一种纳米磁性阳离子絮凝剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及了一种纳米磁性阳离子絮凝剂及制备方法，应用于污水污泥处理领域。所述纳米磁性阳离子絮凝剂有糊化淀粉经由接枝共聚和阳离子化，搭建电解池通过共沉淀反应生成纳米Fe3O4颗粒，最终使淀粉接枝物与磁流体结合制备而成。本发明专利技术制备的纳米磁性阳离子絮凝剂对污水污泥中的悬浮物有较好的吸附和絮凝作用，通过外加磁场作用，可以加快絮凝沉降速度，也有利于后期絮凝剂的回收再利用。本纳米磁性絮凝剂适合应用于造纸工业、石油化工等企业的污水污泥的处理。

A nanometer magnetic cationic flocculant and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种纳米磁性阳离子絮凝剂及其制备方法
本专利技术涉及污水污泥处理
，具体涉及一种纳米磁性阳离子絮凝剂及其制备方法。
技术介绍
我国每年产生数量巨大的污泥，而未脱水的剩余污泥含水率高达99％～99.5％，其密度小，不易脱水，化学稳定性差，体积庞大，给运输、贮存带来不便，也可能对环境造成二次污染，如果不加以妥善处理与处置，将对环境造成直接或潜在的危害。因此，如何妥善处置这些污泥，是摆在城市发展进程中的现实问题。絮凝是常见的污泥脱水方法，主要通过向污泥投放化学药剂来进行脱水减量处置，常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺(PAM)、聚合氯化铝(PAC)等。絮凝剂的投加，使污泥颗粒间结构增强，便于进行机械脱水操作。统絮凝剂在实际使用过程中对水中悬浮颗粒等污染物的去除率有限,且后续所需泥水分离过程较长,以致需要较大的沉淀池容积,造成初期投资成本的升高和占地面积的增加，需要对絮凝剂调理污泥的方法进行改进。有机高分子絮凝剂是化学单体经过聚合反应或化学共聚反应而生成的一种有机的高分子化合物。其絮凝剂机理是通过电中和，使高分子链通过化学键与多个胶体颗粒相结合，形成桥连。高分子因其较大的分子量而具有较强的吸附作用，可以使胶体颗粒形成较大的絮团依靠重力作用沉降下来。另一方面，有机高分子絮凝剂的絮凝过程中还具有网铺卷扫作用，从而使絮团沉降更加迅速。乙烯基单体与淀粉的接枝共聚反应是淀粉改性制各生物可降解的高分子材料的重要途径之一。磁分离技术用于污水处理属于物理法，即借助磁场力的作用使不同磁性的物质得以分离。磁分离技术具有操作简单、去除污染物种类多且去除率高、不存在薄膜法中的孔径阻塞问题、处理设备不占空间且耗能低等优点，是很有发展潜力的污水处理技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳米磁性阳离子絮凝剂及制备方法。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种纳米磁性阳离子絮凝剂，其特征在于，其结构为负载Fe3O4纳米颗粒的接枝共聚物，所述接枝共聚物由糊化淀粉与接枝单体接枝共聚形成。本专利技术还提供了一种纳米磁性阳离子絮凝剂的制备方法，其特征在于，由糊化淀粉与接枝共聚单体接进行枝共聚、并同时负载Fe3O4纳米颗粒，然后经阳离子化改性制备而成。优选地，所述糊状淀粉通过加热糊化法、微波加热糊化法、超高压糊化法、挤压糊化法和化学糊化法中的任意一种制备得到。优选地，所述介质共聚单体为为丙烯酰胺、丙烯酸、苯乙烯、丙烯腈、二甲基二烯丙基氯化铵、丁二烯和甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。优选地，所述纳米磁性阳离子絮凝剂的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：接枝共聚与负载Fe3O4纳米颗粒：以铁片为阳极、碳棒为阴极，连接直流电源搭建电解池，将糊化淀粉加入到电解池中，将反应体系温度调整至60℃，加入引发体系并搅拌均匀，开启电源同时缓慢加入接枝共聚单体溶液，将反应体系调整至30℃，滴加NaOH溶液调整pH至11～12，再将反应体系温度调整为70～80℃，通过电化学共沉淀反应生成Fe3O4纳米颗粒，在恒温搅拌条件下，糊状淀粉与丙烯酰胺接枝共聚并包覆Fe3O4纳米颗粒；步骤2：阳离子化改性：保持70～80℃恒温搅拌，加入醚化剂，进行活化反应，得到产物；步骤3：洗涤烘干：将步骤2所得产物使用水和丙酮交替洗涤至中性，干燥，粉碎后即可获得纳米磁性阳离子絮凝剂。优选地，所述步骤1中糊化淀粉的制备方法包括：按0.1g/mL的固液比称取玉米淀粉和去离子水，密封状态下，70℃恒温糊化1h，得到糊化淀粉。优选地，所述步骤1中接枝共聚单体为丙烯酰胺、丙烯酸、苯乙烯、丙烯腈、二甲基二烯丙基氯化铵、丁二烯和甲基丙烯酸甲酯中的任意一种。优选地，所述步骤1中接枝共聚单体溶液为丙烯酰胺水溶液，浓度为0.5～1g/mL，淀粉与丙烯酰胺的质量比为1:2～3。优选地，所述步骤1中引发体系为硝酸铈铵-过硫酸钾引发体系、硫代硫酸钠-过硫酸钾引发体系、硫代硫酸钠-过硫酸铵引发体系或硫代硫酸钠-过氧化氢中的任意一种。更优选地，所述步骤1中引发体系为硝酸铈铵-过硫酸钾引发体系，硝酸铈铵的投放量为丙烯酰胺质量的1～2％，过硫酸钾的投放量为丙烯酰胺质量的3～5％。优选地，所述步骤1中使用NaOH溶液浓度为2mol/L。优选地，所述步骤1中铁片质量至少为淀粉和丙烯酰胺总质量的10～15％，电源施加电压为5～7V。阳极铁片会逐渐失去电子电解生成Fe2+进入反应体系，同时Fe2+会在体系中溶解氧的作用下氧化生成Fe3+，反应体系调整至为30℃，滴加NaOH溶液调整pH至11～12，再将反应体系调整至为70～80℃，Fe2+和Fe3+将发生共沉淀反应生成纳米级Fe3O4颗粒，共沉淀反应方程式：Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4+4H2O。优选地，所述步骤2中的醚化剂为2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)、叔胺烷基醚、翁类淀粉醚(包括季铵、膦、锍衍生物)、伯胺烷基醚、仲胺烷基醚和亚胺淀粉醚中的任意一种。更优选地，所述2,3-环氧丙基三甲基氯化铵与丙烯酰胺的摩尔比为0.5～0.6:1。优选地，所述步骤2中活化反应时间为2.5h。优选地，所述步骤3中干燥为40℃恒温干燥箱中干燥48h。本专利技术的原理：本专利技术使用电化学的方法制备纳米Fe3O4颗粒，使用外加电源的阴极保护法，加速电解阳极铁，电解生成Fe2+进入反应体系，由于体系中含有大量溶解氧，Fe2+会氧化生成Fe3+，在pH＝11～12的碱性环境下，Fe2+和Fe3+将发生共沉淀反应从而生成纳米级Fe3O4颗粒。在搅拌作用下，淀粉改性絮凝剂将包覆纳米Fe3O4颗粒，并使其扩散均匀。磁性絮凝剂是通过将Fe3O4颗粒与不同的絮凝单体通过一系列的化学反应制备的一种新型絮凝剂。Fe3O4颗粒被絮凝剂包覆形成磁核，该种絮凝剂具有典型的壳核结构和较好的磁响应性。与铝系、铁系絮凝剂相比，在外加磁场的作用下，磁性絮凝剂产生的絮体更加密实，沉降速度更快，并且产生的污泥量和污泥含水率也大大降低。磁性絮凝剂的磁核大部分可以通过磁分离技术得到磁分离回收。阳离子型有机高分子絮凝剂是通过丙烯酰胺单体与含铵盐的单体共聚得到的有机高分子共聚物，典型的含铵盐的单体有甲基丙基酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)，二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)等。分子链上含有铵盐的基团显阳离子特性，针对悬浮在水体中带负电荷的胶体颗粒，能够发挥其电中和作用，压缩胶体颗粒表面的双电层，使颗粒表面zeta电位降低，从而达到脱稳沉降的目的。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术与原有絮凝技术相比，在淀粉和丙烯酰胺接枝共聚和阳离子化改性的反应过程中，通过电化学方法负载了纳米Fe3O4颗粒，使其在磁场作用下，加快沉降速度，产生的絮体更加密实，进而大大降低产生的污泥量和污泥含水率。(2)本专利技术不仅满足污泥絮凝处理和含水率的要求，同时也考虑到了所制备的絮凝剂在自然环境中易于降解的性能，由于植物淀粉在环境中易于被生物降解，因此本絮凝剂在环境中存在时间很短而且残留量很低。(3)本专利技术对淀粉还进行了接枝共聚和阳离子改性，使高分子链通过化学键与多个胶体颗粒相结合，形成桥连。胶体颗粒形成较大的絮团依靠重力作用沉降下来，有机高分子絮凝剂还具有网铺卷扫作用，从而使絮团沉降更加迅速。(4)本专利技术主要原料为植物淀粉，原材料简单易得且价格低廉，降低生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米磁性阳离子絮凝剂，其特征在于，其结构为负载Fe3O4纳米颗粒的接枝共聚物，所述接枝共聚物由糊化淀粉与接枝单体接枝共聚形成。

【技术特征摘要】
1.一种纳米磁性阳离子絮凝剂，其特征在于，其结构为负载Fe3O4纳米颗粒的接枝共聚物，所述接枝共聚物由糊化淀粉与接枝单体接枝共聚形成。2.权利要求1所述纳米磁性阳离子絮凝剂的制备方法，其特征在于，由糊化淀粉与接枝共聚单体接进行枝共聚、并同时负载Fe3O4纳米颗粒，然后经阳离子化改性制备而成。3.如权利要求2所述纳米磁性阳离子絮凝剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：接枝共聚与负载Fe3O4纳米颗粒：以铁片为阳极、碳棒为阴极，连接直流电源搭建电解池，将糊化淀粉加入到电解池中，将反应体系温度调整至60℃，加入引发体系并搅拌均匀，开启电源同时缓慢加入接枝共聚单体溶液，将反应体系调整至30℃，滴加NaOH溶液调整pH至11～12，再将反应体系调整至70～80℃，通过电化学共沉淀反应生成Fe3O4纳米颗粒，在恒温搅拌条件下，糊状淀粉与丙烯酰胺接枝共聚并包覆Fe3O4纳米颗粒；步骤2：阳离子化改性：保持70～80℃恒温搅拌，加入醚化剂，进行活化反应，得到产物；步骤3：洗涤烘干：将步骤2所得产物使用水和丙酮交替洗涤至中性，干燥，粉碎后即可获得纳米磁性阳离子絮凝剂。4.如权利要求3所述纳米磁性阳离子絮凝剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中糊化淀粉的制备方法包括：按0.1g/ml的固液比称取玉米淀粉和去离子水，密封状态下，70℃恒温糊化1h，得到糊化淀粉。5.如权利要求3所述纳米磁性阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷麟，章凯，俞海祥，乔兴博，董光霞，许智华，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31