PDMDAAC在海水混凝过程中的助凝作用

赵　瑾，王文华，姜天翔，王树勋，王　静，张雨山

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津300192）

PDMDAAC在海水混凝过程中的助凝作用

赵瑾，王文华，姜天翔，王树勋，王静，张雨山

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津300192）

将PAC与PDMDAAC协同使用处理近岸海水，考察其对海水中污染物的混凝效能，监测絮体厚度的变化过程，并分析稳定动力学规律。结果表明，与单独投加PAC相比，PAC与PDMDAAC协同作用下的絮凝效果较好，对海水中浊度和磷酸盐的去除率可分别提高22.3%、22.0%，生成的絮体厚度较大，絮凝持续时间较短，说明PDMDAAC有显著的助凝作用。从体系稳定性角度分析絮凝机理，投加PDMDAAC的海水体系具有较大的稳定动力学参数，使海水更易脱稳。

聚二甲基二烯丙基氯化铵；助凝；海水

随着我国经济的快速发展，淡水资源严重短缺，充分利用海水资源是缓解沿海地区水资源危机的重要举措。由于海水利用工程所用海水一般为近岸海水，悬浮物、胶体及有机物含量较高，水质恶劣且波动较大，在利用前必须经过净化处理。絮凝是海水预处理过程中的重要操作单元，絮凝剂的选择是决定絮凝效能的核心。目前水处理中应用较多的为无机高分子絮凝剂〔1〕，此类絮凝剂是在传统的铝盐、铁盐絮凝剂基础上发展起来的一类高分子絮凝剂，具有分子质量大、成本低、应用范围广等优点。但海水含有大量悬浮粒子、胶体、微生物及氮、磷等污染物，且常年处于低温低浊状态，稳定性强，能被絮凝剂捕获的微粒数量较少，因此单纯使用无机高分子絮凝剂效果并不理想，形成的絮体细而小，沉降速度较慢。此外，关于絮凝的研究多集中在絮凝性能及机理上〔2〕，对絮体分层厚度及稳定动力学的研究较少。

聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）是一种带正电荷的有机高分子助凝剂，水溶性好、高效无毒、成本低廉〔3〕。笔者以PAC为絮凝剂、PDMDAAC为助凝剂净化处理近岸海水，考察其对浊度、磷酸盐的去除效果，同时监测絮体分层的厚度以反映絮体沉降变化过程，并进行海水体系稳定动力学分析。

1　材料与方法

1.1仪器与试剂

TA6-2型程控混凝试验搅拌仪，武汉恒岭科技有限公司；2100Q浊度仪，美国哈希公司；Turbiscan Lab分散稳定性分析仪，法国Formulaction公司；Smartchem300间断化学分析仪，意大利AMS公司。

聚合氯化铝（PAC），天津市聚鑫源水处理技术开发有限公司；聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC），山东鲁岳化工有限公司，黏度1 000～3 000 mPa·s。

1.2试验用水

试验所用水样为天津塘沽近岸海水，水质情况如表1所示。

表1　试验用海水水质

1.3试验方法

采用程控混凝试验搅拌仪进行混凝试验，在快速搅拌阶段开始时投加聚合氯化铝，转速为200 r/min，搅拌时间1.5 min；在慢速搅拌阶段开始时投加PDMDAAC，转速为60 r/min，搅拌时间10 min。提起搅拌桨，静置20 min，于液面2 cm以下取样，分析混凝前后海水中的各污染物。

1.4体系稳定性分析

1.4.1Turbiscan Lab工作原理

Turbiscan Lab稳定性分析仪通过多重光散射技术，探测样品的不同部位在不同扫描时间下透射光与背散射光的光线变化，通过Turbisoft软件计算出体系稳定性参数及絮体分层厚度的变化情况。

1.4.2测定方法

在快速混凝试验阶段取样，加入测试瓶中，液面高度约为55 mm。待稳定性分析仪稳定后，将测试瓶放入样品池，每1 min扫描1次，共扫描11次，测试温度为30℃。利用Turbisoft软件测定混凝过程中絮体厚度的动态变化过程和背散射光平均变化率ΔBS，综合评价海水体系稳定性。

2　结果与讨论

2.1絮凝前后浊度的变化情况

以浊度为考察指标，在PAC投加量分别为5、10、20、30、40 mg/L，PDMDAAC投加量为 0.5 mg/L时，考察PAC与PDMDAAC协同作用下对海水的混凝效果，并与单独投加PAC作对比，结果见图1。

如图1所示，与单纯投加PAC相比，投加PDMDAAC提高了对浊度的去除效果。当PAC投加量分别为5、10、20、30、40mg/L时，对浊度的去除率分别为52.2%、66.3%、77.3%、80.6%、75.6%；在此基础上投加等量的PDMDAAC，浊度去除率有所提高，絮凝后的浊度＜1 NTU，说明PDMDAAC具有助凝作用。

图1　絮凝剂对浊度的去除效果

快速搅拌使絮凝剂分散在海水中并与胶体微粒快速混合发生碰撞。海水中的胶体表面带有负电荷，静电斥力使其处于悬浮态，具有较强的分散稳定性〔4〕。投加PAC后，电解质的电中和作用减少了带电荷胶体的数量，进而减弱粒子间的静电斥力，悬浮胶体逐渐脱稳，颗粒间距离变小并碰撞最终形成絮体；投加PDMDAAC后，PDMDAAC充分发挥其吸附架桥作用，使絮体变大，加速沉淀，增强了絮凝效果。

2.2絮凝前后磷酸盐的变化情况

与单独投加PAC作对比，考察PAC与PDMDAAC协同作用下（PAC投加量分别为5、10、20、30、40mg/L，PDMDAAC投加量为0.5 mg/L）对海水中磷酸盐的去除效果，结果见图2。

图2　絮凝剂对磷酸盐的去除效果

如图2所示，随着PAC投加量的增加，磷酸盐去除率先增大后减小，PAC最佳投加量为30 mg/L；高投加量的絮凝剂增加了絮体数量，加大了微粒之间的碰撞概率，并通过吸附电中和作用使微粒脱稳；当投加过量的絮凝剂时，微粒表面吸附了过量的带电荷的絮凝剂，海水又重新达到稳定状态。当PAC投加量分别为5、10、20、30、40 mg/L，PDMDAAC投加量为0.5 mg/L时，海水中磷酸盐的去除率分别为80.3%、83.6%、88.3%、90.5%、85.2%，与单纯投加PAC相比，去除率提高了20%左右，PDMDAAC改善了絮凝效能，提高了对海水中磷酸盐的去除率。

2.3絮体分层厚度分析

借助Turbiscan Lab稳定性分析仪，考察PAC与PDMDAAC协同使用下海水絮凝过程中絮体厚度的变化规律，如图3所示。

图3　絮凝剂投加量对分层厚度的影响

絮体分层的厚度特征能直观反映絮体沉降变化过程。由图3可知，未加絮凝剂的天然海水沉降速度较慢，在第5分钟才开始有明显的沉降分层厚度，第6分钟分层厚度不再变化，沉降过程结束，分层厚度为36.7 mm。与之相比，投加絮凝剂的海水沉降较快，絮体厚度均在第2分钟有所变化，且沉降持续过程较长；其中单独使用PAC产生的絮体厚度为38.3 mm，沉降过程在第 8分钟结束；PAC与PDMDAAC协同使用产生的絮体厚度为41.4 mm，沉降过程在第7分钟结束，持续的时间要比单独使用PAC要短。海水在自然状态下仅有些粗砂沉降，悬浮胶体基本保持分散稳定状态，因此其沉降厚度最小；由于PDMDAAC的吸附与架桥作用加快了海水中颗粒的凝聚速度，因此PAC与PDMDAAC协同作用下的絮凝效果最好，生成的絮体厚度最大，整个絮凝的持续时间也相对较短。

2.4絮凝剂对海水稳定性的影响分析

采用稳定性分析仪测定海水体系的稳定性指数，计算得到背散射光平均变化率的均值ΔBST，以此作为海水体系稳定性的评价指标，比较絮凝剂的投加对海水体系稳定性的影响，结果见图4。

图4　絮凝剂对海水稳定动力学的影响

通过监测背散射光平均变化率，可在短时间内判断出体系分散粒子的聚集和絮凝状况〔5〕。ΔBST变化越小，稳定动力学参数越小，其体系稳定性越强。由图4可知，扫描10 min内，未加絮凝剂、投加PAC、投加PAC与PDMDAAC的3种海水的背散射光平均变化率的稳定动力学曲线呈逐渐上升趋势，其稳定动力学参数分别为2.4、18.4、28.2。PAC的吸附与架桥作用较弱，相对分子质量低，产生的絮体较松散、细小，而投加PAC与PDMDAAC得到的稳定动力学参数最大，说明体系中的悬浮粒子和胶体越易脱稳，絮凝效果显著。

3　结论

（1）协同使用PDMDAAC与PAC能提高絮凝效能，PDMDAAC的助凝效果显著。试验条件下对海水中浊度和磷酸盐的最高去除率可分别达 92.5%、90.5%。（2）PDMDAAC的吸附与架桥作用加快了海水中颗粒的凝聚速度，生成的絮体厚度最大，缩短了絮凝时间。（3）投加PAC与PDMDAAC使海水体系具有较大的稳定动力学参数，PDMDAAC改善了絮凝效果，使体系中的悬浮粒子和胶体更易脱稳。

［1］彭倩，王娟，丁玉强.聚硅酸亚铁复合絮凝剂的制备及性能研究［J］.当代化工，2015，44（2）：245-248.

［2］赫俊国，刘剑，何开帆，等.PAC投加对絮体破碎后再絮凝特性和颗粒去除的影响［J］.哈尔滨工业大学学报，2015，47（2）：13-18.

［3］高宝玉，王燕，岳钦艳，等.PAC与PDMDAAC复合絮凝剂中铝的形态分布［J］.中国环境科学，2002，22（5）：472-476.

［4］朱文亭.海水浊度特性和混凝机理的探讨［J］.城市环境与城市生态，1993，6（4）：7-10.

［5］郭勇飞，尹明明，陈福良.光散射技术在4.5%高效氯氰菊酯水乳剂物理稳定性研究中的应用［J］.农药学学报，2010，12（1）：79-84.

Coagulation aid function of PDMDAAC in the process of seawater coagulation

Zhao Jin，Wang Wenhua，Jiang Tianxiang，Wang Shuxun，Wang Jing，Zhang Yushan
（Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization，Tianjin 300192，China）

PAC and PDMDAAC have been used synergistically for treating seawater from nearshore.The coagulation effect of flocculants on the pollutants in seawater is investigated，the changing process of the thickness of the flocs is monitored，and the rule of stability kinetics is analyzed.The results show that compared with using PAC singly，using PAC and PDMDAAC synergistically has better flocculation effect.The removing rates of turbidity and phosphate are increased by 22.3%and 22.0%.The thickness of the generated flocs is higher and the duration of flocculation is shorter.It indicates that PDMDAAC has obvious flocculation aid function.In addition，the mechanism of flocculation is analyzed at an angle of system stability.Seawater system added with PDMDAAC has large stability kinetics parameters，so that the seawater is apt to be destabilized.

PDMDAAC；coagulation aid；seawater

TQ314

A

1005-829X（2016）04-0077-03

海洋公益性行业科研专项项目（201105026，201405035）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（K-JBYWF-2015-G20）

赵瑾（1982—），硕士，E-mail：jane19821206@126.com。

2016-03-01（修改稿）