聚丙烯酰胺絮凝劑對(duì)懸浮光催化體系TiO2的絮凝回收再利用.pdf

1、光催化技術(shù)是20世紀(jì)70年代逐漸發(fā)展起來的一門新型環(huán)保技術(shù)，在所有半導(dǎo)體光催化劑中TiO2由于其自身無毒、無害、無二次污染，光催化活性強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)、能反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究最多的光催化劑。近年來應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，可應(yīng)用于化妝品、功能纖維、塑料、油漆、精細(xì)陶瓷等，在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用也得到了快速的發(fā)展。納米TiO2光催化劑的研究及應(yīng)用形式主要分為懸浮體系和負(fù)載體系。懸浮態(tài)的納米T iO2具有較大的表面積，光催化效率高，但存在

2、著易團(tuán)聚、分離困難、難以回收利用等缺點(diǎn)。負(fù)載體系雖然解決了難以回收的問題，但光催化效率大大降低。磁載光催化體系應(yīng)運(yùn)而生，雖然解決了光催化效率降低的問題但制備過程繁瑣，材料成型困難，難以工業(yè)化應(yīng)用。絮凝沉淀是水處理過程中重要單元之一，應(yīng)用廣泛，成本低廉。其主要作用對(duì)象是水中不溶性物質(zhì)形成的憎液溶膠及懸浮顆粒。懸浮體系中TiO2的顆粒粒徑分布在225～1151nm的范圍內(nèi)，屬于典型的膠體分散體系。因此通過投加絮凝劑使懸浮體系中的TiO2絮凝

3、沉降從而與水分離，這一想法在理論上是可行的。Ki-Chang Lee等[11]利用P25TiO2光催化降解1,4-二氧雜環(huán)己烷后利用絮凝劑(PAHCS) Al13(OH)28C19SO4絮凝沉降P25 TiO2，絮凝劑濃度為8～12mg/L時(shí)，懸浮液濁度可以達(dá)到0.5NTU。實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)討論了絮凝劑的最佳投加量及pH值，實(shí)驗(yàn)表明相較于無機(jī)高分子絮凝劑，有機(jī)合成高分子絮凝劑對(duì)懸浮體系中的P25 TiO2具有更好絮凝沉降效果，其中非離子型

4、聚丙稀銑胺效果最好。
　　本文在實(shí)驗(yàn)室已有研究的基礎(chǔ)上，采用非離子聚丙烯酰胺(NPAM)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、陰離子聚丙烯酰胺（APAM）三種聚丙烯酰胺類絮凝劑分別對(duì)懸浮光催化體系中的TiO2進(jìn)行絮凝回收，詳細(xì)研究其投加量、絮凝動(dòng)力學(xué)因素、不同再分散方法對(duì)TiO2光催化劑絮凝回收及再利用效果的影響，建立一種懸浮光催化體系納米TiO2聚丙烯酰胺絮凝劑絮凝沉降回收再利用的路線。選取非離子聚丙烯酰胺(NPAM)、陽離子聚丙烯酰

5、胺(CPAM)、陰離子聚丙烯酰胺（APAM）三種聚丙烯酰胺類絮凝劑分別對(duì)懸浮光催化體系中的TiO2進(jìn)行絮凝回收。選定攪拌速度、攪拌時(shí)間和沉淀時(shí)間進(jìn)行絮凝攪拌實(shí)驗(yàn)，以懸浮液剩余濁度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到最佳投加量。在最佳投加量條件下通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化絮凝動(dòng)力學(xué)條件。探討不同超聲功率及超聲時(shí)間對(duì)絮凝沉降后TiO2光催化劑催化效果的影響。在最佳投加量、最優(yōu)絮凝動(dòng)力學(xué)條件及最佳超聲時(shí)間、超聲功率條件下投加絮凝劑NPAM對(duì)懸浮光催化體系中的TiO2絮凝沉

6、降，進(jìn)行“絮凝回收-再分散-光催化”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行10次，考察每一次回收后的TiO2對(duì)苯酚的降解率。通過核算10次“絮凝回收-再分散-光催化”實(shí)驗(yàn)過程中NPAM投加量與P25 TiO2投加量，評(píng)價(jià)P25 TiO2光催化劑絮凝回收再利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　本研究表明：⑴絮凝劑NPAM、CPAM、APAM均可以使懸浮光催化體系中的P25 TiO2很好的絮凝沉降與水分離，但在P25 TiO2懸體系中均存在最佳濃度。濃度過高或者過低都不

7、能得到最佳的絮凝沉降效果。NPAM、CPAM、APAM在懸浮液中的最佳濃度分別為8 mg/L、9 mg/L、4mg/L，相對(duì)應(yīng)的懸浮液剩余濁度分別為2.78NTU、4.43NTU、4.61NTU。⑵采用正交實(shí)驗(yàn)，選擇L9（34）正交試驗(yàn)表，對(duì)絮凝攪拌條件進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)沉淀時(shí)間設(shè)計(jì)5水平單因素實(shí)驗(yàn)，最終得到絮凝劑NPAM、CPAM、APAM最優(yōu)絮凝動(dòng)力學(xué)條件。對(duì)優(yōu)化條件進(jìn)行驗(yàn)證，得到其相對(duì)應(yīng)的懸浮液剩余濁度分別為1.28NTU、3.11

8、NTU、3.19 NTU。與未優(yōu)化條件得到的濁度相比，懸浮液剩余濁度分別下降1.5 NTU、1.32 NTU、1.42 NTU，說明絮凝動(dòng)力學(xué)因素得到優(yōu)化。⑶最優(yōu)絮凝動(dòng)力學(xué)條件下絮凝劑NPAM、CPAM、APAM對(duì)懸浮體系P25 TiO2的絮凝回收率分別為99.6％、99.4%、99.4%。⑷懸浮體系中的P25 TiO2光催化劑可以通過自然沉降與水分離，沉淀時(shí)間24h后，懸浮液濁度不再發(fā)生明顯變化，最終剩余濁度為10.2NTU。采用絮凝

9、沉淀法總體消耗時(shí)間小于40min，濁度小于4NTU。相比之下，自然沉淀消耗時(shí)間長(zhǎng)，懸浮液剩余濁度較高，顆粒分散難以回收。⑸懸浮體系中的P25 TiO2光催化劑經(jīng)超聲振蕩后顆粒粒徑分布集中，粒徑在225～1151nm的范圍內(nèi)累積分布率為100%。投加絮凝劑后，P25 TiO2顆粒粒徑明顯增大，但經(jīng)超聲振蕩可將其再次分散到理想的粒徑分布。通過SEM分析，可以表明投加絮凝劑并沒有改變P25 TiO2的外貌形態(tài)。⑹將絮凝劑NPAM、CPAM、A

10、PAM形成的P25 TiO2絮體直接進(jìn)行光催化降解苯酚的實(shí)驗(yàn)，相較于初始P25 TiO2的光催化效率，絮體P25 TiO2對(duì)苯酚的光催化效率分別下降了6.5%、7.7%、7.0%。絮體經(jīng)超聲再分散可以恢復(fù)對(duì)苯酚的光催化降解率。⑺絮凝劑NPAM與P25 TiO2光催化劑對(duì)濃度為25mg/L的苯酚只有極其微弱的吸附作用，苯酚的降解主要是TiO2的光催化作用。⑻利用絮凝劑NPAM對(duì)懸浮體系中的P25 TiO2進(jìn)行10次“絮凝回收-再分散-光催