粘土基脱黏剂的研制及其在水性涂料废水处理中的应用

作者:赵静,晋新亮,李静静,罗军,王春伟,杨坤

浙江丰虹新材料股份有限公司 浙江大学环境与资源学院

摘要:随着水性涂料应用越来越广泛,传统的溶剂型涂料用混凝剂或漆雾凝聚剂难以适用于含水性涂料的废水处理,存在泡沫大,破乳不完全,浊度高,漆渣分散,含水率高等弊病.针对这些问题,本研究通过钠化改性天然膨润土制成粘土基脱黏剂,并配合上浮剂处理水性涂料废水.凝聚分离实验表明:该粘土基脱黏剂与市售产品处理效果相当,且与传统聚合氯化三聚氰胺甲醛树脂相比,无需调节pH,处理速度更快,水质更好。此外,该粘土基脱黏剂用于实际涂装车间废水处理时,在最佳运行参数下,有效实现了漆渣的团聚上浮及水质的净化。

关键词:水性涂料 喷涂废水 粘土 脱黏剂 絮凝

在各类器件喷漆处理过程中,在空气中形成漆雾,对周围空气、施工环境造成污染,同时严重影响操作者的身体健康。为防止过喷漆雾飞散,涂装行业会对其进行吸收处理,通常采用湿式喷漆循环水处理系统捕捉雾化的漆雾,通过水帘或水旋使漆雾飘落进循环水中带出室外。然而,大量的漆雾进入循环水后,由于具有较大黏性,黏附在水槽、管壁,从而影响循环水系统的运行。因此,对落入循环水的漆雾进行分离打捞,净化循环水,有利于喷漆室长期安全的运作。通过向循环水中添加漆雾凝聚剂,使得漆雾凝聚上浮,形成漆渣,方便除渣装置将其排出系统,进行集中无害化处理。

通常水性涂料中极性分子较溶剂型的多,能在水中分散,废水处理更困难,但目前国内湿式涂装车间所用的漆雾凝聚剂大都沿用处理溶剂型涂料的药剂,处理水性涂料废水的效率有待提高,通常会出现泡沫大,破乳不完全,浊度难以降低,生成的漆渣较分散,含水率高等弊端。

针对这些问题,本研究选用改性粘土作为脱黏剂,聚丙烯酰胺(PAM)复合高分子有机物作为上浮剂,考察脱黏剂与上浮剂配比对水性涂料废水絮凝效果的影响。此外,还对比了粘土基脱黏剂与市售水性涂料脱黏剂、传统的聚合氯化铝(PAC)及三聚氰胺甲醛树脂(MF)脱黏剂的脱黏及絮凝性能。

1、实验过程

1.1主要原料及仪器

碳酸钠:99%,济南琴峰化工有限公司;氢氧化钠:分析纯,国药化学试剂有限公司;聚丙烯酰胺(PAM)、阳离子聚丙烯酰胺:工业级,巩义豫润海源净水材料有限公司;聚合氯化铝(PAC):工业级,河南旭洁净水材料有限公司;三聚氰胺甲醛树脂(MF):工业级,杭州卓立化工有限公司;粘土:天然钙基膨润土原矿粉末,浙江丰虹新材料股份有限公司;水性涂料:宣伟涂料有限公司。

扫描电子显微镜:JSM-5600LV,日本电子株式会社;X射线衍射仪:D/max-2400,日本理学公司。

1.2粘土基脱黏剂的制备

1.2.2钠化改性

称取适量钙基粘土,加水分散,制成质量固含为8%的浆液,搅拌1.5h。向浆液中加入适量的钠化改性剂(碳酸钠)进行钠化改性,钠化改性剂用量为粘土质量的5%,并继续匀速搅拌分散2h,室温静置1d。

1.2.3剥片

将提纯后的钠化粘土悬浮液置于胶磨机中进行循环剥片30 min,之后经喷雾干燥得到粘土基脱黏剂。

1.3絮凝实验步骤

参 考 企 业 标 准 Q/SDQC 004—2020 及 相 关 文献,采用常用的振摇法进行水性涂料凝聚分离实验,比较市售水性涂料脱黏剂、本研究制备的粘土基脱黏剂、PAC及MF的脱黏和絮凝效果。

1.3.1

水性涂料废水絮凝实验

(1)将市售水性涂料脱黏剂及制备好的粘土基脱黏剂试样分别分散于水中,制成质量固含5%的均匀浆,分别作为脱黏剂A 1 和脱黏剂A 2 。上浮剂B 1 均选用PAM。

(2)在 400 mL 透明塑料带盖瓶中加入 250 mL水,盖上盖子振摇数次,使瓶内各部位被水润湿。之后加入1 mL水性涂料,振摇均匀,再加入一定量的A1(或A2)振摇20 s,最后加入B1,振摇30 s以上。每次加入A1(或A2)和B1都需要盖紧瓶盖进行振摇,使得水性涂料与脱黏剂 A1(或A2)和上浮剂 B1剂充分接触,进行絮凝,形成漆渣。振摇方法:在添加A1(或A2)后,盖紧瓶盖,手握塑料瓶身,上下振动,频率80~100次/min,静置;加入 B1后盖紧瓶盖,手握塑料瓶,利用手碗振动,使瓶内液体形成漩涡,频率为50~60次/min,使上浮剂在水中均匀分散,同时观察瓶内漆渣状态,当漆渣逐渐絮凝为大团聚体并逐渐上浮时,停止振动,静置3~5 min观察漆渣与水分离情况及水质状态。

1.3.2PAC及MF絮凝实验

(1)将市售PAC加水制成质量固含5%的溶液用做脱黏剂A3,MF用作脱黏剂A4,以阳离子PAM作为上浮剂B2。

(2)在 400 mL 透明塑料带盖瓶中加入 250 mL水,盖上盖子振摇数次,使瓶内各部位被水润湿。之后加入 1 mL 水性涂料,振摇均匀,用氢氧化钠调节pH至8~9,再加入一定量的A3(或A4)振摇20 s,最后加入B2,振摇30 s以上,静置3~5 min观察漆渣及水质状态,振摇方法同1. 3. 1。

1.3.3药剂用量

上述实验中,每组实验使用的水性涂料用量均为1 mL,分别考察脱黏剂A与上浮剂B的体积比对涂料废水絮凝效果的影响。

1.4评价内容及评价方法

参考企业标准Q/SDQC 004—2020及相关文献,采用比较法对各脱黏剂的使用效果进行判定。评价指标如下。

(1)絮凝时间:在添加上浮剂并振动塑料瓶后,观察漆渣由散碎(<1 mm)到大结团(>5 mm)的时间。

(2)漆渣上浮时间:在添加上浮剂并振动塑料瓶使药剂混合均匀时,当观察到漆渣由小絮体逐渐变为较大的絮凝体时,停止振动,静置并记录漆渣开始上浮的时间。

(3)漆渣上浮率:肉眼判断漆渣的上浮情况,即上浮漆渣占总漆渣的比例。

(4)漆渣成团性:絮凝结束后,静置 5 min以上,目测形成的漆渣大小及成团状况。

(5)处理后水的浊度:将絮凝实验后的含漆渣废水倒入300 mL烧杯中,静置5 min,目测水体的澄清度。

(6)脱黏效果:取出漂浮的漆渣,用手指轻轻揉搓判断其黏度,观察烧杯壁附着的浮渣量综合评判漆渣脱黏程度,级别划分见表1。

1.png

2、结果与讨论

2.14种脱黏剂的絮凝效果

水性涂料脱黏剂A1、粘土基脱黏剂A2与上浮剂B1的体积比对水性涂料废水絮凝效果的影响如表2、表3所示,PAC脱黏剂A3、MF脱黏剂A4与上浮剂B2的体积比对水性涂料废水絮凝效果的影响表 4、表 5所示。

2.png3.png4.png5.png

由表2、表3可知,当水性涂料含量为1 mL,市售脱黏剂A1、粘土基脱黏剂A2与上浮剂B1体积比均为1时,絮凝效果最好。由表4、表5可知,当水性涂料含量为1 mL,PAC脱黏剂A3与上浮剂B2体积比为0.75,MF脱黏剂A4与B2体积比为1时,絮凝效果最好。但使用2种脱黏剂进行絮凝前均需调节pH至8~9,否则废水难以脱稳絮凝。

2.24种脱黏剂处理水性涂料废水效果

由以上絮凝实验结果可知,制备的粘土基脱黏剂对水性涂料废水具有较好的处理效果。在加入粘土基脱黏剂后能使水性涂料快速脱稳絮凝,再加入B剂振荡后漆渣立即絮凝成团上浮,实现了漆水分离,达到了净水目的,且整个过程不需要调节pH,简化了操作工艺。与此同时,其处理效果与市售水性涂料脱黏剂相当,脱黏剂和上浮剂最佳体积比均为1。

相比之下,市售传统的PAC及MF对水性涂料废水的处理效果较差,需要调节体系pH,增加了操作难度。这2种传统脱黏剂的絮凝时间更长,形成的漆渣成团性差,颗粒较小且松散,不易于打捞,且脱色效果相对较差,使液体不澄清。此外,MF在使用过程中还存在释放游离甲醛的风险,对环境造成二次污染,不利于环保。絮凝实验效果图见图1。

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采用扫描电子显微镜对 4 种脱黏剂处理水性涂料废水得到的漆渣进行表面形貌观察,如图 2所示。

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由图2可知,经市售水性涂料脱黏剂和粘土基脱黏剂处理后,得到的上浮漆渣表面粗糙呈絮状,较为紧实,且具有孔隙,有利于上浮和后续打捞工序,同时水性涂料被处理剂分散得较好,表面没有明显的水性涂料颗粒。传统的PAC及MF处理水性涂料得到的漆渣表面同样是粗糙不均匀,但较为松散,有明显的球形漆滴颗粒附着于漆渣表面,表明水性涂料并未完全破乳和絮凝,只是以漆滴状附着于其表面,这是影响它们脱黏效果的原因之一。

3、粘土基漆雾凝聚剂絮凝作用机理

水性涂料废水可以被看作是一种类似于胶体的稳定体系,而该体系中的胶体颗粒一般带有负电荷。在一般情况下,处理含涂料废水,需要通过静电中和作用,使该稳定体系脱稳,即向体系中添加一种与体系中的微细粒子带有相反电荷的物质而达到絮凝的目的。然而,对于膨润土来说,其分散于水中时表现为表平面的恒负电荷,且其电荷密度不会受到体系介质中电解质浓度的影响。因此,不同于传统的PAC或MF等带正电的脱黏剂,粘土加入水性涂料废水中,与悬浮物之间存在较大的静电斥力。粘土脱黏剂通过压缩悬浮物表面的双电子层降低其表面电位,从而降低静电斥力,使得静电引力大于静电斥力后,造成胶体稳定性下降,形成絮凝效果。同时,粘土脱黏剂表面多孔且比表面积大,具有一定的表面活性,对水性涂料微粒有一定的吸附、捕捉以及分散作用,使得含涂料废水变成絮状悬浮液。配合分子链较长的聚丙烯酰胺复合高分子有机物,能通过吸附架桥作用将相距较远的2个胶体粒子聚集,最后使悬浮微细粒子凝聚成较大颗粒的絮体上浮,达到固液分离的目的。粘土脱黏剂的 XRD 图如图 3所示。

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由图3可以看到该粘土脱黏剂主要成分包括膨润土、石英、微斜长石等天然矿物组分,都为无机物质,且不含重金属成分,相比而言更利于环保及现场应用。

4、实际应用

深圳某公司涂装车间原采用“PAC+PAM”混凝沉淀方法进行喷漆废水的处理。然而,处理后水质浑浊不透明,漆渣较黏,容易黏附到板框压滤机上,滤布清洗困难,换滤布频率高,漆渣处理成本高,延误正常生产。

将粘土基脱黏剂代替PAC作为脱黏剂应用于此含水性涂料废水的处理中,具体流程见图4。

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在脱黏混凝槽中加入A(粘土脱黏剂)与胶体状态的废水充分混合反应,使胶体状态脱稳。随即脱稳后的废水流入絮凝反应槽,加入B,使其与脱稳的漆雾颗粒混合,凝聚成团并上浮,实现涂料与水的分离。通过刮板将上层漆渣刮除,进行脱水处理,下层清水进行进一步处理并回流喷房再利用,可实现废水零排放。

针对现场混凝槽及絮凝槽实际情况,进行各项参数调试,直至出水清澈,最终确定最佳运行参数为:用计量泵泵入方式投加药剂,投加位置在漆雾喷漆车间集中水池,药剂投加量为废水量的5%,A、B体积比为3∶1,废水流量在8 m3/h时最佳。

在使用粘土基脱黏剂处理后,水性涂料喷涂废水能够很好地实现固液分离,黏性漆渣减少,脱水性好,水体变得清澈,CODCr值大幅下降(如表6、图5所示),大大减轻后续生化处理压力。

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5、结 语

本研究制备了一种改性粘土基脱黏剂,并与市售水性脱黏剂及2种传统脱黏剂PAC、MF进行了对比,配合PAM上浮剂对含水性涂料废水进行处理。

(1)粘土基脱黏剂在最佳条件下,絮凝速度快,形成的漆渣成团性好,处理后水质较清澈,有很好的脱色效果,且漆滴能被较好地分散于凝聚剂中,与市售水性涂料漆雾凝聚剂处理效果相当。

(2)PAC及MF在最佳条件下对水性涂料有一定的絮凝效果,但需提前调节体系pH,脱色效果较差,处理后水质不透明,漆滴附着于凝聚剂表面。

(3)粘土基脱黏剂通过压缩悬浮物表面双电子层使其絮凝。

(4)粘土基脱黏剂为无机物,无重金属及有机污染物引入,环保安全。

(5)粘土基脱黏剂较 PAC脱黏剂在实际应用中有明显的优势,有望应用于未来水性涂料喷涂废水处理系统中。


本文来源:2021《涂料工业》第11期



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