CN102391442A - 一种改性榆树皮絮凝剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改性榆树皮絮凝剂的制备方法。榆树皮烘干、研磨过50目筛，得榆树皮精粉；再用85％酒精润湿后加强碱，30-50℃，碱化0.5-2.5h，接着加入一氯乙酸，40-70℃下醚化0.5-3h，再加入硝酸铈铵和丙烯酰胺，50-70℃，聚合1-3h，制得榆树皮絮凝剂粗品，最后减压蒸馏回收酒精并得到改性榆树皮絮凝剂；上述原料的质量比为榆树皮精粉∶酒精∶强碱∶一氯乙酸∶硝酸铈铵∶丙烯酰胺＝1∶(0.5-2.5)∶(0.5-5)∶(0.1-1)∶(0.001-0.0001)∶(0.1-1)。本发明的絮凝剂生产成本低、可生物降解对环境不造成二次污染，与同类产品相比使用量小、适用于各种水质、尤其适用于含泥量高的生活污水、垃圾渗滤液、反冲洗废水、各种沉淀池排泥的处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性榆树皮絮凝剂的制备方法，属于水处理系统的天然有机高分子絮凝剂的合成方法。
背景技术
有机高分子絮凝剂分为天然和合成两大类。天然高分子絮凝剂以聚丙烯酰胺类絮凝剂为主，它以分子量大、吸附能力强、固液分离的效果较好等优点成为目前应用最广泛的絮凝剂，但随着对水环境保护要求的日益严格，此类絮凝剂的毒性问题和难降解问题日益受到关注。天然高分子絮凝剂以成本低廉、环境友好等优越性受到青睐，但分子量较小、电中和作用较弱等。具有实际应用价值的天然高分子絮凝剂都是化学改性后产品，按原料可以分为淀粉类衍生物、纤维素衍生物、多糖及其改性絮凝剂、蛋白质类衍生物絮凝剂、改性植物胶及微生物絮凝剂。
其中，(1)淀粉衍生物絮凝剂
主要为阳离子型淀粉醚和淀粉与丙烯酰胺、丙烯酸等单体的接枝共聚物。早期日本研究过淀粉的氨基乙醚衍生物，用于高岭土矿浆和含纤维素浆粕的废水处理；美国学者报道了用叔胺盐与环氧丙烷反应生成具有环氧结构的季铵盐醚化剂，然后再与淀粉起醚化反应制得季胺型阳离子改性淀粉的专利。淀粉的接枝共聚也在高岭土浊水、粉煤废水的处理中得到应用。但是淀粉为重要的粮食，以粮食为原料的化工技术的发展受到限制。
(2)纤维素衍生物絮凝剂
早期用作絮凝剂的水溶性纤维衍生物主要有羧甲基纤维素、羟甲基纤维素等阴离子衍生物，也有人研究纤维素与丙烯酰胺接枝共聚物，但总体效果比不上淀粉为原料的成果。也有人对改性木质素的性质和絮凝作用机理进行比较全面的研究，结果表明木质素絮凝剂是一种对高浊度、酸性废水特效作用的絮凝剂。
(3)植物胶及其改性絮凝剂
最早研究的植物胶改性絮凝剂是从瓜耳胶开始的。瓜耳胶是半乳甘露聚糖胶，它的氨基衍生物、季铵盐衍生物、氨基乙醚化合物以及瓜耳胶与硼砂作用得到的多羟基衍生物，都是质地良好的改性絮凝剂。我国中科院植物研究所等单位的学者自60年代起对田菁胶、刨花楠木树胶、仙人掌汁等多种植物胶进行不同方法的改性研究和应用试验。华南理工大学将改性刨花楠木植物的阴离子改性和阳离子改性和两性絮凝剂应用于石油废水、糖蜜废水、印染水、城市污水和饮用水，都获得较好效果。但由于原料处理工艺复杂，目前没有形成工业化生产。
(4)蛋白质及其衍生物絮凝剂
蛋白质胶与某些交联剂在适宜条件下制得水溶性蛋白质衍生物，主要是非离子型絮凝剂，采用交联物质有甲醛、乙醛及其同系物。产品用于工业废水和天然浊水的处理。但由于价格昂贵和不易保存没有明显优势。
以上天然高分子絮凝剂都存在不足，通过对天然植物的比较研究中发现，以榆树皮为原料合成絮凝剂能综合以上絮凝剂的优点，具有重要科研和经济价值。
榆树为北方常见落叶乔木，高达25米，可加工成中药材，性味和功用为甘、平，也可用于制造家具。榆树皮为榆树去角质后外皮，于冬、春季采收，趁新鲜时刮去灰棕色栓皮，纵向剖开，以木槌轻击，使皮与木心分离，剥取白皮后晒干即可。榆树皮中含有较丰富的纤维素、多聚糖、木质素、丹宁，其中多聚糖具有较高的分子量，平均分子量为60-200万，具有吸附架桥作用，能进行浊度的去除和固液分离，但电中和作用差，且不易保存；而纤维素、木质素和丹宁等物质也具有较高的分子量(2600以上)，但含有较多羧基相互缔合氢键，使分子链紧密结合在一起，不易溶于水而无絮凝作用。若对榆树皮进行改性，增强非离子型的水溶性多聚糖电中和作用和稳定性，同时使纤维素、木质素等不溶成分成为水溶性高分子，并通过聚合反应增加产物的分子量及分子链上的活性基团点，从而制备改性榆树皮絮凝剂，可制得絮凝性良好、可长久保存、价格低廉的天然改性絮凝剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性榆树皮絮凝剂的制备方法，用本发明的方法得到的絮凝剂应用于水处理系统具有对环境不造成二次污染，与同类产品相比使用量小、适用于各种水质、尤其适用于含泥量较高的生活污水、垃圾渗滤液、反冲洗废水、各种沉淀池排泥的处理，而且成本低。
为实现上述目的，本发明通过对农村常见落叶乔木榆树皮研究分析发现，榆树皮中含有较丰富的纤维素、多聚糖、木质素、丹宁。可以对榆树皮进行改性，增强非离子型的水溶性多聚糖电中和作用和稳定性，同时使纤维素、木质素等不溶成分成为水溶性高分子，并通过聚合反应增加产物的分子量及分子链上的活性基团点，从而制备改性榆树皮絮凝剂，使其具有更好絮凝性能。
具体工艺如下：
A，榆树皮精粉的制备
取新鲜榆树皮，去角质后晒干至含水率为5％-10％质量百分比，研磨，过50目筛，得含水率为5％-10％质量百分比的榆树皮精粉，备用；
B，强碱预处理
将榆树皮精粉和浓度为85％质量百分比的酒精加入反应器中润湿，该反应器与冷凝回流装置连接以减少溶剂挥发，接着加入浓度为10％质量百分比的强碱，强碱为NaOH或KOH溶液，在30-50℃的搅拌条件下反应0.5-2.5h，得到棕红色的碱化榆树皮精粉；
C，羧甲基化榆树皮精粉的制备
将工业纯一氯乙酸倒入水热反应器中，搅拌，使其与碱化榆树皮精粉醚化反应0.5-3h，反应温度为40-70℃，得到棕红色羧甲基化榆树皮精粉；
D，接枝共聚得改性榆树皮絮凝剂粗品
向步骤C的羧甲基化榆树皮精粉中加入引发剂硝酸铈铵，搅拌并活化后加入丙烯酰胺，在50-70℃温度下进行接枝共聚反应，搅拌反应1-3h后即得到阴离子的改性榆树皮絮凝剂粗品。
E，改性榆树皮絮凝剂的制备
将步骤C所得改性的榆树皮絮凝剂粗品放入真空干燥器中，在20-60℃下抽真空干燥得改性榆树皮絮凝剂，抽真空所得乙醇气体冷凝回用；
上述原料的投料质量比为榆树皮精粉∶酒精∶强碱∶一氯乙酸∶硝酸铈铵∶丙烯酰胺＝1∶(0.5-2.5)∶(0.5-5)∶(0.1-1)∶(0.001-0.0001)∶(0.1-1)。
本发明的优点和效果如下：
1.本发明采用天然植物榆树皮精粉代替人工合成絮凝剂，节约资源和能源消耗，主要原料主要为植物树皮，所得絮凝剂具有良好的生物降解性，二次污染有效降低。
2.本发明采用榆皮粉与丙烯酰胺作为主要原料，相对于聚丙烯酰胺，节约原料成本。
3.本发明采用乙醇作为溶剂，能有效提高单体接枝率，提高生产效率。相对于异丙醇和甲醛溶剂系统，具有较好的安全性，便于实现工业生产。
4.本发明实现了农村废物的资源化利用，既能妥善处置农村垃圾，又能实现资源化利用和经济价值，所得絮凝剂有能应用于农村污水的处理，实现“以废治废”，对于推进新农村建设具有重要作用。
附图说明
图1为本发明的流程示意图
具体实施方式
实施例1
(1)取1000kg新鲜榆树皮，去角质后晒干，研磨过50目筛，得含水率为5％质量百分比的榆树皮精粉备用；
(2)称取100g含水率5％的榆树皮精粉加入三颈烧瓶中，用150mL85％质量百分比酒精润湿，加入50mL 10％质量百分比的NaOH溶液，接入冷凝回流装置，在50℃的搅拌条件下反应0.5h，得到棕红色的碱化榆树皮精粉；
(3)将20mL工业纯一氯乙酸倒入反应器中，使其与碱化榆树皮精粉发生醚化反应，70℃搅拌反应时间1h，得到棕红色羧甲基化榆树皮精粉，实现榆树皮精粉的阴离子改性；
(4)向步骤(2)的羧甲基化榆树皮精粉中加入1mL1％质量百分比的硝酸铈铵水溶液，搅拌并活化后加入50g丙烯酰胺，在80℃温度下反应2h后即的到250mL改性榆树皮絮凝剂粗品。
(5)将250mL改性榆树皮絮凝剂粗品减压蒸馏回收酒精150mL，得目标产物改性榆树皮絮凝剂100g。
实施例2
取250mL烧杯6个，加入生活污水200mL(COD218mg/L，TP4.2mg/L)，分别投加实例1所得的榆树皮改性絮凝剂0、5、10、15、20、25ppm，快搅1min，慢搅14min，沉淀30min后取上清液测量废水COD、TP，见表1。
表1改性榆树皮絮凝剂投加量对生活污水去除效果
从表1可以看出，COD和TP随着改性榆树皮絮凝剂的投加量增加而逐步提高，当投加超过20ppm后，去除率基本不变，说明过剩的絮凝剂对废水COD和TP的去除并没有多大的影响，所以确定对生活污水处理最佳的投加量为20-25ppm。
实施例3
取250mL烧杯6个，加入垃圾渗滤液200mL，分别投加实例1所得的榆树皮改性絮凝剂0、10、20、30、40、50ppm，快搅1min，慢搅14min，沉淀30min后取上清液测量废水COD，见表2。
表2改性絮凝剂投加量对渗滤液去除效果
从表1可以看出，COD随着改性絮凝剂的投加量增加而逐步提高，当投加超过50ppm后，去除率变化不大，说明过剩的絮凝剂对废水COD的去处并没有多大的影响，所以确定对垃圾渗滤液的最佳投加量为50ppm。
Claims (1)
1.一种改性榆树皮絮凝剂的制备方法，其特征在于：
A，榆树皮精粉的制备
取新鲜榆树皮，去角质后晒干至含水率为5％-10％质量百分比，研磨，过50目筛，得含水率为5％-10％质量百分比的榆树皮精粉，备用；
B，强碱预处理
将榆树皮精粉和浓度为85％质量百分比的酒精加入反应器中润湿，接着加入浓度为10％质量百分比的强碱，强碱为NaOH或KOH溶液，在30-50℃的搅拌条件下反应0.5-2.5h，得到棕红色的碱化榆树皮精粉；
C，羧甲基化榆树皮精粉的制备
将工业纯一氯乙酸倒入水热反应器中，搅拌，使其与碱化榆树皮精粉醚化反应0.5-3h，反应温度为40-70℃，得到棕红色羧甲基化榆树皮精粉；
D，接枝共聚得改性榆树皮絮凝剂粗品
向步骤C的羧甲基化榆树皮精粉中加入引发剂硝酸铈铵，搅拌并活化后加入丙烯酰胺，在50-70℃温度下进行接枝共聚反应，搅拌反应1-3h后即得到阴离子的改性榆树皮絮凝剂粗品。
E，改性榆树皮絮凝剂的制备
将步骤C所得改性的榆树皮絮凝剂粗品放入真空干燥器中，在20-60℃下抽真空干燥得改性榆树皮絮凝剂，抽真空所得乙醇气体冷凝回用；
上述原料的投料质量比为榆树皮精粉∶酒精∶强碱∶一氯乙酸∶硝酸铈铵∶丙烯酰胺＝1∶(0.5-2.5)∶(0.5-5)∶(0.1-1)∶(0.001-0.0001)∶(0.1-1)。
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