本申請為申請?zhí)枺?015103610371，申請日：2015年06月27日，發(fā)明名稱：一種多效水處理劑及其制備方法和水處理方法的分案申請。

本發(fā)明涉及水處理的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多效水處理劑及其制備方法和應(yīng)用該多效水處理劑的水處理方法。

背景技術(shù)：

在水處理領(lǐng)域，絮凝沉淀是一種常用的處理方法，它具有操作簡單、成本低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)。絮凝的作用機(jī)理一般認(rèn)為是有壓縮雙電層與電荷中和作用、高分子水處理劑的吸附架橋作用、絮體的卷掃沉淀作用等。絮凝的過程是膠體顆粒失去穩(wěn)定性的過程，膠體物質(zhì)和小的懸浮粒聚集成較大的顆粒，從而易于從液體中沉淀下來。投加水處理劑可以加速這種作用過程，可以極大地提高這些集合體對溶解的各種雜質(zhì)的吸收，更加有利于水質(zhì)的凈化。

水處理劑被廣泛的應(yīng)用于原水和污水處理領(lǐng)域，可以降低原水的濁度、色度等感觀指標(biāo)。通過水處理劑除去多種高分子有機(jī)物、某些重金屬和放射性物質(zhì)，既可以自成獨(dú)立的處理系統(tǒng)，也可以與其它處理單元過程進(jìn)行組合，作為預(yù)處理、中間處理和最終處理過程，還可用于污泥脫水前的濃縮過程，改善污泥的脫水性能。

水處理劑的種類總體上可分為無機(jī)水處理劑、有機(jī)水處理劑以及微生物水處理劑，而在實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)水處理劑性質(zhì)的不同將它們加以復(fù)合。

經(jīng)過水處理劑無害處理后的水可以回用。當(dāng)前國內(nèi)每年工業(yè)用水、城市給水、污水處理需求水處理劑百萬噸，因此研究水處理劑具有很重要的意義。

無機(jī)水處理劑是水處理劑中用量最大的水處理劑，近年來已形成了以鋁鹽、鐵鹽和聚硅酸等為主的幾大類產(chǎn)品。無機(jī)水處理劑按其分子量大小可以分為無機(jī)低分子水處理劑和無機(jī)高分子水處理劑。

無機(jī)低分子水處理劑主要有硫酸鋁、氯化鋁、硫酸亞鐵、硫酸鐵、氯化鐵等。無機(jī)低分子水處理劑雖然價(jià)格低廉、貨源充足，但由于混凝用量大、絮渣量多、混凝效果差等原因，在實(shí)際廢水處理中己逐步被無機(jī)高分子水處理劑所取代。

無機(jī)高分子水處理劑作為第二代無機(jī)水處理劑，具有較傳統(tǒng)水處理劑(如硫酸鋁、氯化鐵等)混凝效能更優(yōu)、價(jià)格又相對較低，較有機(jī)高分子水處理劑價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)可行等優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用在給水、工業(yè)廢水和城市污水的各種處理流程中(包括預(yù)處理、中間處理和深度處理)，逐漸成為主流水處理劑。但由于無機(jī)水處理劑存在水解不穩(wěn)定性、相對分子量和吸附架橋能力較有機(jī)水處理劑差等問題。

有機(jī)高分子水處理劑較無機(jī)水處理劑具有受共存鹽類影響較小、水處理劑用量小、沉降速度快，產(chǎn)生渣量少、易處理等優(yōu)點(diǎn)。但是由于有機(jī)高分子水處理劑普遍存在單體殘留毒性、較高的選擇性、價(jià)格昂貴等缺陷，在一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。

采用單一的水處理劑通常無法對復(fù)雜的污水體系取得滿意的處理效果，因此復(fù)合水處理劑成為近年來的研究熱點(diǎn)。實(shí)踐證明，復(fù)合水處理劑能克服使用單一水處理劑的許多不足，表現(xiàn)出優(yōu)于單一水處理劑的效果，是水處理劑發(fā)展的主要趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在針對現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)合水處理劑的處理原水來源單一、絮凝效果不夠理想等技術(shù)問題，提供一種多效水處理劑及其制備方法，并提供一種應(yīng)用該多效水處理劑的水處理方法，通過下層水回流技術(shù)實(shí)現(xiàn)水處理劑的高效復(fù)用，降低了生產(chǎn)成本，提高了水處理效率。

具體而言，首先，本發(fā)明提供了一種多效水處理劑，包括以重量份數(shù)計(jì)的如下組分：丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯2~10份，聚丙烯酰胺5~40份，聚硅酸鋁鐵20~40份，聚二甲基二稀丙基氯化銨3~25份，碳酸氫鈉1~5份。

在本發(fā)明披露的多效水處理劑中，首次采用了丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯作為重要成分，氧化石墨烯在近年來受到了廣泛的關(guān)注，其中最重要的原因在于其高比表面積和廣泛而優(yōu)異的吸附性質(zhì)，在本發(fā)明中，采用了丙烯酰胺低聚物對其進(jìn)行改性，一方面提高了絮凝能力，以氧化石墨烯為基材，接枝的丙烯酰胺低聚物從氧化石墨烯表面伸出，形成多齒狀結(jié)構(gòu)，有利于膠質(zhì)的形成，提高絮凝的效果；另一方面，對重金屬離子、有毒小分子，尤其是苯類化合物污染物具有極強(qiáng)的吸附去除效果，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜污染體系來源的水體具有高效的凈化能力。

具體的，丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯包括氧化石墨烯3~10wt%和丙烯酰胺低聚物90~97wt%，所述丙烯酰胺低聚物分子量為5000~20000。

為提高整體的絮凝效果，便于較大膠團(tuán)的形成，同時(shí)加入的聚丙烯酰胺分子量為200~1000萬，離子度為10%~80%。

為實(shí)現(xiàn)分段絮凝，適應(yīng)多次加藥、多次絮凝的水處理工藝，采用的聚丙烯酰胺包括分子量為200~400萬的聚丙烯酰胺10~30wt%，分子量為400~800萬的聚丙烯酰胺40%~50wt%和分子量為800~1000萬的聚丙烯酰胺20%~40wt%。

其次，本發(fā)明提供了一種多效水處理劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）氧化石墨烯的羧基化：

在1~10mg/ml的氧化石墨烯水溶液中加入氫氧化鈉和氯乙酸，混合反應(yīng)1~10小時(shí)，分離、洗滌，獲得羧基化的氧化石墨烯；

（2）丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯：

在dmso中混合氧化石墨烯和丙烯酰胺低聚物，加入edci，45℃下回流反應(yīng)，分離、洗滌，獲得丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯；

（3）多效水處理劑的制備：

在45℃以上將丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基二稀丙基氯化銨按比例混合均勻并自然降溫至室溫，依次加入聚硅酸鋁鐵、碳酸氫鈉，混合均勻即可。

各個(gè)組分的重量份數(shù)如下：

丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯2~10

聚丙烯酰胺5~40

聚硅酸鋁鐵20~40

聚二甲基二稀丙基氯化銨3~25

碳酸氫鈉1~5。

根據(jù)接枝需要，可通過調(diào)整羧基化過程控制羧基化程度，優(yōu)選的，步驟（1）中氧化石墨烯水溶液：氫氧化鈉：氯乙酸=1l：1~2g：1~2g。

同樣的，接枝量的控制也可以通過對接枝過程中的原料用量進(jìn)行控制，優(yōu)選的，步驟（2）中dmso：氧化石墨烯：丙烯酰胺低聚物：edci=1l：3~10g：90~97g：10~100g。

最后，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用上述水處理劑進(jìn)行水處理的方法，其特征在于，至少包括如下步驟：

a.混合階段：將原水引入混合池，加入上述多效水處理劑，混合均勻；

b.初步絮凝階段：將步驟a中混合均勻后的水引入第一絮凝池進(jìn)行初步絮凝；

c.再次絮凝階段：將步驟b中初步絮凝后的上層水引入第二絮凝池，在流動(dòng)過程中加入如上述的多效水處理劑，在第二絮凝池中進(jìn)行再次絮凝；

d.過濾階段：將步驟c中再次絮凝的水通過過濾設(shè)備進(jìn)行過濾。

進(jìn)一步的，為提高水處理劑的利用效率，還包括步驟c’回流階段：將步驟b中初步絮凝后的下層水回流入混合池。

根據(jù)原水的具體情況，步驟a中多效水處理劑加入原水的量為10~500mg/l；步驟c中多效水處理劑加入水的量為1~100mg/l。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于以下幾點(diǎn)。

（1）絮凝沉降效率高，除濁、脫色能力強(qiáng)。采用復(fù)合水處理劑配方，綜合了有機(jī)高分子水處理劑、助凝劑、無機(jī)高分子水處理劑的性能優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，協(xié)調(diào)各水處理劑的電荷效應(yīng)，做到了絮凝效果的最優(yōu)化，相比于單一水處理劑以及市售的復(fù)合水處理劑，就想同水質(zhì)而言，減少處理時(shí)間約10%。

（2）應(yīng)用廣泛，尤其針對苯類、重金屬類含量較高的水質(zhì)，通過添加丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中同類水處理劑不具備的特異性吸附去除能力，實(shí)驗(yàn)表明，對苯類雜質(zhì)的去除率最高可至85%，減輕了后續(xù)流程處理的壓力。

（3）成本有效降低，通過將絮凝過程中上下層水分別引出，提高了水處理劑的有效利用率，上層水的引出，減少了后續(xù)處理過程的壓力；下層水的回流，充分實(shí)現(xiàn)了水處理劑的復(fù)用，經(jīng)測算，就飲用水處理標(biāo)準(zhǔn)而言，每立方水處理成本降低約5%；就工業(yè)污水初步處理為中水標(biāo)準(zhǔn)而言，每立方水處理成本降低約7%。

（4）水處理劑二次污染小，氧化石墨烯的存在，有效提高了膠團(tuán)的凝聚力，減少了絮凝過程中水處理劑中相關(guān)單體的擴(kuò)散所造成的二次污染。

（5）適用ph范圍廣，一般情況下，無需額外調(diào)整原水ph，避免了無機(jī)水處理劑使用過程中ph調(diào)整的過程，提高了產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。

具體實(shí)施方式

（一）多效水處理劑的制備。

實(shí)施例1-1

（1）氧化石墨烯的羧基化

在5mg/ml的氧化石墨烯水溶液中加入氫氧化鈉和氯乙酸，氧化石墨烯水溶液：氫氧化鈉：氯乙酸=1l：2g：2g，混合反應(yīng)4小時(shí)，分離、洗滌，獲得羧基化的氧化石墨烯；

（2）丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯

在dmso中混合氧化石墨烯和丙烯酰胺低聚物，加入edci，其中，dmso：氧化石墨烯：丙烯酰胺低聚物：edci=1l：8g：90g：50g。45℃下回流反應(yīng)，分離、洗滌，獲得丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯；

（3）多效水處理劑的制備

在45℃以上將丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯、聚丙烯酰胺、聚二甲基二稀丙基氯化銨按比例混合均勻并自然降溫至室溫，依次加入聚硅酸鋁鐵、碳酸氫鈉，混合均勻即可。

各個(gè)組分的重量份數(shù)如下：

丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯10，聚丙烯酰胺30，聚硅酸鋁鐵40，聚二甲基二稀丙基氯化銨25，碳酸氫鈉5。

實(shí)施例1-2：本實(shí)施例中，多效水處理劑的制備過程如實(shí)施例1-1，僅在各個(gè)組分的配比上有所調(diào)整。

各個(gè)組分的重量份數(shù)如下：丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯8，聚丙烯酰胺35，聚硅酸鋁鐵35，聚二甲基二稀丙基氯化銨20，碳酸氫鈉5。

實(shí)施例1-3，本實(shí)施例中，多效水處理劑的制備過程如實(shí)施例1-1，僅在各個(gè)組分的配比上有所調(diào)整。

各個(gè)組分的重量份數(shù)如下：丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯6，聚丙烯酰胺40，聚硅酸鋁鐵30，聚二甲基二稀丙基氯化銨25，碳酸氫鈉5。

實(shí)施例1-4，本實(shí)施例中，多效水處理劑的制備過程如實(shí)施例1-1，僅在各個(gè)組分的配比上有所調(diào)整。

各個(gè)組分的重量份數(shù)如下：丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯4，聚丙烯酰胺20，聚硅酸鋁鐵40，聚二甲基二稀丙基氯化銨25，碳酸氫鈉5。

實(shí)施例1-5，本實(shí)施例中，多效水處理劑的制備過程如實(shí)施例1-1，僅在各個(gè)組分的配比上有所調(diào)整。

各個(gè)組分的重量份數(shù)如下：丙烯酰胺低聚物接枝氧化石墨烯2，聚丙烯酰胺10，聚硅酸鋁鐵40，聚二甲基二稀丙基氯化銨14，碳酸氫鈉2。

（二）多效水處理劑處理原水。

1.原水參數(shù)：ph：7.51，濁度（ntu）：75.6；cod（mg/l）：58.05；色度：240倍；溫度：室溫。

2.實(shí)驗(yàn)條件：取5只燒杯分別盛入原水1l，200rpm快速攪拌30s，30s結(jié)束后5只燒杯中分別加入實(shí)施例1-1至1-5中所配置的水處理劑200mg，改變轉(zhuǎn)速40rpm，攪拌15min，慢速攪拌結(jié)束后，停止攪拌，液體靜置，絮凝結(jié)束后，取液面下2cm處水質(zhì)進(jìn)行檢測。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對應(yīng)于實(shí)施例1-1至1-5中所配置的水處理劑處理的水樣，標(biāo)記為結(jié)果2-1至2-5，具體參數(shù)列表參見表1。

表1

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，采用本發(fā)明的多效水處理劑能夠?qū)崿F(xiàn)濁度、cod和色度整體的去除效率提高，其中，濁度去除率最高達(dá)92.86%，cod的去除率高達(dá)96.38%，色度去除率高達(dá)93.75%。

（三）原水處理工藝的影響。

在以下實(shí)驗(yàn)中，采用的絮凝池容量均為100立方標(biāo)準(zhǔn)模擬池，控制整體進(jìn)水速度20立方/小時(shí)，整體出水速度20立方/小時(shí)。

實(shí)施例3-1。

a.混合階段：將原水引入混合池，加入實(shí)施例1-1中的多效水處理劑，混合均勻；

b.初步絮凝階段：將步驟a中混合均勻后的水引入第一絮凝池進(jìn)行初步絮凝；

c.再次絮凝階段：將步驟b中初步絮凝后的上層水引入第二絮凝池，在流動(dòng)過程中加入如上述的多效水處理劑，在第二絮凝池中進(jìn)行再次絮凝；

c’回流階段：將步驟b中初步絮凝后的下層水回流入混合池。

d.過濾階段：將步驟c中再次絮凝的水通過過濾設(shè)備進(jìn)行過濾。

步驟a中多效水處理劑加入原水的量為200mg/l；步驟c中多效水處理劑加入水的量為100mg/l。

實(shí)施例3-2。

a.混合階段：將原水引入混合池，加入實(shí)施例1-1中的多效水處理劑，混合均勻；

b.初步絮凝階段：將步驟a中混合均勻后的水引入第一絮凝池進(jìn)行初步絮凝；

c.再次絮凝階段：將步驟b中初步絮凝后的上層水引入第二絮凝池，在流動(dòng)過程中加入如上述的多效水處理劑，在第二絮凝池中進(jìn)行再次絮凝；

d.過濾階段：將步驟c中再次絮凝的水通過過濾設(shè)備進(jìn)行過濾。

步驟a中多效水處理劑加入原水的量為200mg/l；步驟c中多效水處理劑加入水的量為100mg/l。

實(shí)施例3-3。

a.混合階段：將原水引入混合池，加入實(shí)施例1-1中的多效水處理劑，混合均勻；

b.初步絮凝階段：將步驟a中混合均勻后的水引入第一絮凝池進(jìn)行初步絮凝；

c.再次絮凝階段：將步驟b中初步絮凝后的上層水引入第二絮凝池，在流動(dòng)過程中加入如上述的多效水處理劑，在第二絮凝池中進(jìn)行再次絮凝；

c’回流階段：將步驟b中初步絮凝后的下層水回流入混合池。

d.過濾階段：將步驟c中再次絮凝的水通過過濾設(shè)備進(jìn)行過濾。

步驟a中多效水處理劑加入原水的量為150mg/l；步驟c中多效水處理劑加入水的量為150mg/l。

實(shí)施例3-4。

a.混合階段：將原水引入混合池，加入實(shí)施例1-1中的多效水處理劑，混合均勻；

b.初步絮凝階段：將步驟a中混合均勻后的水引入第一絮凝池進(jìn)行初步絮凝；

c.再次絮凝階段：將步驟b中初步絮凝后的上層水引入第二絮凝池，在流動(dòng)過程中加入如上述的多效水處理劑，在第二絮凝池中進(jìn)行再次絮凝；

c’回流階段：將步驟b中初步絮凝后的下層水回流入混合池。

d.過濾階段：將步驟c中再次絮凝的水通過過濾設(shè)備進(jìn)行過濾。

步驟a中多效水處理劑加入原水的量為250mg/l；步驟c中多效水處理劑加入水的量為50mg/l。

對比例3-5。

a.混合階段：將原水引入混合池，加入實(shí)施例1-1中的多效水處理劑，混合均勻；

b.絮凝階段：將步驟a中混合均勻后的水引入第一絮凝池進(jìn)行絮凝；

c.過濾階段：將步驟b中絮凝的水通過過濾設(shè)備進(jìn)行過濾。

步驟a中多效水處理劑加入原水的量為300mg/l。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對應(yīng)于實(shí)施例3-1至3-4、對比例3-5的水處理工藝，處理前后水的具體參數(shù)列表參見表2。

表2：

通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，（1）相比于一次絮凝沉降工藝，采用二次絮凝沉降工藝能夠有效的提高水處理能力，適當(dāng)調(diào)整初步絮凝和再次絮凝過程中的水處理劑添加量能夠?qū)崿F(xiàn)對水處理效果的調(diào)整，在原水情況復(fù)雜的情況下，有利于工藝調(diào)整實(shí)現(xiàn)效能提高；（2）在同樣工藝步驟下，采用下層水回流技術(shù)對原水的濁度、cod、色度的去除率均有明顯提高。