Определение оптимальных условий синтеза катионного полиэлектролита, проявляющего флокулирующую активность

Необходимость применения новых методов очистки воды вызвана ужесточением требований к качеству природных и сточных вод. В связи с этим очистка воды методом добавления к ней химических реагентов -флокулянтов является интересным направлением в области экологии. Большинство современных флокулянтов позволяют эффективно извлекать диспергированные в стоках вещества не зависимо от степени загрязненности и типа загрязнений [1].

Эффективность флокулянтов не требует внесения большого количества данных веществ в водостоки. В связи с этим в природные водоемы попадает лишь малые концентрации флокулянтов за счет высокой степени разбавления, не оказывая негативного влияния на живые организмы [2].

В общем понимании процесс флокуляцияи состоит в закреплении концов макромолекул на поверхности дисперсных частиц, объединяя их таким образом и образуя флокулы.

Закономерности процесса флокуляции заключаются в следующем [3]:

• -    При дозах флокулянтов, обеспечивающих покрытие доступных участков поверхности диспергированных частиц достигаются оптимальные условия флокуляции.

• -    Пересыщение поверхности частиц молекулами полимера приводит к ухудшению флокуляции, из-за адсорбции свободных кон-цов макромолекул на той же поверхности с образованием петель и уменьшением числа мостовых связей между соседними частица- ми.

• -    Интенсивное перемешивание способно разрушить полимерные связи, при этом происходит разобщение сфлокулированных частиц.

• -    Между оптимальной дозой полимера и площадью, доступной для адсорбции поверхности частиц дисперсной фазы, существует линейная

зависимость.

Получение новых высокоэффективных флокулянтов, а также поиск способов улучшения качественных характеристик существующих соединений является актуальной задачей современной науки.

Интересным для исследования является катионный полиамин полиэихлоргидриндиметиламин, который используется в качестве флокулянта в процессах водоочистки для различных отраслей потребления [4].

ПолиЭХГДМА представляет собой водорастворимую четвертичную аммонийную соль, которая получается за счет ступенчатой поликонденсации эпихлоргидрина (ЭХГ) с диметиламином (ДМА). Особенностью флокулянта является высокий катионный заряд, расположенный на главной молекулярной цепи.

Синтез катионного полиЭХГДМА проводится в водной среде и схематически описывается следующим уравнением:

O                     CH 3

n(CH 3 ) 2 NH   n CH 2   CH  CH 2 Cl            N CH 2   CH CH 2 Cln

CH 3     OH

n

Так как, процесс получения полиэлектролита периодический, то свойства конечного продукта во многом зависят от факторов, при которых идет формирования активных центров и рост полимерной цепи.

Проведено исследование зависимости кинематической вязкости, оптимальной дозы и флокулирующей активности полиЭХГДМА от концентрации исходного диметиламина и порядка дозирования реагентов.

Концентрацию ДМА в синтезе флокулянта изменяли в пределах от 16 % масс. до 47 % масс. Соотношение реагентов во всех синтезах составляло ЭПХГ : ДМА = 1 : 1.

Концентрацию, характеризующую оптимальную дозу полиэлектролита и его флоккулирующую активность определяли на модельной суспензии, приготовленной из белой глины. Степень очистки определяли замером оптической плотности рабочих растворов на фотоэлектроколориметре ФЭК КФК-2.

По полученным данным построена графическая зависимость кинематической вязкости полученного полиэлектролита от исходной концентрации ДМА.

На рисунке 1 показано, что с увеличением концентрации ДМА вязкость конечного продукта возрастает. Однако, как видно на графике, увеличение вязкости зависит от порядка дозирования реагентов.

Рисунок 1 – Зависимость вязкости полиЭХГДМА от концентрации исходного ДМА и способа дозировки реагентов.

При дозировании ДМА к ЭХГ вязкость резко увеличивается, начиная с концентрации ДМА 35%.

При дозировании ЭХГ к ДМА заметное изменения вязкости наблюдается при достижении 40% исходного ДМА.

Сравнивая полученные зависимости можно отметить, что при одинаковых условиях проведения синтеза, зависимость вязкости получаемого полиэлектролита от порядка дозирования реагентов начинает проявляться при использовании ДМА с концентрацией выше 33-35%.

Таким образом, концентрация исходного ДМА и порядок дозирования реагентов являются существенными факторами, влияющими на вязкость, а, соответственно, и на молекулярный вес получаемого полиэлектролита.

Определение оптимальной концентрации полиэлектролита, синтезированных при различной концентрации ДМА, проводили путем осветления суспензии белой глины с последующим определением оптической плотности образцов.

Зависимость оптической плотности от добавки флокулянта показаны на рисунках 2 и 3.

-ж-43,3% ДМА   —•—39,4% ДМА       43,3% ДМА       47,3% ДМА

Рисунок 2 – Оптимальная доза полиЭХГДМА при дозировании ЭХГ к ДМА и изменении концентрации ДМА

Как видно из графиков, по мере возрастания содержания полимера в системе её устойчивость сначала снижается (происходит процесс флокуляции) и затем, проходя через минимум, возрастает (происходит процесс стабилизации).

Минимальные значения оптической плотности осветленной суспензии характеризуют оптимальную дозу полиэлектролита.

Согласно графику 2, оптимальная доза полиэлектролита Каустамин-15 синтезированного при дозировке ЭПХГ к ДМА, в пределах концентрации ДМА до 25% составляет 0,2 мг/л, дальнейшее увеличение концентрации приводит к снижению оптимальной дозы до значений 0,1

30% ДМА        45% ДМА     —е—42,5% ДМА

Рисунок 3 – Оптимальная доза полиЭХГДМА при дозировании ДМА к ЭХГ и изменении концентрации ДМА

Кривые зависимости на рисунке 3, показывают, что оптимальная доза полиэлектролита, полученного при дозировке ДМА к ЭХГ, с увеличением концентрации ДМА снижается. При концентрации ДМА до 20% оптимальная доза составляет 0,2 мг/л, в пределах от 25 до 40% оптимальная доза – 0,1мг/л.

Таким образом, можно сказать, что оптимальная доза образцов полиэлектролита снижается с увеличением концентрации ДМА.

Таким образом, согласно полученным экспериментальным данным можно сказать, что с увеличением концентрации ДМА, используемого в синтезе полиэпихлоргидриндиметиламина, независимо от порядка дозировки   компонентов, повышается кинематическая вязкость полиэлектролита. Одновременно с этим снижается оптимальная дозировка флокулянта.