CN105218688B - 一种多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理用絮凝剂技术领域，特别涉及一种多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂及其制备方法。以多胺与阳离子化试剂反应制备阳离子化聚合物，将阳离子化聚合物在离子液体催化下与淀粉进行醚化反应，制得所述淀粉絮凝剂。本发明絮凝剂在工业及生活污水中的絮凝效果优异，可降低生产成本，加快绿色可再生资源在水处理行业的应用，从而推动社会环保事业的发展。
Description
技术领域
本发明属于污水处理用絮凝剂技术领域，特别涉及一种多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂及其制备方法。
背景技术
随着技术的进步和人们环保意识的增强，絮凝剂的环境安全性能逐渐得到社会的关注和重视。絮凝沉淀剂是污水后处理中最常用的试剂，其能使分散相从分散介质中分离出絮状沉淀，在污泥处理中具有污泥沉降、过滤、澄清等作用。
目前国内外普遍采用的絮凝技术及存在的问题为：无机絮凝剂的价格较低，但投料量较大，具有不安全和二次污染性；有机高分子类絮凝剂主要为聚丙烯酰胺系列产品，这种絮凝剂的大分子容易受到外界因素的影响而破坏，使它的性能大大下降。而且，最主要的弊端是聚丙烯酰胺聚合过程残留的单体丙烯酰胺为神经性致毒剂，对神经系统有损伤作用，安全性能受质疑；新型的微生物絮凝剂具有活性高、安全无害无污染、易被生物降解、使用方便等优点，但其大多还处于菌种的筛选阶段，且存在成本较高的缺点，无法适应工业化生产的需要。
为使生活污水中的污泥在脱水过程中易沉淀，必须添加药剂改变物质的界面特性，使分散的胶体聚合，形成大颗粒，易于沉降和分离。在工业和生活污水处理中，水中胶体粒子多数带负电荷，这些带负电荷的粒子吸引水中的阳离子，而排斥阴离子，这也是胶体粒子得以稳定的原因。所以效果好的絮凝剂大多属阳离子物质，加入水中电离出阳离子与带阴离子电荷的污泥电荷相反，粒子间引力作用增大，便可形成大颗粒而沉降，水即可澄清。
淀粉是绿色植物经光合作用合成的有机物，是绿色天然可再生资源。从某种意义上可以说淀粉是取之不尽、用之不竭的“绿色有机原料”。天然高分子淀粉的半刚性链具有亲水性特点，其羟基在一定条件下可被醚化或酯化，从而得到具有新的、独特性能的改性淀粉。淀粉来源广，产量大且价格便宜；生物降解性好，对环境无毒害，符合科学发展观要求。对淀粉改性制备絮凝剂，以拓宽天然可再生资源在工业废水和生活污水处理中的应用，具有非常显著的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂及其制备方法，所述淀粉絮凝剂在提高絮凝效果和降低絮凝剂用量方面有较好的表现，有利于绿色可再生资源在污泥处理领域中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂，通过如下方法制得：以多胺与阳离子化试剂反应制备阳离子化聚合物，将阳离子化聚合物在离子液体催化下与淀粉进行醚化反应，制得所述淀粉絮凝剂。
所述的多胺为多烷基多胺。
优选的，所述多胺选自下列之一或两种以上的混合物：二乙烯三胺、多乙烯多胺、乙二胺、丁二胺、己二胺、辛二胺、1，5-二甲基己二胺、2-乙基己二胺、1,2-二胺基庚烷、异佛尔酮二胺、哌嗪、2-甲基哌嗪、2,5-二甲基哌嗪、N-氨基乙基哌嗪、聚环氧丙烷二胺、间苯二胺、二氨基二苯甲烷、二氨基二苯基砜或降冰片烷二胺。
所述的阳离子化试剂选自下列之一或两种以上的混合物：3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、环氧辛基二甲氨基氯化铵、环氧氯丙烷、2，3-环氧丙基三甲基氯化铵。
多胺与阳离子化试剂于30-80℃反应制备阳离子化聚合物，优选40-60℃反应。反应时间为4-7h，优选6h；反应优选在搅拌状态下进行。
多胺与阳离子化试剂的摩尔比优选为1:0.8-1.2。可以通过调整多胺与阳离子化试剂的摩尔比来控制阳离子化聚合物的分子量。
阳离子化聚合物在离子液体催化下与淀粉进行醚化反应时，反应温度为40-90℃，优选50-70℃。反应时间为8-10h，优选8h。
进行醚化反应时，阳离子化聚合物：淀粉：水：离子液体的质量比为：0.8-1.2：1：8-12：0.01-0.02。
反应时，优选在搅拌状态下，将阳离子化聚合物缓慢加入淀粉、水和离子液体的混合物中，反应后冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
离子液体优选自下列之一或两种以上的混合物：1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-烷基吡啶四氟硼酸盐、N-烷基-3-甲基吡啶四氟硼酸盐、三丁基烷基铵四氟硼酸盐、四丁基膦四氟硼酸盐、乙基三丁基膦四氟硼酸盐、甲基三丁基膦四氟硼酸盐、N-甲基-烷基吗啉四氟硼酸盐，所述烷基为甲基、乙基、丙基、丁基、己基或辛基。
具体的，所述的离子液体选自下列之一或两种以上的混合物：1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸酸盐、1-乙基-2、3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丙基-2、3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-2、3-二甲基咪唑四氟硼酸盐、N-乙基吡啶四氟硼酸盐、N-丁基吡啶四氟硼酸盐、N-辛基吡啶四氟硼酸盐、N-丁基-3-甲基吡啶四氟硼酸盐、N-己基-3-甲基吡啶四氟硼酸盐、N-辛基-3-甲基吡啶四氟硼酸盐、N-甲基，丁基吡咯烷四氟硼酸盐、三丁基甲基铵四氟硼酸盐、三丁基己基铵四氟硼酸盐、四丁基膦四氟硼酸盐、乙基三丁基膦四氟硼酸盐、甲基三丁基膦四氟硼酸盐、N-甲基，丁基吗啉四氟硼酸盐、N-甲基，丙基吗啉四氟硼酸盐。
本发明首先采用多胺与阳离子化试剂反应，制得阳离子化聚合物。由于絮凝剂的分子量大小对絮凝效果影响较大，而常规的阳离子单体分子量较小，使淀粉阳离子化后絮凝剂的分子量变化不大，絮凝效果不是太理想。本发明从大分子多胺出发，合成高分子量阳离子化聚合物。阳离子化聚合物的合成是利用多胺与阳离子化试剂反应，制得分子量高的阳离子化聚合物，以提高絮凝剂的分子量和阳离子化度。对淀粉进行阳离子改性，是在淀粉大分子中引入叔氨基或季铵基，赋予淀粉阳离子特性。阳离子淀粉的正电荷使它与带负电荷的污泥更容易结合，从而提高絮凝剂的絮凝效果。
为了提高改性淀粉的分子量，合成大分子量的阳离子化聚合物，用分子量大的阳离子化聚合物与淀粉进行醚化反应。离子液体催化剂具有不挥发、反应效率高、用量小等特点。本发明中阳离子化聚合物在离子液体催化下与淀粉进行醚化反应，制得阳离子改性淀粉絮凝剂。
阳离子改性前的淀粉源可选自任何常见来源，包括块茎、豆类、谷类和谷物。如可选择但不限于选择玉米、淀粉、小麦淀粉、米淀粉、蜡质玉米淀粉、燕麦淀粉、树薯淀粉、蜡质大麦、木薯淀粉、马铃薯淀粉或上述物质一种以上的混合物。
目前，国内外研究对于絮凝剂处理污泥的絮凝机理解释较为清晰。絮凝效果，可用架桥和电荷机理来解释。当多胺阳离子聚合物改性淀粉的空间位阻大时，支链伸展空间较多，有利于絮凝剂与污泥胶体颗粒的缠绕和吸附；当淀粉改性絮凝剂带阳离子基团，在水中电离出正电荷，更容易吸附污水中的阴离子胶体，使得污泥絮凝沉淀。
以往对于淀粉的改性仅限于使用常规阳离子化试剂或含季胺化合物，阳离子改性后淀粉分子量变化不大。而淀粉类改性絮凝剂的分子量与高分子聚合物絮凝剂相比较低，所以絮凝效果不是太理想。
本发明使用分子量大的阳离子化聚合物与淀粉接枝，比阳离子单体与淀粉接枝效果好。因为，淀粉最大分子量为几十万；而高分子絮凝剂的分子量一般在200万以上，单纯依靠淀粉分子量不能达到较好的絮凝效果。所以，本发明的多胺改性淀粉絮凝剂，粘度高、稳定性好，从而增大絮凝效果，减少絮凝剂的使用量。本发明絮凝剂在工业及生活污水中的絮凝效果显著，与常规无机物絮凝剂相比可减少用量，在相同投加量下与高分子丙烯酰胺絮凝剂效果相当，显示出多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂绿色可再生的特性。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
1)使用多烷基多胺进行阳离子化聚合物合成，解决了最终常规淀粉改性絮凝剂分子量小的弊端，利用多胺阳离子化聚合物改性淀粉，增大了絮凝剂的分子量，提高了絮凝效果，从而减少絮凝剂的使用量；
2)利用离子液体为淀粉改性阳离子化聚合物的催化剂，提高改性淀粉的醚化度，从而增大絮凝效果，减少絮凝剂的使用量。
本发明絮凝剂在工业及生活污水中的絮凝效果优异，可降低生产成本，加快绿色可再生资源在水处理行业的应用，从而推动社会环保事业的发展。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
以下实施例中所有份数皆为重量份计，除非另有指出，单位为g。
实施例1
在30℃以下，边搅拌边将15份3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，缓慢滴加入10.3份二乙烯三胺中。然后温度升至50℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在50℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-乙基-2、3-二甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例2
在30℃以下，边搅拌边将19份3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，缓慢滴加入10.3份二乙烯三胺中。然后保持温度30℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在70℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例3
在30℃以下，边搅拌边将23份3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，缓慢滴加入10.3份二乙烯三胺中。然后温度升至50℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在90℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例4
在30℃以下，边搅拌边将12份2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，缓慢滴加入10.3份二乙烯三胺中。然后温度升至60℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在60℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-乙基-2、3-二甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例5
在30℃以下，边搅拌边将15份2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，缓慢滴加入10.3份二乙烯三胺中。然后温度升至70℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在70℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例6
在30℃以下，边搅拌边将18份2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，缓慢滴加入10.3份二乙烯三胺中。然后温度升至80℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在80℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例7
在30℃以下，边搅拌边将7份环氧氯丙烷，缓慢滴加入15份1,5-二甲基己二胺中。然后温度升至40℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在90℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-乙基-2、3-二甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例8
在30℃以下，边搅拌边将9份环氧氯丙烷，缓慢滴加入15份1,5-二甲基己二胺中。然后温度升至50℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在70℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
实施例9
在30℃以下，边搅拌边将11份环氧氯丙烷，缓慢滴加入15份1,5-二甲基己二胺中。然后温度升至60℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在40℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的混合物，在该温度下反应8小时，冷却至室温，得多胺阳离子聚合物改性淀粉絮凝剂。
对比例
在30℃以下，边搅拌边将11份环氧氯丙烷，缓慢滴加入15份1,5-二甲基己二胺中。然后温度升至60℃，在该温度下搅拌6小时，冷却降温至室温，得到阳离子化聚合物。
在40℃边搅拌边将上述阳离子化聚合物，缓慢加入30份玉米淀粉、300份水和0.5份氢氧化钠的混合物，在该温度下反应10小时，冷却至室温，得多胺阳离子化聚合物改性淀粉絮凝剂。
絮凝剂絮凝效果对比试验
将生活污泥装在不同的100mL烧杯中，同时加入不同品种的絮凝剂，在200转/分条件下快速搅拌3分钟，在80转/分的条件下慢速搅拌2分钟，静止30分钟，取上清液对比，同时测量产生的污泥量，结果列于表1。
表1
| 絮凝剂 | 投加量mg/L | 上清液量 | 污泥量 |
| 实施例1 | 50 | 75 | 25 |
| 实施例2 | 50 | 80 | 20 |
| 实施例3 | 50 | 70 | 30 |
| 实施例4 | 50 | 75 | 25 |
| 实施例5 | 50 | 70 | 30 |
| 实施例6 | 50 | 60 | 40 |
| 实施例7 | 50 | 60 | 40 |
| 实施例8 | 50 | 85 | 15 |
| 实施例9 | 50 | 65 | 35 |
| 对比例 | 50 | 55 | 45 |
| 聚氯化铝 | 50 | 60 | 40 |
| 聚丙烯酰胺 | 50 | 75 | 25 |
絮凝剂脱色性能测试
将上述絮凝剂用于活性艳兰X-BR和酸性大红GR模拟废水的脱色处理。原水含染料浓度均为120mg/L，处理结果(脱色率)列于表2。
表2
上述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明所作的改变均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，以多胺与阳离子化试剂反应制备阳离子化聚合物，将阳离子化聚合物在离子液体催化下与淀粉进行醚化反应，制得所述淀粉絮凝剂；进行醚化反应时，阳离子化聚合物：淀粉：水：离子液体的质量比为：0.8-1.2：1：8-12：0.01-0.02。
2.如权利要求1所述的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述多胺选自下列之一或两种以上的混合物：二乙烯三胺、多乙烯多胺、乙二胺、丁二胺、己二胺、辛二胺、1，5-二甲基己二胺、2-乙基己二胺、1,2-二胺基庚烷、异佛尔酮二胺、哌嗪、2-甲基哌嗪、2,5-二甲基哌嗪、N-氨基乙基哌嗪、聚环氧丙烷二胺、间苯二胺、二氨基二苯甲烷、二氨基二苯基砜或降冰片烷二胺。
3.如权利要求1所述的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，阳离子化试剂选自下列之一或两种以上的混合物：3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、环氧辛基二甲氨基氯化铵、环氧氯丙烷、2，3-环氧丙基三甲基氯化铵。
4.如权利要求1所述的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，多胺与阳离子化试剂于30-80℃反应制备阳离子化聚合物。
5.如权利要求1所述的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，多胺与阳离子化试剂的摩尔比为1:0.8-1.2。
6.如权利要求1-5任一所述的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，阳离子化聚合物在离子液体催化下与淀粉进行醚化反应时，反应温度为40-90℃。
7.如权利要求6所述的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，反应温度为50-70℃。
8.如权利要求6所述的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂的制备方法，其特征在于，离子液体选自下列之一或两种以上的混合物：1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、N-烷基吡啶四氟硼酸盐、N-烷基-3-甲基吡啶四氟硼酸盐、三丁基烷基铵四氟硼酸盐、四丁基膦四氟硼酸盐、乙基三丁基膦四氟硼酸盐、甲基三丁基膦四氟硼酸盐、N-甲基-烷基吗啉四氟硼酸盐，所述烷基为甲基、乙基、丙基、丁基、己基或辛基。
9.权利要求1-8任一所述的制备方法制得的多胺阳离子聚合物改性的淀粉絮凝剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |