无机-有机复合絮凝剂以其独特的性能和优异的絮凝效果得到广泛的关注。本课题制备出了一种新型无机-有机复合高分子絮凝剂(CPAM-ch-PZFS),絮凝剂由无机高分子絮凝剂聚合硫酸铁锌(PZFS)和阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)化学复合而成。实验通过单因素法及响应面优化设计确定了CPAM-ch-PZFS的最佳合成条件,即阳离子聚丙烯酰胺阳离子度为40,投加量为2.68ml,锌铁摩尔比为0.18,碱化度为0.08,反应温度为40℃,熟化时间为24h。通过Fe-Ferron逐时络合比色法、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱、能谱、动态粒径以及X-射线衍射法对CPAM-ch-PZFS及其絮体的进行形态结构表征。通过逐时络合比色法分析可得,CPAM-ch-PZFS中Fe(c)铁的高聚形态存在含量最多,Fe(a)、Fe(b)的自由态铁离子、低聚态及中间过渡态的铁形态存在含量较少。因此可以推断出,CPAM-ch-PZFS主要以高铁聚合物的形式存在。通过扫描电镜分析可得,CPAM-ch-PZFS呈现多片层结构,由于阳离子聚丙烯酰胺的加入,表面有针棒状结构穿插在片层结构中,使得复合絮凝剂形成了一种新的形貌。且CPAM-ch-PZFS表面积增加,具有聚合度高的结构特性,有利于网捕卷扫和吸附水中的胶体颗粒,形成絮状沉淀。通过透射电镜分析可得,有机-无机复合絮凝剂CPAM-ch-PZFS形态呈枝状,且由许多晶体颗粒聚集而成,颗粒粒径较小,从而致使其比表面积较大,颗粒会面发生相互聚集。由此亦可推断,CPAM-ch-PZFS不是单一的多种物质机械混合成,而是有机物CPAM与无机盐重新高度聚合所形成的新物质。通过傅里叶红外光谱分析可得,CPAM-ch-PZFS在500-4000 cm-1处峰值变化明显,可能产生Fe-O-Fe,Zn-O-Zn,和Zn-O-Fe键,并引入NH2等含胺基团。CPAM-ch-PZFS中C=O和-CO-NH2官能团消失,表明CPAM-ch-PZFS主要由分子间的羟基缔合和部分分子螯合形成高聚物。通过能谱分析可得,CPAM-ch-PZFS中,除了包含较多的S,Fe和O元素,絮凝剂中还引入了Zn元素。Zn元素的引入与Fe元素通过化学作用,形成新的桥键,使得铁变成高聚态多羟基聚合物,形态更加稳定。通过X-射线衍射分析可得,Zn2+和CPAM的加入影响了CPAM-ch-PZFS的聚合和结晶程度,可能出现FeZn(SO4)2(OH)(H2O)7,Fe2(SO4)3H2SO48H2O,Fe23(OH)2(SO4)27H2O等晶体物质。加入CPAM后,出现了一个新的相态C9H15FeN3O9。通过动态粒径分布分析可得,CPAM-ch-PZFS的絮体生长速度为119.82μm/min,恢复系数为26.96。CPAM-ch-PZFS相较于未复合的絮凝剂,拥有较高的絮凝沉降能力,絮体的强度、尺寸以及颗粒间键的数量和强度相较于未复合的絮凝剂,均表现出来了更强的性能。探究CPAM-ch-PZFS在最佳合成条件下的应用效果,采用单因素分析投加量和pH及与未复合絮凝剂的对比,在CPAM-ch-PZFS应用于湘江水、生活污水和池塘水过程中对去除DON与DOC的影响。CPAM-ch-PZFS对湘江水中浊度、DON、DOC均有良好的去除效果,当pH为6,投加量以铁计为16mg/L时絮凝性能和各项指标的去除效果最佳,在最优去除条件下,DON的去除率约为33%,DOC的去除率约为75%。对湘江水、池塘水和生活污水的应用研究表明,CPAM-ch-PZFS对高浊水及有机物含量较高的水体的絮凝效果较好。通过形态分析和机理研究可以得出,絮凝剂CPAM-ch-PZFS的絮凝机理主要为电性中和、吸附架桥和网捕卷扫机理。
