壳聚糖基絮凝剂絮凝高岭土的动力学及絮体结构

摘要

开发多活性位点绿色高效絮凝剂对构建低絮凝剂用量的高效固液分离过程、实现选矿废水高效处理与循环回用具有重要意义.本文为考察天然阳离子型线性高分子壳聚糖接枝阳离子型聚丙烯酰胺（Chi-g-CPAM）的絮凝性能，改变引发剂质量分数将壳聚糖、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵通过紫外引发水溶液聚合法进行接枝共聚，合成了分子结构不同的Chi-g-CPAM，使用石英晶体微天平（QCM-D）研究了其在SiO₂芯片表面的吸附行为和后继原位絮凝高岭土的动力学，分析了絮体结构变化；并采用动力学方程拟合以揭示絮凝机理；最后进行了絮凝剂沉降性能试验.结果表明，长支链可增强絮凝剂对高岭土的架桥网捕作用，加快沉降；接枝率越高则有助于降低上清液浊度.引发剂质量分数为0.10%所合成的Chi-g-CPAM支链相对多而长，在SiO₂芯片表面平衡吸附量最大，为（–11.68±0.40） Hz，吸附的第Ⅰ、Ⅱ阶段K值分别为0.1814和0.5054，吸附构象趋于向外伸展，后继所絮凝高岭土量少且絮体结构疏松，架桥、网捕和电中和作用协同使其在沉降试验中表现的沉降速率最大(12.18 m·h^–1)，上清液浊度最低（13 NTU）.支链多而长的Chi-g-CPAM絮凝高岭土的过程复杂，准一级、准二级动力学和Elovich方程对其拟合效果均较好.引发剂质量分数为0.15%和0.05%时，对应所合成支链多而短、支链少而短的Chi-gCPAM在SiO₂表面呈扁平的“列车式”吸附构象，架桥和网捕能力低，絮凝沉降性能差.多活性官能团絮凝剂的分子结构影响其在矿物表面的吸附构象，是决定其絮凝性能的关键因素之一.本研究对选矿大分子药剂的分子结构设计具有重要意义.

关键词

壳聚糖 / 絮凝剂 / 石英晶体微天平 / 吸附构象 / 絮凝动力学

基金资助

煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室开放基金资助项目（GJNY-20-113-12）; 国家重点研发计划重点专项资助项目（2020YFC1807804）; 国家自然科学基金资助项目（51604019）