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變廢為“寶”,生命之源

閱讀:597      發(fā)布時(shí)間:2020-6-1
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水是生命之源,萬(wàn)物之母,生存之本!

 

地球上70%-75%被水資源覆蓋,但海水占總儲(chǔ)量的97.3%,而淡水僅占2.7%,可見(jiàn)可飲用的水資源匱乏,不僅需要節(jié)約用水,也得減少水污染,從源頭保護(hù),才是重中之重。

水處理目標(biāo)是改變水質(zhì),去除水中不需要的顆粒,加入物質(zhì)調(diào)節(jié)水的pH值或電導(dǎo)率等參數(shù)。它是一個(gè)凈化廢水并返回水循環(huán)的過(guò)程。

廢水包含需要去除的顆粒污染物。每個(gè)顆粒有電荷分布在它的表面,或負(fù)或正或者是兩者的混合。Zeta電位反映懸浮液中顆粒表面電荷的大小,同樣是膠體懸浮液穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。Zeta電位值越大,顆粒間靜電排斥力越強(qiáng),懸浮液存在越穩(wěn)定。經(jīng)驗(yàn)顯示值大于30mV通常表明好的膠體懸浮液穩(wěn)定性。

圖1 懸浮液穩(wěn)定性和zeta電位關(guān)系

     相反,zeta電位值小于30mV被認(rèn)為是不穩(wěn)定膠體。這種情況下,靜電排斥力弱,一位置顆粒間吸引力可能超過(guò)排斥力,顆??赡軋F(tuán)聚。

廢水中負(fù)電荷顆粒的一種典型物質(zhì)是膨潤(rùn)土,一種片狀納米顆粒結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽黏土。廢水處理工廠通常使用的一種凝結(jié)劑是硫酸鋁或者叫明礬,一種陽(yáng)離子添加劑化學(xué)式為Al2(SO4)3•14H2O。在這篇應(yīng)用報(bào)告中,我們通過(guò)DLS和ELS測(cè)試研究了明礬添加劑對(duì)膨潤(rùn)土納米黏土懸浮液的作用。

實(shí)驗(yàn)

膨潤(rùn)土樣品通過(guò)分散0.01g的膨潤(rùn)土黏土粉末于10mL去離子水中制備,超聲15分鐘來(lái)分散顆粒。添加不同濃度的明礬,手搖幾分鐘進(jìn)行混合。

安東帕Litesizer™ 500用于測(cè)試。Zeta電位用歐米茄樣品池在25℃下測(cè)試,電壓和回合數(shù)由儀器自動(dòng)選擇。對(duì)于粒徑測(cè)試,1mL的樣品被轉(zhuǎn)移到一次性樣品池中。角度、濾光和聚焦位置自動(dòng)確定。每個(gè)樣品進(jìn)行連續(xù)三次測(cè)試。

 

結(jié)果與討論

首先研究不包含添加劑(0ppm明礬)的膨潤(rùn)土樣品。結(jié)果顯示一個(gè)單峰的粒徑分布(圖2,上圖),峰值是547nm,多分散指數(shù)是16.2%。Zeta電位是-34.2mV表明膠體懸浮液穩(wěn)定。

圖2 沒(méi)有添加劑的膨潤(rùn)土:粒徑(上圖)和zeta電位分布(下圖)

 

加入0.01ppm的明礬后,粒徑分布顯示兩個(gè)不同的峰,向更大粒徑偏移和多分散指數(shù)增加(圖3上圖)。然而,加入明礬沒(méi)有影響懸浮液的zeta電位,與未添加的膨潤(rùn)土保持一致(圖2、3的下圖)。

 

圖3 加入0.01ppm明礬的膨潤(rùn)土:粒徑(上圖)和zeta電位(下圖)分布

 

實(shí)驗(yàn)繼續(xù)在膨潤(rùn)土中加入更大量的明礬。如圖4所示,當(dāng)明礬添加到10ppm時(shí)粒徑緩慢增加到1000nm。然而,直到明礬增加到10ppm添加對(duì)懸浮液的zeta電位沒(méi)有指示性作用仍然穩(wěn)定(-30mV左右)。這表明膠體仍然處于穩(wěn)定狀態(tài),與我們對(duì)樣品可見(jiàn)的觀察一致。

圖4  添加明礬到0.1%膨潤(rùn)土的zeta電位(紅色)和粒徑(灰色)測(cè)試。結(jié)果用三次連續(xù)測(cè)試平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

 

然而,當(dāng)100ppm明礬加入到膨潤(rùn)土?xí)r,觀察到樣品行為重大的改變(圖4)。當(dāng)zeta電位值開(kāi)始變小,粒徑飆升至3000nm,清楚表明膠體穩(wěn)定性下降和絮凝過(guò)程開(kāi)始。在明礬加入到200ppm時(shí),zeta電位值接近于0,表明達(dá)到等電點(diǎn)(圖4和圖5)。有意思的是,明礬從100ppm增加到200ppm,粒徑?jīng)]有繼續(xù)增加仍然是3000nm,表明明礬100ppm時(shí)絮凝已經(jīng)完成。

圖5 加入200ppm明礬的膨潤(rùn)土:粒徑(上圖)和zeta電位(下圖)分布

 

值得注意的是,連續(xù)測(cè)量的透光率數(shù)值確認(rèn)了100ppm和200ppm膨潤(rùn)土樣品(圖6紫線和藍(lán)線)中大團(tuán)聚的形成。事實(shí)上,對(duì)于這些樣品,我們觀察到在重復(fù)系列dei一和第三次之間,透光率數(shù)值劇烈的增加。這清楚表明在測(cè)試過(guò)程中團(tuán)聚沉淀于歐米伽樣品池,導(dǎo)致激光路徑上樣品渾濁度的逐漸降低。這與膨潤(rùn)土中添加明礬到10ppm所做的透光率測(cè)試形成強(qiáng)烈對(duì)比,透光率數(shù)值在重復(fù)系列過(guò)程中保持穩(wěn)定-正如一個(gè)穩(wěn)定膠體懸浮液的預(yù)期(圖6,灰色、紅色和綠色線)。

有趣的是,雖然明礬從100ppm增加到200ppm粒徑?jīng)]有進(jìn)一步增大,三次運(yùn)行測(cè)試后添加200ppm明礬的膨潤(rùn)土透光率大于100ppm添加的膨潤(rùn)土(75%對(duì)28%)。這表明前者樣品沉淀快于后者,這是工廠通過(guò)沉淀進(jìn)行廢水處理的重要性指標(biāo)。

圖6 DLS重復(fù)系列記錄的透光率數(shù)值,純膨潤(rùn)土(灰色)、添加1ppm明礬(紅色),10ppm(綠色),100ppm(紫色)和200ppm(藍(lán)色)。時(shí)間間隔:dei一次到第二次:380秒;第二次到第三次:200秒。

 

結(jié)論

使用安東帕Litesizer™ 500監(jiān)測(cè)zeta電位和粒徑,我們能夠確定需要什么凝結(jié)劑濃度讓0.1%膨潤(rùn)土膠體懸浮液不穩(wěn)定。我們觀察到需要100ppm的明礬凝結(jié)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)絮凝,正如zeta電位值的下降同時(shí)粒徑急劇增大驗(yàn)證。雖然增加明礬到200ppm不會(huì)進(jìn)一步增大粒徑峰值,透光率測(cè)試表明樣品比100ppm明礬沉淀更快-對(duì)廢水處理去除顆粒物有重要意義。

通過(guò)建立濃度系列,安東帕Litesizer™ 500使用者能夠輕松調(diào)整給定顆粒濃度廢水的凝結(jié)劑劑量。凝結(jié)劑zei佳劑量可以同時(shí)由zeta電位和粒徑測(cè)試確定。而且,同時(shí)記錄的透光率能夠給出額外的樣品行為有用信息

 

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