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    絲綢印染廢水凈化處理技術

    發布時間:2021-3-14 8:23:49  中國污水處理工程網

      繭絲綢業是中國的傳統優勢產業,但在絲織品生產過程中會產生大量印染廢水。絲綢印染廢水中含有染料、表面活性劑、固色劑、酸堿等,具有有機污染物濃度高、組分復雜、色度深且水質變化大等特點。目前,在印染廢水處理的眾多方法中,吸附法是一種應用較為成熟且行之有效的印染廢水處理技術。如以活性炭、沸石、合成樹脂等為吸附劑進行印染廢水吸附處理的研究多有報道。

      纖維素是目前自然界中儲量最豐富的天然可再生資源,化學結構穩定、易功能化改性,以此為原料開發對環境友好的綠色可替代吸附材料具有巨大優勢。因此,本文以纖維素(CE)為原料,通過化學接枝支化聚乙烯亞胺(PEI),制備氨基功能化的纖維素材料(CE-g-PEI)。然后研究了纖維素與聚乙烯亞胺用量、反應溫度、交聯劑用量等因素對接枝效率的影響,確定其制備工藝技術,進一步探討了CE-g-PEI對絲綢印染廢水的凈化效果。

      1、實驗

      1.1 材料

      聚乙烯亞胺(相對分子質量為600)、纖維素(相對分子質量為20000)(上海阿拉丁生化科技有限公司),戊二醛(25%)(天津科密歐化學試劑有限公司),絲綢印染廢水(廢水pH6.8)。

      1.2 氨基化纖維素的制備

      將1g纖維素粉均勻分散在100mL蒸餾水中,溶脹12h后,在磁力攪拌作用下加入一定量的聚乙烯亞胺,然后加入適量戊二醛交聯劑,非均相接枝反應3h。產物經洗滌、干燥,即得聚乙烯亞胺接枝纖維素(CE-g-PEI)。實驗通過設計三因素四水平的正交實驗,以氨基含量為指標,考察CE/PEI質量比、反應溫度和戊二醛用量對氨基化纖維素接枝效率的影響。其正交實驗因素水平如表1所示。

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      1.3 結構表征和性能研究

      1.3.1 結構表征

      采用Nicolet5700傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR,美國熱高公司)檢測樣品的化學結構,檢測范圍在4000~500cm-1。采用ARLXTRAX射線衍射儀(XRD,美國ThermoElectron公司)研究樣品的晶體結構,掃描速度5°/min,掃描范圍5~85°,檢測電壓40mV,檢測電流40mA。采用PyrisDiamond熱重分析儀(TGA,美國PE公司)在N2氣氛下檢測樣品的熱穩定性,升溫速度20℃/min。

      1.3.2 氨基含量的測定

      將20mg的氨基化纖維素加入到50mL摩爾濃度為0.01mol/L的鹽酸溶液中,25℃條件下攪拌反應15h。隨后,以酚酞為指示劑,用0.01mol/L的氫氧化鈉溶液來滴定溶液中殘余的鹽酸,以此確定氨基的含量。

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      1.3.3 氨基化纖維素的絮凝性能

      以絲綢印染廢水為目標污染物,研究氨基化纖維素對污染物的去除效能。取絲綢印染廢水100mL放入6個大小和形狀完全相同的燒杯中,加入不同量的氨基化纖維素,60r/min轉速下充分攪拌直至絮凝劑均勻分散在廢水中,調控用量研究其對絲綢廢水濁度和COD的去除效果。

      2、結果與分析

      2.1 氨基化纖維素的設計與合成

      非均相體系下,戊二醛分子一端的醛基與纖維素分子鏈上的羥基發生縮醛反應,另一端的醛基與聚乙烯亞胺的氨基發生席夫堿反應,進而制得氨基化纖維素CE-g-PEI。其反應機理如圖1所示。

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      反應過程中,考察了CE/PEI質量比、反應溫度和戊二醛用量對氨基化纖維素接枝效率的影響。表2和表3分析結果表明,CE/PEI比例對氨基含量影響最大,最佳工藝條件為CE/PEI比例1︰1,反應溫度45℃,戊二醛用量1.5g。因此,在最佳工藝條件下,重復3次平行實驗,樣品氨基含量分別為17.4、17.5和17.5mmol/g,其平均值為17.5mmol/g,證實了制備工藝的可行性及穩定性。

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      2.2 氨基化纖維素的化學結構

      圖2為純CE和不同氨基含量CE-g-PEI(標記為CE-g-PEI1.5,CE-g-PEI17.5)的FTIR光譜圖。與純纖維素相比,當氨基含量為1.5mmol/g時,在1579cm-1處有較弱的新峰出現,歸于C═N伸縮振動。而當氨基含量增大至17.5mmol/g時,在CE-g-PEI17.5譜線中觀察到1656、1579cm-1和1430cm-1處三個新峰的出現,分別歸于N—H彎曲振動,C═N和C—N伸縮振動。此外,由于O—H和N—H伸縮振動的重疊,純纖維素在3349cm-1的—OH峰偏移至3402cm-1。結果表明,戊二醛醛基與PEI氨基之間發生化學反應形成了席夫堿結構。另一方面,在1057~1160cm-1處的吸收峰為纖維素分子中多糖骨架的典型C—O—C伸縮振動。在接枝反應后,這些峰位置轉移到高波數,表明戊二醛醛基與纖維素羥基之間的醛醇化形成新的醚鍵。在2923cm-1和2848cm-1處—CH2—伸縮振動的發生,以及在771cm-1處C—H彎曲振動的出現,也進一步證明了PEI的引入。因此,通過工藝優化,可以將PEI高效率地接枝到纖維素分子骨架上。

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      2.3 氨基化纖維素的晶體結構

      圖3為CE和CE-g-PEI17.5的XRD圖譜。從圖3可以看出,純纖維素在2θ在14.6°、16.5°和22.6°處顯示出三個特征峰,屬于纖維素Ⅰ晶型。經戊二醛接枝PEI后,特征衍射峰位置沒有發生變化,說明在非均相體系,戊二醛接枝PEI到纖維素分子上沒有改變纖維素的晶體結構。

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      2.4 氨基化纖維素的熱穩定性

      圖4為CE和CE-g-PEI17.5的TG和DTG曲線。從圖4可以看出,純纖維素在270℃左右開始分解,最高熱分解溫度為375℃。接枝PEI后,氨基化纖維素的熱分解溫度略有下降,其起始分解溫度由270℃降至220℃,而最高熱分解溫度降至260℃。分析認為是由于PEI的引入降低了纖維素分子鏈間原有的相互作用。

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      2.5 氨基化纖維素的絮凝性能

      以濁度和COD為指標,考察了所制備的氨基化纖維素對絲綢印染廢水的處理效果,其結果如圖5—圖7所示?梢钥闯,CE-g-PEI對于絲綢印染廢水中污染物的去除具有優良的效果,且去除效果與其用量直接相關。未經處理前,絲綢印染廢水的COD值為490mg/L。當加入60mg的CE-g-PEI處理30min后,COD值顯著下降,為65mg/L,其去除率達到86.7%。絲綢印染廢水由于所含懸浮物不多,故而其濁度較低,為7NTU。加入不同量的CE-g-PEI后,其濁度整體下降,均低于3NTU,且廢水顏色逐漸澄清,呈現出良好的處理效果。

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      3、結論

      非均相體系下以戊二醛為雙功能交聯劑,成功制備出聚乙烯亞胺接枝纖維素(CE-g-PEI)。通過正交實驗,確定了CE-g-PEI的最優制備工藝條件:溶脹12h,纖維素/聚乙烯亞胺質量比1︰1,反應溫度45℃,戊二醛用量1.5g,反應時間3h。最佳工藝條件下,所制備的CE-g-PEI氨基含量高達17.5mmol/g,具有高的接枝效率。CE-g-PEI對絲綢印染廢水COD和濁度的去除效果研究表明,所制備的CE-g-PEI對絲綢廢水具有優異的絮凝性能,其COD去除率高達86.7%,展現出優良的應用潛能。(來源:浙江理工大學 紡織科學與工程學院(國際絲綢學院))

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