一种聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂及其制备方法

摘要

本发明涉及一种聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂及其制备方法，包括将造纸污泥原料直接用碱液溶解粗提木质素，接枝改性制备阳离子型造纸污泥基聚合物，并与聚合氯化铝铁进行混合反应，制备新型高效的复合絮凝剂。所得絮凝剂用于处理模拟染料水样时，投加量在5mg/L时，对分散黄水样的色度去除率稳定在95％以上，同时对不同酸碱度条件下的水样以及其他多种水样，均具有良好的混凝效果。本发明工艺简单，设备需求少，有利于工业化的生产和应用，不仅实现了废物的再利用，而且制备的絮凝剂絮凝效率高，适用范围广，对常见水体污染物均具有良好的处理效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂及其制备方法，属于废物 资源化利用及水处理絮凝剂技术领域。

背景技术

混凝沉降法是目前国内外水工业、水污染治理、海水淡化与节水回用净化处理工程技术 领域中，普遍用来提高处理效率的一种既经济又简便的水质处理方法。水处理技术的创新发 展、工艺流程的简化、运行费用降低以及水质净化质量提高，在很大程度上取决于混凝剂的 性能。应用最广泛的混凝剂是水解性金属盐，如铝盐和铁盐，但铝系混凝剂在使用中存在残 余铝神经毒性问题，铁盐则相对其腐蚀性强，对设备要求高。因而，在水处理特别是饮用水 处理过程中，减少无机混凝剂的投加量是非常有必要的。近年来，天然聚合物和人工合成有 机聚合物由于有机物处理效率高，投加量低，产泥量少，受pH变化影响较小，从而得到迅 速发展，但较高的运行成本抑制了产品的应用。研究表明，将有机高分子作为助凝剂，与无 机混凝剂联合使用，可大大降低无机混凝剂的投加量，同时提高混凝效果。目前国内外有关 化学混凝法的主要研究方向集中于新型高效、低廉、环保、复合的絮凝剂开发，这对治理生 活、工业废水有着十分重要的实际应用价值。

造纸污泥是造纸过程中废水处理的终端产物。由于具有成分复杂、含水量高、处理难度 大、处置费用高(约占造纸废水处理费用的50％以上)等特点，所以污泥处置已成为困扰造 纸企业经营的难题。国内一般选用焚烧、填埋的方式进行处理，但容易造成二次污染，加剧 环境问题。造纸污泥生物质含量丰富，有机物含50％-65％，主要含有纤维素、半纤维素和木 质素等有机物以及填料、絮凝剂等，如何将造纸污泥进行生物质资源化综合利用具有十分重 要的现实意义。

目前，国内造纸污泥的资源化利用主要用于制备活性炭，生产有机肥料、建筑材料、化 学分散剂等，中国专利文献CN102205964A、CN102249745A、CN102503361A及CN1614142 分别公开了造纸污泥资源化利用的相关技术方案。

有关利用造纸污泥为原料合成絮凝剂的报道较少，如中国专利文献CN103265106A公开 了一种利用造纸污泥制备絮凝剂的方法，包括使用碱法造纸过程中产生的造纸污泥为原料， 然后用碱液溶解其中的木质素，将混合液移至反应器，反应器升温至一定温度后，加入无水 亚硫酸钠，反应一定时间，再依次向其中加入双氧水和甲醛，搅拌反应一段时间后，再加入 亚硫酸钠，继续反应一定时间后，将反应器温度降低，再加入尿素进行反应，将上清液中的 絮状物过滤即得絮凝剂。所得絮凝剂产品用于预处理大豆蛋白实际水样时，有效产品的投加 量在370-375mg/L，COD去除率可达35％，总氮去除率可达50％以上。该絮凝剂对合成温度 要求较高，限制其大规模工业生产，且只有在高投加量条件下，对重污染水样具有一定的混 凝效果，对水体中低分子有机物的去除效果不明显，因此该产品存在混凝效率偏低，运行成 本较高，应用水体范围较窄等弊端。

经检索，以造纸污泥为原料制备阳离子型絮凝剂并与无机混凝剂制备复合絮凝剂尚未见 相关文献报道。

发明内容:

针对现有技术的不足，本发明提供一种聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂， 为造纸行业的造纸污泥实现废物资源化，实现造纸工业的可持续发展，减轻了环境压力。

本发明还提供一种聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂的制备方法。

原料说明：

本发明采用的原料造纸污泥为碱法造纸生产过程中产生的造纸污泥，进行干燥后，测得 木质素含量40～45wt％，纤维素为5～10wt％，含水率5wt％，其余为泥土、沙粒及多种无机 盐杂质。

阳离子型高分子造纸污泥基聚合物简称LBF，聚合氯化铝铁简称PFACl。

发明概述：

本发明采用造纸行业中产生的造纸污泥为原料，先合成一种阳离子高分子有机聚合物， 然后与无机混凝剂聚合氯化铝铁进行复合，制得一种新型复合絮凝剂。

本发明的技术方案如下：

一种聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂，所述复合絮凝剂为澄清溶液，是将 造纸污泥先合成阳离子型高分子造纸污泥基聚合物后，与聚合氯化铝铁溶液混合制备而成， 聚合氯化铝铁溶液中Fe与Al的总质量浓度为8～12g/L；其中，造纸污泥基聚合物与聚合氯 化铝铁溶液中Fe与Al的总质量比为1：(1～8)，复合絮凝剂的电位为+25～35mV，粘度为 1.10～1.25mPa·s，分子量为500～1000KDa。

本发明的阳离子型高分子造纸污泥基聚合物阳离子度为28～35％，混合制备而成的复合 絮凝剂可储存时间30d以上。

上述聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂的制备方法，包括步骤如下：

(1)聚合氯化铝铁的制备

称取FeC1₃·6H₂0和A1C1₃·6H₂0固体溶解于去离子水中，控制Fe：Al的质量比为(0.8～ 1.2)：1，逐滴加入Na₂CO₃溶液，控制OH^-：(Fe³⁺+Al³⁺)的摩尔比为(0.5～1.5)：1，搅拌 至固体完全溶解，按照磷、铁摩尔比为(0.06～0.09)：1的比例加入稳定剂Na₂HPO₄·12H₂0 粉末，继续搅拌至完全溶解，加水稀释至Fe与Al的总质量浓度为8～12g/L；制得聚合氯化 铝铁溶液；

(2)阳离子型高分子造纸污泥基聚合物的制备

将所述的造纸污泥溶于去离子水中，造纸污泥与去离子水的质量体积比为2∶(50～60) g/ml；搅拌下滴加NaOH溶液，控制pH在11.0～12.0，搅拌10～30min，取混合物离心， 取上清液，倒入反应器中，调节pH为7.0～8.0；

将反应器加热至70℃～80℃，加入过二硫酸钾，造纸污泥与过二硫酸钾的质量比为2: (0.05～0.07)，通氮气10～15min后，加入乙二胺四乙酸二钠，造纸污泥与乙二胺四乙酸二 钠的质量比为2:(0.05～0.07)，通氮气继续反应3～5min；加入丙烯酰胺和二甲基二烯丙基 氯化铵的混合液，造纸污泥与丙烯酰胺的质量比为2:(1.5～2.5)，造纸污泥质量与二甲基二 烯丙基氯化铵体积的比为2:(6～10)，单位为g/ml，通氮气反应3～5min后，搅拌反应3～ 4h，反应温度70℃～80℃；

反应结束将所得产品冷却至室温，加入丙酮析出反应产物，静置沉淀，取滤渣真空干燥， 得阳离子型高分子造纸污泥基聚合物；

(3)聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂的制备

将步骤(2)制得的阳离子型高分子造纸污泥基聚合物加入步骤(1)制得的聚合氯化铝 铁溶液中，LBF与(Fe+Al)的质量比控制为1：(1～8)，常温下搅拌反应1～5h，即得聚合 氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂。

根据本发明优选的，步骤(1)中FeC1₃·6H₂0与A1C1₃·6H₂0的加入量以Fe、Al计，质 量比为1.0：1。

根据本发明优选的，步骤(1)中，FeC1₃·6H₂0和A1C1₃·6H₂0固体并溶解于去离子水中， 铝铁总质量与去离子水体积比为1：20～35，单位为g/ml。

根据本发明优选的，步骤(1)中OH^-：(Fe³⁺+Al³⁺)的摩尔比为1.0：1。

根据本发明优选的，步骤(1)中稳定剂Na₂HPO₄·12H₂0的加入量以磷计与铁摩尔比为 0.08：1。

根据本发明优选的，步骤(2)中造纸污泥与过二硫酸钾的质量比为2:0.05。

根据本发明优选的，步骤(2)中造纸污泥与乙二胺四乙酸二钠的质量比为2:0.06。

根据本发明优选的，步骤(2)中造纸污泥与丙烯酰胺的质量比为2:2.0，造纸污泥质量 与二甲基二烯丙基氯化铵体积的比为2:(6～8)，单位为g/ml。

根据本发明优选的，步骤(2)中反应温度为70℃，反应时间3h。

根据本发明优选的，步骤(2)中二甲基二烯丙基氯化铵的质量浓度为50～70wt％，优选， 二甲基二烯丙基氯化铵的质量浓度为60wt％。

根据本发明优选的，步骤(2)中真空干燥温度为40～60℃，干燥时间为7～9h，真空 度为130～140Pa，真空度优选133Pa。

根据本发明优选的，步骤(3)中LBF与(Fe+Al)的质量比控制为1：(4～6)，搅拌 反应时间为1～3h。

本发明优选的一个技术方案，聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂的制备方法， 包括步骤如下：

(1)聚合氯化铝的制备

称取9.9～12.4g的A1C1₃·6H₂0和5.3～6.7g的FeC1₃·6H₂0固体并溶解于去离子水中， 逐滴加入Na₂CO₃溶液，控制OH^-：(Fe³⁺+Al³⁺)的摩尔比为0.5～1.5，在磁力搅拌作用下至 完全溶解，待泡沫消失后，按照磷、铁摩尔比为0.08的比例加入稳定剂0.56～0.70g的 Na₂HPO₄·12H20粉末，继续搅拌至完全溶解，最后用蒸馏水稀释定容至250ml，制得(Fe+Al) 的质量浓度为10g/L的聚合氯化铝铁溶液；

(2)阳离子型高分子造纸污泥基聚合物的制备

称取2.0g的造纸污泥溶于150ml的去离子水中，在磁力搅拌下，逐滴滴加NaOH溶液， 控制pH在11.0～12.0中，再搅拌15min至混合均匀，将混合物在8000rpm下高速15min， 取上清液，倒入反应器中，调节上清液pH为7.0～8.0；

将反应器水浴加热至70℃～80℃，加入0.05～0.07g的过二硫酸钾，，通氮气10～15min 后，加入0.05～0.07g的乙二胺四乙酸二钠，通氮气继续反应3～5min；加入1.5～2.5g的丙 烯酰胺和6～10ml的二甲基二烯丙基氯化铵，继续在70℃～80℃水浴条件下反应3～4h；

反应结束将所得产品室温冷却，加入200ml丙酮，搅拌，使反应产物析出，真空抽滤， 取滤渣真空干燥，真空干燥温度50～60℃，干燥6～12h，即得阳离子型高分子造纸污泥基 聚合物；

(3)聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂的制备

将步骤(2)制得的0.125～1g的阳离子型高分子造纸污泥基聚合物加入步骤(1)制得 的100ml的聚合氯化铝铁溶液中，常温下搅拌反应1～5h，即得聚合氯化铝铁—造纸污泥基 聚合物复合絮凝剂。

上述聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂的应用，用于给水、废水处理领域， 絮凝剂投加量为1～20mg/L，优选的，絮凝剂投加量为5mg/L，适用pH为5～10。

本发明方法制备的产品属于聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物复合絮凝剂，经测定，电 位为+25～35mV，性能稳定，保存周期长，混凝效率高，适用于给水、废水处理等领域。经 处理分散黄模拟水样实验测试，本发明所得的絮凝剂投加量为5mg/L时，脱色率稳定在95％ 以上。且对不同酸碱度条件下的水样以及其他多种水样，均具有良好的混凝效果。更为详细 的内容将在以下实施例中加以说明。

本发明利用的是造纸污泥中的碱木质素，发生接枝共聚反应，合成一种阳离子高分子有 机聚合物，并与无机混凝剂聚合氯化铝铁进行复合制备一种新型絮凝剂与现有技术相比，本 发明的优良效果在于：

1.本发明的方法达到了废物资源化的效果，不仅减少了固体废弃物的排放，而且以废治 废，为造纸行业的健康发展提供了新的思路。

2.本发明的絮凝剂产品絮凝效率较高，投加量在5mg/l左右，就可使脱色去除率稳定在 95％以上，且对不同酸碱度条件下的水样以及其他多种水样，均具有良好的混凝效果；

3.本发明的絮凝剂产品无毒害，生产工艺简单，设备需求少，使用范围广，可以降低实 际水处理的基建成本和运行成本，易于实现工业化生产。

4.絮凝剂产品本身正电性高，结合位点多，分子链长，可以有效结合水体中的各种分子 量的污染物并进一步团聚、去除，混凝效率高。产品的储存时间长，不易变质。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例中使用的原料造纸污泥是碱法造纸生产过程中产生的造纸污泥，进行干燥后，测 得木质素含量40～45wt％，纤维素为5～10wt％，含水率5wt％，其余为泥土、沙粒及多种无 机盐杂质。

实施例1.不同铝铁质量比的复合絮凝剂(PFACl-LBF)的制备

(1)称取三组不同铝铁质量比的A1C1₃·6H₂0和FeC1₃·6H₂0固体并溶解于去离子水中， 分别为第一组，A1C1₃·6H₂0：9.9g、FeC1₃·6H₂0：6.7g；第二组，A1C1₃·6H₂0：11.2g、FeC1₃·6H₂0： 6.0g；第三组，A1C1₃·6H₂0：12.4g、FeC1₃·6H₂0：5.3g。逐滴加入Na₂CO₃溶液，控制碱化 度OH^-：(Fe³⁺+Al³⁺)的摩尔比为1.0，在磁力搅拌器的作用下至完全溶解。待泡沫消失后， 按照磷、铁摩尔比为0.08的比例加入稳定剂0.60g的Na₂HPO₄·12H₂0粉末，继续搅拌至完 全溶解。最后用蒸馏水稀释定容至250ml，制得(Fe+Al)的质量浓度为10g/L的聚合氯化 铝铁溶液；

(2)称取2.0g的造纸污泥溶于150ml的去离子水中，在磁力搅拌下，逐滴滴加NaOH 溶液，控制pH在11.5中，再搅拌15min至混合均匀。将混合物在8000rpm下高速15min， 取上清液，倒入三口烧瓶中，调节粗液pH为7.5；

将三口烧瓶水浴加热至70℃，加入0.50mg的过二硫酸钾，通氮气15min后，加入60mg 的乙二胺四乙酸二钠，通氮气继续反应3min；加入2.0g的丙烯酰胺和6ml的二甲基二烯丙 基氯化铵，继续在70℃水浴条件下反应3h；

反应结束将所得产品室温冷却，加入200ml丙酮，搅拌，使反应产物析出，真空抽滤， 取滤渣真空干燥，真空干燥温度50℃，干燥6h，即得产品。

(3)将步骤(2)制得的0.25g的造纸污泥基聚合物(简称LBF)加入步骤(1)制得的 100ml的聚合氯化铝铁溶液中，常温下搅拌反应2h，即得不同铝铁质量比聚合氯化铝铁—造 纸污泥基聚合物复合絮凝剂的三个产品。

实施例2.不同碱化度的复合絮凝剂(PFACl-LBF)的制备

与实施例1所述相同，所不同的是A1C1₃·6H₂0的投加量为11.2g、FeC1₃·6H₂0的投加量 6.0g，步骤(1)中无水碳酸钠的添加量分别为7.3g、14.6g、21.9g，即得不同碱化度的复合 絮凝剂产品。

实施例3.不同丙烯酰胺添加量的复合絮凝剂(PFACl-LBF)的制备

与实施例2所述相同，所不同的是无水碳酸钠的添加量固定为14.6g，步骤(2)中丙烯 酰胺的添加量分别为1.0g、2.0g、3.0g、4.0g，即得不同丙烯酰胺添加量的复合絮凝剂产品。

实施例4.不同二甲基二烯丙基氯化铵添加量的复合絮凝剂(PFACl-LBF)的制备

与实施例3所述相同，所不同的是丙烯酰胺的添加量固定为2.0g，步骤(2)中二甲基 二烯丙基氯化铵添加量的添加量分别为4ml、6ml、8ml、10ml，即得不同二甲基二烯丙基氯 化铵添加量的复合絮凝剂产品。

实施例5.不同混合反应时间的复合絮凝剂(PFACl-LBF)的制备

与实施例4所述相同，所不同的是二甲基二烯丙基氯化铵添加量固定为6ml，步骤(3) 中的混合反应时间为1h、2h、3h、4h，即得不同混合反应时间的复合絮凝剂产品。

应用试验：

模拟染料水样的制备：

称取0.1g的分散黄染料，加入至1L的自来水中，持续搅拌至染料完全溶解，即配成100 mg/L的模拟分散黄水样。称取0.1g的活性翠兰染料，加入至1L的自来水中，持续搅拌至 染料完全溶解，即配成100mg/L的模拟活性翠兰水样。

腐殖酸-高岭土模拟水样的制备：

腐殖酸储备液：称取1.0g腐殖酸和0.4g氢氧化钠，加入约800ml左右的去离子水中，持 续搅拌0.5h，定容至1L，即配成1g/L的腐殖酸储备液；高岭土悬浊液：称取5.0g高岭土， 加入1L的去离子水中持续搅拌0.5h，转移至1L的量筒中，静止0.5h，取上部500ml悬浊液 以备用。

混凝实验腐殖酸-高岭土模拟水样的配制：取体积比为1:1的去离子水和自来水，向其中 加入上述腐殖酸储备液和高岭土悬浊液，使腐殖酸浓度为10mg/L，浊度为15.0±0.5NTU。

以本发明的产品做絮凝剂处理模拟水样，投加量以(Al+Fe)的质量浓度(mg/L)计， 最后出水处理效果以色度(吸光度)去除率(％)以及溶解性有机碳(DOC)去除率(％) 表示。

应用实例1：将上述实施例1制备的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物(PFACl-LBF) 应用于模拟分散黄染料水样的处理，处理效果列于下表1。

表1模拟分散黄染料水样的色度去除率(％)

综上表可知，铝铁质量比对复合絮凝剂PFACl-LBF的品质有一定的影响，总体来看， 在铝铁质量比为1:1时，混凝效果最好。增加铝含量或者增加铁含量，会适当减弱混凝脱色 率，且增加水中残余铝和残余色度的风险，因此优选铝铁质量比为1:1。

应用实例2：将上述实施例2制备的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物(PFACl-LBF) 应用于模拟分散黄染料水样的处理，处理效果列于下表2。

表2模拟分散黄染料水样的色度去除率(％)

碱化度的改变会影响铝、铁离子在水中的水解形态，随着碱化度的上升，铝、铁离子更 易水解为聚合态的水解产物，从而提高网捕卷积以及电中和作用。因此，碱化度为1.0时， PFACl-LBF的混凝效果明显优于碱化度为0.5的复合絮凝剂。但当碱化度继续升高，混凝效 率改变不大。结合经济成本以及絮凝剂的储存时长等问题，碱化度优选为1.0。

应用实例3：将上述实施例3制备的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物(PFACl-LBF) 应用于模拟分散黄染料水样的处理，处理效果列于下表3。

表3模拟分散黄染料水样的色度去除率(％)

丙烯酰胺的主要作用是与造纸污泥中的木质素分子相结合形成聚合态物质，提高絮凝剂 的分子量，从而提高产品的吸附架桥作用。随着丙烯酰胺增加为2.0g时，混凝效率有明显 的提高，当丙烯酰胺的量进一步增加，脱色率的增长趋势不明显。且当丙烯酰胺的量过高时， 会进一步影响步骤(3)中的混合反应时间，从而增加运行成本。因此，丙烯酰胺的量优选 为2.0g。

应用实例4：将上述实施例4制备的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物(PFACl-LBF) 应用于模拟分散黄染料水样的处理，处理效果列于下表4。

表4模拟分散黄染料水样的色度去除率(％)

二甲基二烯丙基氯化铵可以与纸污泥中的木质素分子接枝共聚从而引入阳离子的季铵 基团，制备出阳离子型的造纸污泥基聚合物。阳离子基团可与水体中的阴性污染物发生电中 和作用，进一步的团聚、沉淀并去除，达到水体净化的目的。综合上表来看，二甲基二烯丙 基氯化铵的量维持在6-8ml时，混凝效果较好，过高或过低都会降低混凝效果。结合经济成 本，二甲基二烯丙基氯化铵的量优选为6ml。

应用实例5：将上述实施例5制备的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物(PFACl-LBF) 应用于模拟分散黄染料水样的处理，处理效果列于下表5。

表5模拟分散黄染料水样的色度去除率(％)

由于造纸污泥基絮凝剂相比较于传统高分子絮凝剂，溶解性较好，可以有效地降低与无 机盐的混合反应时间。当混合时间过短时，混合不彻底，影响混凝效果；当混合时间多长时， 容易造成无机盐的水解产物或者造纸污泥基聚合物的分解，从而降低混凝效率，综上表数据 可知，混合反应时间优选为2h。

应用实例6：将以上实施例1制备的优选后的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物 (PFACl-LBF)用于不同pH条件下模拟染料水样的处理，投加量固定为5mg/L，并与PFACl 及LBF进行对比混凝效率，处理效果列于下表6。

表6模拟分散黄染料水样的色度去除率(％)

从上表可看，在pH范围5-10之间，PFACl的混凝效果受pH的影响最大。PFACl-LBF 及LBF受pH的影响较小。且PFACl-LBF的脱色率远高于其他两种化学药剂，这也在一定程 度上扩大了PFACl-LBF的应用范围。

应用实例7：将以上实施例1制备的优选后的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物 (PFACl-LBF)用于不同pH条件下模拟活性翠兰染料水样的处理，投加量固定为5mg/L， 并与PFACl及LBF进行对比混凝效率，处理效果列于下表7。

表7模拟活性翠兰染料水样的色度去除率(％)

从上表可以看出，对比与PFACl及LBF两种药剂，PFACl-LBF对活性染料废水仍具有 良好的脱色效果，脱色率最高也提高50％以上，且在试验的pH条件区间内，脱色率的波动 范围小，稳定高。

应用实例8：将以上实施例1制备的优选后的聚合氯化铝铁—造纸污泥基聚合物 (PFACl-LBF)用于不同pH条件下模拟腐殖酸-高岭土水样的处理，投加量固定为3mg/L， 并与PFACl及LBF进行对比混凝效率，处理效果列于下表8。

表8模拟腐殖酸-高岭土水样的DOC去除率(％)

从上表可知，PFACl-LBF对低分子量污染物腐殖酸也有良好的去除效果，也相比较于 PFACl及LBF来说，混凝效果随pH的变化区间较小，而且显著提高DOC去除率达20％左 右。