1、本科毕业论文（20 届）海水淡化浓水絮凝剂在高浊度水中的应用研究所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要海水淡化过程产生的浓海水直接排放将对生态环境造成影响。随着人类水资源的日益短缺，海水淡化产业的规模将不断增加，这一问题将会逐渐突显出来，并将引起世界各国的关注。浓海水排放已成为海水淡化的主要问题，而且可能是海水淡化工业的主要限制因素。浓海水是指海水经淡化技术提取淡水后，海水被浓缩一倍左右的部分，以及海水作为工业循环冷却水时，海水中的水分逐渐挥发，在海水的浓度增加一倍左右后排放的部分。水淡化产业在舟山得到了一定发展，但是由于经济、技术等方面因素，现
2、有的处理方法都对环境有一定危害。舟山市海水淡化厂的浓海水大部分直接排放，缺乏对浓海水的综合利用，既浪费了大量的海洋资源，又对海洋环境造成了危害。本实验以利用浓海水中的镁元素为目的，通过一定的工艺将其制备为镁铁复合絮凝剂。将能够充分利用淡化后浓海水，解决浓海水资源浪费与对环境的影响，为海水淡化及海水综合利用产业创造一定的经济效益，并为镁化工开发出新的原料来源。同时实验将从添加量，PH 值和温度三个方面来对镁铁复合絮凝剂进行研究，实验结果也表明：以上三个条件对絮凝效果有着很大的影响。最佳添加量，适宜的温度和合适的 PH 都是絮凝剂达到最佳絮凝效果的关键因素。关键词：絮凝;镁铁复合絮凝剂;浊度;温度
3、;添加量IIAbstractThe concentration of seawater desalination process produces emissions will directly affect the ecological environment. With the increasing shortage of human resources, the size of the desalination industry will continue to increase, this problem will gradually become more prominent, an
4、d the focus of international attention. Concentrated seawater desalination emissions have become major problems, and may be a major limiting factor desalination industry. Concentration of sea water is fresh water, sea water through desalination technology, the water was about twice as part of the en
5、richment, as well as water for industrial cooling water, the gradual evaporation of water in seawater, the concentration in the water after about double the emissions part. Desalination industry in Zhoushan has been some development, but due to economic, technological and other factors, existing tre
6、atment methods have some damage to the environment. Zhoushan seawater desalination plant most of the concentration of direct emissions, the lack of comprehensive utilization of seawater concentration is a waste of a large number of marine resources, but also do harm to the marine environment. In thi
7、s study, use of magnesium concentration in seawater for the purpose, through a certain process to prepare for the mafic composite flocculant. Will be able to take full advantage of concentrated sea water after desalination to address the concentration of sea water waste and the impact on the environ
8、ment, and comprehensive utilization of seawater for the desalination industry and create some economic benefits, and to develop new magnesium chemical raw material sources. Experiments will also add volume, PH value and temperature are three aspects of magnesium composite flocculant iron study resul
9、ts also show that: The above three conditions have a significant effect on the flocculation effect. Optimal dosage, proper temperature and proper PH is the best flocculation flocculent key factor. KeyWords:flocculation;Mg-Fecomposite;flocculant;turbidity;temperature;add content目 录中文摘要 .IAbstract .II
10、引言 .11 复合絮凝剂 .21.1 聚合铁絮凝剂 .21.2 镁铁复合絮凝剂 .32 絮凝作用机理 .43 实验与内容 .63.1 高浊度水的处理 .63.2 实验仪器 .63.2.1 试剂和材料 .63.2.2 主要仪器 .63.3 絮凝剂的制备 .74 实验结果与分析 .84.1 絮凝剂的投加量对絮凝效果的影响 .84.2 温度的影响 .94.3 溶液 PH 值对絮凝效果的影响 .105 分析与讨论 .125.1 絮凝活性的内在影响因素 .125.1.1 官能团的影响 .125.1.2 分子结构的影响 .125.1.3 电荷影响 .125.2 絮凝活性的外在影响因素 15-17 .125
11、.2.1 水温的影响 .125.2.2 水的 pH 值的影响 .135.2.3 絮凝剂投加量的影响 .135.2.4 水中杂质的影响 .135.2.5 速度梯度和时间选择 .135.2.6 被处理物浓度对絮凝剂的影响 .14结论. 15文献参考 .16中文翻译 .18外文原文 .28致 谢. .361引言缺水问题是一个世界性的问题。多年来，由于水资源的不合理开发和利用，造成地面下沉、江河断流、湖面萎缩、湿地涸竭、水体污染等严重破坏环境的结果。由国内外经验证明，利用海水淡化是解决沿海地区淡水资源匮乏的一条重要途径，此产业被称为是2l世纪的朝阳产业。但是，随着大规模海水淡化工程的实施，其副产的大量
12、高盐度浓海水的排放问题引起了人们的关注。大部分国家采用的是浓海水直接排海或者冲稀后排海。目前我国海水淡化产业所产生的淡化水规模以及浓海水排放量还不高，浓海水排放对环境造成的影响还不是十分严重。虽未见中小型规模的海洋淡化工程还未对环境造成明显的破坏，但是，对于大型的海水淡化工程来说，尤其是在封闭不流通的海域，其副产物（高浓度海水等）的自然排放对海洋环境的影响是显而易见的。根据可持续发展战略要求，经济发展和环境环境保护同等重要，因此，浓海水淡化技术的开发和利用作为一种新型的资源利用技术非常值得推广和应用。海水中含有大量的矿物质元素，如钠、钾、溴、镁、锂等物质，而这些矿物质又是陆地资源中所缺少并大量
13、需要的。在海水淡化浓海水的产物中，这些物质的浓度含量几乎是海水中的2倍多。所以，直接从浓海水中提取这些有用的化学资源所需要耗费的原材料就要比直接从海水中提取减少一半，这大大地降低了成本。另外，由于浓海水是已经经过处理的海水产物，所以，相对于海水直接处理，其省略了初步的海水提取装置和加氯杀菌设备等，这又显著地节约了投资和工程造价，并且，浓海水淡化的操作过程中产生的浓海水的温度、流量参数稳定，便于化学资源提取过程中的稳定操作。因此，对淡化副产浓海水进行化学资源的综合利用是十分必要的 1。21 复合絮凝剂污水是一种复杂、稳定的分散体系，单一的絮凝剂往往无法令人取得满意的处理效果，因此，近年来研究人员
14、开始研制复合絮凝剂。基于单一的无机絮凝剂和有机絮凝剂的缺点，目前絮凝剂的研究发展方向是制备和应用有机无机复合絮凝剂。有机无机复合絮凝剂即是结合有机絮凝剂和无机絮凝剂的优点，使其共同发挥作用，克服单一絮凝剂作用的片面性，扩大应用范围，对于处理高浊度水，生活污水，各种工业废水，高浓度或者低浓度的水质有良好的净化效果，而且还能提高絮凝过程中有机物的去除率，降低残留金属离子浓度，减少二次污染等，还在处理效率高的基础上降低了处理成本，简化操作工艺。而无机复合絮凝剂的作用机理主要是由于电中和反应和桥连作用的协同。当无机絮凝剂吸附高浊度水中的杂质后，会发生电中和反应，从而发生聚集，而有机高分子则会通过其活性
15、基团的桥连作用而吸附污水中的杂质，再网捕其他的杂质，等聚集到一定程度后，由于重力作用而开始下沉，因此，其效果也由于单一的絮凝效果。实践证明，两种或两种以上絮凝剂复配使用其效果优于两者单独使用效果，有望成为新生代的高效絮凝剂。1.1 聚合铁絮凝剂聚合硫酸铁是近年来投入使用的一种新型絮凝剂，聚合硫酸铁又称碱式硫酸铁。聚合硫酸铁具有无毒无害、化学性质稳定、生产成本低、久存不变质、净化过程的投加量少、适用pH范围广(一般在4-11之间)、残留物浓度低、对杂质和悬浮物等去除率高、形成矾花速度快，沉淀性能好、颗粒大等优点 2，因此广泛地应用于处理高浊度水，生活污水，各种工业废水，高浓度或者低浓度的水质有良
16、好的净化。 聚合铁絮凝剂中的三价铁离子对絮凝有着重要的作用。当可溶性三价铁分散溶解于水溶液中时, 三价铁离子将被众多的水分子包围，三价铁离子周围的环境将会大大改变。当三价铁离子溶解于水中时，由于其具有很大的水解倾向，因此会很容易地结合水中的氢氧根离子生成氢氧化铁沉淀等一系列不同形态的聚合物。而经研究发现，因为这些不同形态的聚合物通常具有较大的表面积和带有较多的正电荷，所以在水中能迅速地吸附带负电荷的胶体以及其他一些悬浮物，当聚集到一定程度，由于重力作用而发生明显沉淀。水解反应可以分为完全水解和不完全水解反应，即水解过程也有一个程度，当三价铁离子完全水解时则是生成Fe(OH) 3絮状沉淀，有研究
17、表明，在生成Fe(OH) 3絮状沉淀之前的一个临界状态时的聚合物具有最佳的絮凝性能。这种临界聚合物除了有中和胶体电荷的能力，还具有双压缩电层，降低胶体电位，加速胶体颗粒，悬浮物等的迅速聚集，是絮凝效果达到最佳。而氢氧化铁在一般条件下都能迅速发生明显的絮状沉淀现象是也是由于其具有较大的分子量，一旦加入水中后就以最佳的絮凝状态与水体中的胶体颗粒悬浮物等发生集聚作用，从而拥有良好的净水性能 2。聚合硫酸铁是一种良好的絮凝剂，可通过利用工业废物做3为原料制备得到。由于生产成本高，因此，聚合硫酸铁没有得到广泛的应用。聚合硫酸铁的生产包括氧化、水解和聚合等反应步骤。其中，氧化步骤是导致成本高的主要原因。若
18、能够用其他原料部分替换铁，通过减少氧化剂的用量来降低成本，并且保持产品性能，将有利于产品的推广与应用。1.2 镁铁复合絮凝剂我国陆地镁矿资源丰富，其中磷镁矿居世界首位。另外，我国有着广阔的海岸线，有着丰富的海水镁资源（海水、卤水及干卤中存在大量的镁离子，海水中镁离子质量浓度约为1.20g/L 4，卤水中镁离子质量浓度可达53.50g/L 5，干卤中镁离子质量分数为10%） ，丰富的镁资源为我国开展镁的综合利用创造了有力的条件。舟山作为一个拥有丰富镁资源的岛城，更应该充分利用。因此，在舟山发展海水淡化产，充分利用镁资源是迫切需要的。镁铁复合絮凝剂是典型的无机高分子复合絮凝剂, 无机高分子絮凝剂在
19、水中存在着多羟基弱离子, 能够强烈吸引胶体微粒, 通过架桥、粘附和交联作用, 促进胶体凝聚, 同时还会发生物理化学变化, 中和胶体微粒以及悬浮物表面的电荷, 降低电位, 从而使胶体离子发生相互吸引作用, 破坏胶团的稳定性, 促进胶体微粒碰撞, 形成絮状沉淀。该药剂与无机低分子絮凝剂相比, 其絮凝效果能提高23 倍, 和传统药剂相比，它能成倍的提高絮凝效果，并且价格相对较低，因而有逐步成为主流药剂的趋势。高分子絮凝剂的优越性在于它不像有些酸性絮凝剂，由于对ph值范围有一定的要求，否则达不到其所应有的絮凝效果，所以在絮凝过程中不需要考虑调节ph这一点，也不会出现金属离子沉析故障。因为分子量大，产生
20、的絮凝沉淀不会出现因为轻逸而扩散，沉淀量小等问题。而且，高分子絮凝剂投加到水中后，阴离子的量不会增加很多，避免了后续残余离子处理的问题，节约了成本又提高了水质，但其分子量和絮凝架桥能力较有机高分子絮凝剂仍有较大差距, 也存在如处理水中残余离子浓度较大、影响水质、造成二次污染等缺点。研究表明，镁作为水处理剂具有絮体生成速度快、颗粒较粗、密度较大、素体沉降速度快、除浊及脱色效果高于铝盐等优点。结合铁法和镁法这两种脱硫工艺，在硫酸亚铁脱硫过程中用氧化镁部分替换亚铁，既可以降低成本，又能够以副产品镁铁复合絮凝剂来增加附加值。42 絮凝作用机理絮凝剂，又称沉降剂，是用来使溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒
21、(粒径为10-310-7 cm)凝聚后产生絮状沉淀的物质。絮凝作用是一个相当复杂的物理化学作用过程，对于它具体的作用机理还未有明确的解释。从广义上来说，絮凝作用多数泛指絮凝反应和集聚的一个过程。絮凝过程就是絮凝剂与待处理溶液中的胶体颗粒，悬浮物发生各种作用，包括接触，碰撞，聚集、脱稳等作用凝聚成具有一定粒径的絮凝体。集聚过程则是指这些较大的絮凝体会继续碰撞，聚集，通过化学粘连，网捕卷扫等作用发生沉淀，形成大量的矾花。当矾花互相粘连达到一定的数量和规模时，水体中的絮状物颗粒最终因重力作用而发生沉淀，以达到固液分离的目的 6。化学絮凝的机理可归结为以下四个方面 7,8。（一）压缩双电层作用机理压缩
22、双电层主要是指向胶体分散的水体体系中投入可产生高价反离子的电解质，溶液中与胶体电荷相反的离子增多，则扩散层的厚度会大大降低，从而胶体离子的Zeta电位降低，压缩双电层作用着重强调了絮凝的物理作用。压缩双电层理论指出，当溶液中的反离子电解质度增大时，由于反离子作用而使胶体与胶体之间的间距变小，压缩了胶体表面双电层的扩散层，而当扩散层的厚度被压缩减小时，其电位则会相应降低，胶体颗粒间的静电斥力也就相应的降低了。从相对角度说，静电斥力降低，则颗粒间的吸引能就会逐渐增大，最终颗粒发生聚集而沉淀。当水溶液中的反离子浓度增加到一定程度时，一些具有较大动能的胶体颗粒间的静电斥力降到最低，开始出现引力，当颗粒
23、越过势垒时，就开始发生缓慢的絮凝作用。而当电解质的浓度继续增加时，此时颗粒之间的相互吸引力明显占优势，颗粒互相聚集，体系发生快速凝聚絮凝作用。而体系发生凝聚所需的最低电解质浓度则称为临界凝聚浓度。由实验表明，与胶粒带相反电荷的离子具有聚集作用，且阶数越高，凝聚力就越大。压缩双电层作用这个机理能较好地解释入海口，港湾处等的沉积现象，当淡水进入海水时，盐类增加，淡水中的胶粒由于反离子浓度增高而发生压缩双电层作用，最终聚集沉淀。所以在入海口即港湾处的粘土和其他胶体颗粒易发生沉淀。在实际应用中，在水溶液中投加絮凝剂使胶体脱稳现象涉及到絮凝剂与水溶液、胶粒与絮凝剂、胶粒与水溶液三个方面的相互作用，是一个
24、错综复杂的过程。（二）吸附电中和作用机理吸附电中和理论主要是指胶体颗粒与絮凝剂水解产物之间存在某种专属化学作用。其要旨是，絮凝剂可水解形成某种离子化合态吸附在胶体颗粒表面并中和其负电荷，使胶体颗粒脱稳并进一步发生絮凝作用。电解质中有一类离子与微粒间可发生“专属作用”而使之脱稳 8。所谓的“专属作用”是主要是指非静电性质的作用。吸附电中和作用是指胶体颗粒表面会因静电引力作用而对带有异号电荷的胶体，异5号离子，带有异号电荷的分子链部位有强烈的吸附作用。这种作用使正负电荷互相作用而消失，降低了分子间的静电斥力，所以，颗粒间距减小而互相吸附发生聚集。电荷中和作用就是指胶体颗粒的电位由于其表面电荷与加入
25、的絮凝剂发生中和作用后降低到可以克服胶体之间的互相作用力，从而形成稳定的沉淀。在胶体水系中，絮凝剂与胶体互相碰撞作用后，胶体颗粒间的距离缩小，在范德华力作用下，胶体颗粒间的互作用能处于第一最小能量值，结果就会形成稳定的絮凝体。如果往溶液投加的电解质超过一定投加量的话，会导致胶体因表面电荷改性而重新恢复稳定状态。（三）吸附架桥作用吸附架桥理论是在吸附电中和理论的基础上所做的研究 9,10，其原理是：絮凝剂分子一般有一个或者多个活性基团分布在分子链上，当絮凝剂分子与水体中的各种胶体接触时，分子链上的活性基团会占据胶体表面的一个或者多个吸附位，因此，一个絮凝剂分子就可以通过活性基团结合至少一个胶体颗
26、粒，最终将水中分散的颗粒物联结成粗大的絮状物。也可以根据电中和理论理解成两个大的同号胶粒中间由于有一个异号胶粒而连接在一起。而聚合物在胶粒表面的特殊吸附来源于各种物理化学作用，一般认为这种吸附力可来自范德华力、静电引力、配位键、氢键或共价键等。当受到外界因素改变（如受到长时间地剧烈搅拌）或絮凝剂的投加量大大超过胶体表面可被占位的吸附位时，已经聚合的胶体可能会从一胶体表面脱开，结合另一个胶体表面，又或者重新回到之前所在的胶体表面，造成“再稳”现象。利用吸附架桥作用机理可以解释非离子型或带同电同号的离子型高分子絮凝剂能得到好的絮凝效果的现象。（四）卷扫网捕作用当金属盐（如AL 2(SO4)3或Fe
27、Cl 3）或金属氧化物或氢氧化物(如石灰)作絮凝剂时，当投入量大的足以迅速沉淀金属氢氧化物(Fe(OH) 3，A1(OH) 3， Mg(OH)2或金属碳酸盐(如CaC0 3)时，水中胶粒可被这些沉淀物在形成的时候所网捕，达到去除水中胶体的目的 11。在对低浊度、低温水进行处理的时候，由于颗粒自身相互碰撞的几率很低，这时卷扫絮凝作用的地位将更为突出。但是网捕需要投加大量絮凝剂，所以从经济上考虑是不合算的。上述四种絮凝机理，在水处理中常常不是孤立存在的，往往是同时伴随着其中的几种，只是在某种情况下以其中一种机理为主要作用而已。63 实验与内容本实验中，首先，我们将在聚合硫酸铁制备工艺的基础上，利用
28、淡化后副产物浓海水，在整个制备聚合硫酸铁的过程中引入镁盐，即当亚铁盐在发生氧化，水解和聚合的过程中，Mg 2+作为活性离子嵌入到聚合硫酸铁分子网络中，从而制得镁铁复合絮凝剂。再通过调整复合絮凝剂中镁、铁的组成配比，我们就可以制得镁铁复聚絮凝剂系列产品了 12。3.1 高浊度水的处理配浊试验用水取自浙江海洋学院西校区第二食堂餐饮污水, 取回的污水搅拌充分混合后, 静置10h,取上清液作为水样，测其浊度为 92nut。 3.2 实验仪器3.2.1 试剂和材料FeSO47H2O（明矾） ，海水淡化后产生的副产物浓海水，30%H2O2（A.R.） （双氧水） ，浓硫酸（工业纯） 。3.2.2 主要仪器磁搅拌子，DHT 型磁力加热搅拌电热套，滴液漏斗，温度计，ORIION AQ2020 浊度计，PH 计：PHS-25 型 PH 计，玻璃仪器：1L 玻璃反应器，烧杯，量筒，铁架台，玻璃棒 图 3.2.2.1ORIION AQ2020 浊度计 图 3.2.2.2DHT 型磁力加热搅拌电热套Fig.3.2.2.1ORIION AQ2020 Turbidimeter Fig.3.2.2.2DHT Type magneticstirring electric heated units
