，形成不同的產(chǎn)物。產(chǎn)物包括：為水解的水和鋁離子、單核羥基絡(luò)合物、多核羥基絡(luò)合物、氫氧化鋁沉淀等。當(dāng)pH值<3時，在水中這種水合鋁絡(luò)離子將是主要形態(tài)，如pH升高，水合鋁絡(luò)離子就會發(fā)生配位水分子離解(即水解過程)，生成各種羥基鋁離子，pH值再升高，水解逐級進行，從單核單羥基水解成單核三羥基，最終將產(chǎn)生氫氧化鋁化學(xué)沉淀物而析出。實際上的反應(yīng)比上面的反應(yīng)還要復(fù)雜得多，當(dāng)pH>4值時，羥基羥離子增加，各離子的羥基之間可發(fā)生架橋連接(羥基架橋)產(chǎn)生多核羥基絡(luò)合物，也即高分子縮聚反應(yīng)。從生成物[Al2(OH)2(H2O)5]4+還可進一步被羥基架橋[Al3(OH)4(H2O)10]5+。與此同時，生成的多核聚合物還會繼續(xù)水解。所以水解與縮聚兩種反應(yīng)交錯進行，最終結(jié)果產(chǎn)生聚合度極大的中性氫氧化鋁。當(dāng)基數(shù)量超過其溶液度時，即析出氫氧化鋁沉淀物。硫酸鋁溶于水后生成水和離子其水解反應(yīng)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生成的難溶沉淀物將懸浮物吸附,共同沉淀。在由[Al(O2H)6]3+最終趨于Al(OH)3(H2O)3的中間過程中,羥基可把單核絡(luò)和物通過橋鍵縮聚為多核絡(luò)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硫酸鋁和PAM混合使用為了降低藥耗，節(jié)約成本，提高處理率，充分發(fā)揮不同絮凝劑間的協(xié)同作用，通過多次實驗和在工程上的實際應(yīng)用，無機混凝劑與有機絮凝劑的搭配使用能夠達到較好的效果。無機混凝劑與有機絮凝劑的搭配使用中，聚丙烯酰胺在硫酸鋁沉降中使用,先加入帶正電荷的硫酸鋁，使廢水中膠體脫穩(wěn)，再加入聚丙烯酰胺，使脫穩(wěn)后的膠體顆粒通過架橋作用和網(wǎng)捕作用迅速長大。攪拌要均勻，速度要慢。由于聚丙烯酰胺的大分子鏈中分布著許多胺基,它對硫酸鋁溶液中的懸浮顆粒和膠體有很強的親和力和吸附效應(yīng),可使溶液中的懸浮物和膠體或進行特性吸附,或形成分子間氫鍵,或改變膠體的電性電位。從而使它們被牢固地吸附在聚丙烯酰胺分子中的胺基基團的表面上,而后通過大分子鏈的交聯(lián),把分散狀態(tài)的懸浮微粒和膠體網(wǎng)絡(luò)起來,形成容易沉淀的大聚集體絮團而迅速沉降。聚丙烯酰胺的結(jié)構(gòu)簡式為:從聚丙烯酰胺的結(jié)構(gòu)簡式可以看出,它不但在?；虾邪坊葮O性基團,而且是由丙烯酰胺中的雙鍵斷裂加聚成了一個很長大分子鏈。這支大分子鏈具有很強的絮凝作用,可以網(wǎng)絡(luò)和捕集處理溶液中的懸浮物等,且每個丙烯酰胺單體中都含一個胺基(-NH2),會產(chǎn)生強烈吸附,并形成氫鍵。同時它能夠在水中降低液固兩相界面的表面張力,生成帶負電荷的憎水性陰離子,從而中和了硫酸鋁溶液中的膠體電性電位,使之成為憎水性顆粒而沉降。因此硫酸鋁溶液中懸浮物和膠體通過加入聚丙烯酰胺的絮凝,能更好的實現(xiàn)其沉降分離,以達到凈化溶液的目的。三.實驗部分3.1實驗儀器和試劑儀器：小燒杯250ml燒杯2L燒杯數(shù)字磁力攪拌器精密天平電子天平光電濁度計（WZT-3A）pH計吸水紙一次性吸管量筒恒溫烘干箱等。試劑：三級去離子水（以下簡稱去離子水）PAM-175（陽離子型聚丙烯酰胺）硫酸鋁溶液（化學(xué)純，分子式Al2(SO4)3·18H2O）附注：以上儀器與試劑均由北京化工大學(xué)科技樓1013有機功能材料聯(lián)合實驗室友情提供。3.2實驗前期3.2.1模擬液的配制（1）購買新鮮馬鈴薯，去皮后將其切成條狀，稱重后放入干凈2L燒杯中。加入去離子水直到剛剛淹沒馬鈴薯。人為攪動1分鐘后慢慢濾去燒杯中的水。（2）按土豆干重1:4加入去離子水。充分慢攪拌5分鐘，用單層紗布過濾，并將濾液放入于2L的大燒杯中，繼續(xù)用玻璃棒攪拌2分鐘，并再次用單層紗布過濾。（3）將以上濾液置于數(shù)字磁力攪拌器（以下簡稱攪拌器）下以恒定的轉(zhuǎn)速攪拌，控制轉(zhuǎn)速為300r/min。（4）攪拌均勻后，模擬液配制完成。取一定量的模擬液用光電濁度計（以下簡稱濁度計）測定其濁度，多次讀數(shù)，平均值即是模擬液的初始濁度。3.2.2硫酸鋁溶液（7.5wt%）的配制用精密天平準(zhǔn)確稱取1.4379gAl2(SO4)3·18H2O于干燥的小燒杯中。用精密天平準(zhǔn)確稱取去離子水47.8187g于小燒杯中。充分?jǐn)嚢枋沽蛩徜X完全溶解，硫酸鋁溶液配制完成。3.2.3聚丙烯酰胺溶液（0.5wt%）的配制用精密天平準(zhǔn)確稱取0.1000g聚丙烯酰胺于干燥的小燒杯中。用精密天平準(zhǔn)確稱取20.0000g去離子水于（1）中的小燒杯中，輕輕搖動。用錫紙封口，避光保存。一周后聚丙烯酰胺在水中分散均勻，溶液變得均勻、透明、粘稠，說明PAM溶液配制完成。3.2.4光電濁度計的校準(zhǔn)用光電濁度計（以下簡稱濁度計）測定一級水的濁度用來校準(zhǔn)濁度計。校準(zhǔn)后用同樣方法測定去離子水（三級）的濁度。表1去離子水（三級）的濁度次數(shù)123濁度（NTU）0.280.290.283.2.5實驗條件的確定（1）實驗內(nèi)容分別取150g模擬液于編號為：1,2,3,4的燒杯中，均放在數(shù)字磁力攪拌器下。按照下表（表2）的順序依次進行實驗，并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（2）實驗數(shù)據(jù)表2不同實驗條件的實驗效果序號123PAM量（ppm）2．52．52．5轉(zhuǎn)速（r/min）240240300/240攪拌時間（min）5102+830分鐘濁度（NTU）60.4960.4759.9360分鐘濁度（NTU）56.6751.1847.0356.7152.2247.4756.6352.2547.57120分鐘濁度（NTU）50.0049.9349.91附注：1，燒杯3中：300/240和2+8是指：快攪拌(300r/min)攪動2分鐘，然后慢攪拌(240r/min)攪動8分鐘。（3）數(shù)據(jù)分析1．靜置時間的確定：比較燒杯1的濁度值可見靜置30分鐘效果明顯沒有靜置60分鐘的效果好，靜置時間不取30分鐘。比較燒杯2的濁度值可見靜置120分鐘與靜置60分鐘效果差別不很明顯，而且靜置120分鐘，不具有實驗的可行性。因此確定靜置時間為60分鐘。2．?dāng)嚢钑r間的確定：比較燒杯1和燒杯2，可見攪拌時間定為10分鐘比較理想。3．?dāng)嚢柁D(zhuǎn)速的確定：根據(jù)燒杯2和燒杯3可見先快后慢，實驗效果比較理想，故采用先快攪拌（300r/min）2分鐘后慢攪拌（240r/min）8分鐘。3.3實驗中期3.3.1PAM最佳投放量的確定（1）實驗內(nèi)容1．測定此次實驗所用模擬液的起始濁度。2．取已經(jīng)編號的200ml燒杯，分別加入攪拌均勻的150g模擬液。將燒杯放在攪拌器下，分別準(zhǔn)確加入3ppm,4ppm,5ppm,7ppm,10ppm,15ppm,20ppm的PAM(0.5%)后，以快攪（300r/min）攪拌2min，慢攪拌（240r/min）攪拌8min后靜置60分鐘，分別測定其濁度。（2）實驗數(shù)據(jù)表3不同PAM實驗效果序號PAM的投放量/ppm濁度/NTU平均濁度/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)數(shù)據(jù)分析圖1不同PAM投放量的效果圖圖2去除率效果圖(4)實驗結(jié)論1．PAM具有很好的處理效果，濁度下降很大。2．PAM投放量大于7時，處理效果出現(xiàn)波動，且在7ppm時達到第一個極大值，此時濁度去除率達到98%，效果理想。考慮到處理的成本問題，故認為7ppm是最佳的投放量。3.3.2硫酸鋁最佳投放量的確定（1）實驗內(nèi)容1．測定此次實驗所用模擬液的起始濁度。2．取已經(jīng)編號的200ml燒杯，分別加入攪拌均勻的150g模擬液。將燒杯放在攪拌器下，分別準(zhǔn)確加入200mg，400mg，600mg，800mg，1000mg，1200mg(7.5%)硫酸鋁溶液后，以快攪（300r/min）攪拌2min，慢攪拌（240r/min）攪拌8min后靜置60分鐘，分別測定其濁度（2）實驗數(shù)據(jù)表4不同硫酸鋁實驗效果序號硫酸鋁的用量/（mg/L）濁度測量/NTU平均濁度/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）數(shù)據(jù)分析圖3不同硫酸鋁投放量的效果圖圖4去除率效果圖（4）實驗結(jié)論1．硫酸鋁具有較好的處理效果，濁度下降較大2．用硫酸鋁處理廢水，去除率先上升后下降，并在300（mg/L）時出現(xiàn)極大值。故認為硫酸鋁最佳投放量為300（mg/L）。3.4實驗后期3.4.1PAM與硫酸鋁的混合比例的確定由中期實驗可知，無論硫酸鋁還是PAM都能有效地處理淀粉馬鈴薯廢水，并且對濁度的去除率均能達到90%以上。特別是PAM，在用量為7ppm時濁度的去除率高達98%。為了進一步節(jié)約成本，我們進一步設(shè)計實驗：在總價錢不超過7ppmPAM的價錢的前提下，將PAM和硫酸鋁復(fù)合使用，以探究最經(jīng)濟的投放方式。根據(jù)大量市場價格信息可知PAM的單價大約是硫酸鋁的十倍。將價格適當(dāng)轉(zhuǎn)換，在總價錢不大于7ppm的PAM的錢的情況下設(shè)計以下2—9號實驗。3.4.2最經(jīng)濟投放方式的確定（1）實驗內(nèi)容1，測定此次實驗所用模擬液的起始濁度。2，取已經(jīng)編號的200ml燒杯，分別加入攪拌均勻的150g模擬液。將燒杯放在攪拌器下，將2—6號燒杯分別準(zhǔn)確加入20mg(7.5%)硫酸鋁溶液后，以快攪（300r/min）攪拌2min，后分別加入2ppm，3ppm，4ppm，5ppm，6ppm的PAM慢攪拌（240r/min）攪拌8min后靜置60分鐘，分別測定其濁度。將7,8,9號燒杯分別加入40mg，40mg，60mg的(7.5%)硫酸鋁溶液后，以快攪（300r/min）攪拌2min，后分別加入4ppm，5ppm，4ppm的PAM，慢攪拌（240r/min）攪拌8min后，靜置60分鐘分別測定其濁度。（2）實驗數(shù)據(jù)表5復(fù)合實驗效果序號硫酸鋁（mg/L)+PAM(ppm)濁度值/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）數(shù)據(jù)分析圖5去除率效果圖（4）實驗結(jié)論1．復(fù)合加入對廢水仍有很好的處理效果。2．從去除率圖可以看出4號樣品（10+4）濁度去除率最大，此時總的處理成本相當(dāng)于5ppm的價錢，比PAM單獨處理時的7ppm節(jié)省28.6%。四．結(jié)果與討論4.1實驗總結(jié)做出中期實驗和后期實驗的（2-6號）去除率效果圖：圖6三種實驗處理效果對比圖根據(jù)上圖可知無論是PAM單獨作用，還是PAM與硫酸鋁的復(fù)合使用，都能對馬鈴薯廢水產(chǎn)生比較理想的處理效果，使其濁度大幅度的下降即很大程度上減少了廢水中有機物的含量，為廢水的下一步處理以及最終的排放奠定良好的基礎(chǔ)。根據(jù)中期實驗可知高分子絮凝劑PAM處理廢水有以下五個優(yōu)勢：1.與傳統(tǒng)的低分子無機絮凝劑硫酸鋁相比，在相同的實驗條件下有更好的絮凝效果，濁度去除率高達98%。2.其受溫度影響不大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，最佳PH的范圍廣實際處理廢水時不用另外調(diào)節(jié)廢水的PH值。3.與硫酸鋁相比，在處理效果相近時，PAM的使用成本更加低廉。（例如7ppmPAM的處理效果比300mg/L的硫酸鋁要好，而成本僅為后者的7/30）。4.PAM絮凝速度更快，絮凝顆粒更大，在實際試驗過程中，加入PAM后，只需30s左右就會有大量大顆粒絮凝體出現(xiàn)，有助于絮凝物的沉降。5．PAM投放量少，僅僅幾個ppm（十萬分之一），對水體本身的影響很小。為了進一步提高廢水的處理效果以及降低處理廢水的成本。我們設(shè)計了后期實驗，對PAM和硫酸鋁進行復(fù)配使用。根據(jù)實驗可知，當(dāng)先加10mg/L的硫酸鋁后再加入4PPM的PAM時濁度的去除率可達98%。而其使用成本與單獨使用5ppm的PAM一樣，但其凈水效果已經(jīng)達到7ppm的PAM單獨使用時的效果，可見此種投加方式在保證凈水效果不變的情況下更進一步降低了處理廢水的成本（節(jié)約28.6%）。由于濁度并不能直接反應(yīng)廢水中有機物的含量，為此我們又進一步測定了必要樣品的CODCr值（化學(xué)需氧量）以驗證實驗效果。分別測定PAM單獨作用時原溶液，以及分別加入5ppm,7ppm的PAM處理后的廢水的上層清夜的CODCr和PAM與硫酸鋁復(fù)配實驗的原溶液以及（10+4ppm）處理后的廢水的上層清夜的CODCr值見下表（表6）：表6必要樣品COD值溶液PAM單獨實驗原溶液5ppm處理后上層清夜7ppm處理后上層清夜復(fù)合實驗原溶液（10+4ppm）處理后上層清夜CODcr(mg/L)1756.2356.7290.02283.3379.0COD去除率079.7%83.5%083.4%由表6可知：無論是PAM單獨作用，還是PAM與硫酸鋁的復(fù)合使用，都能對馬鈴薯廢水的COD有較理想的處理效果，就是說能夠有效地除去廢水中的有機物。并且我們也可以看出單獨使用7ppm時的去除率與復(fù)合（10+4ppm）使用基本是相同的。這一結(jié)論進一步說明了，復(fù)合使用（10+4ppm）與7ppm相比不僅沒有影響到實驗效果而且可以降低成本。4.2聯(lián)系工業(yè)雖然此次探究實驗達到了比較理想的處理效果，但是也僅僅只能為工業(yè)馬鈴薯廢水的處理提理論依據(jù)，切不可生搬硬套直接與工業(yè)對接。不過此次試驗無疑為工業(yè)處理廢水提供了新的思維與方法。處理工業(yè)的廢水首先應(yīng)該充分的考慮工業(yè)廢水與模擬液的性質(zhì)差異，如起始濁度范圍的差異，受PH、水溫以及粘度的影響差異等等。其次要考慮工業(yè)處理廢水的設(shè)備要求，例如能否充分?jǐn)嚢鑳羲畡┦蛊浞稚⒕鶆虻?。最后，還要考慮廢水處理的后續(xù)問題，例如是否要循環(huán)利用等。還有本實驗用濁度值作為主要的評判標(biāo)準(zhǔn)，但濁度并不是工業(yè)的主要評判標(biāo)準(zhǔn)，因