摘 要 ：气浮法是用于处理含油污水的一种非常有效的方法。气浮法除油 ， 就是在含油废水中通入空气， 产生细微气泡 ， 使 水中细小的乳化 油粒粘附在 空气泡上 ， 随气泡一起 上浮到水面， 形成浮渣， 从而回收水 中的废油。气浮法的除油效率主要取决于油粒直径 、 气泡直径和油粒表面的化学性质 。从分析悬浮物的表面化 学性质及浮选剂除油效率 出发，研究了气浮法所用浮选剂的分子设计原理 ， 对所合成产品F J的气浮性能进行 了室内评价。
1、浮选剂分子设计原理
1 ． 1 悬浮物的水润湿性
气浮法除油工艺 中， 当把空 气通人 含油的废水中时， 并非任何物质都能粘附到气泡上 ， 这取决于该物质的润湿性。各种物质对水 的润湿性可用它们与水的接触角 来表 示。接 触角 >9 0 。 者称 为疏水性物质 ， <9 0 。 者称为亲水性物质 。这可从 图 1中物质 与水接触的面积大小看 出。
当气泡与颗粒共存于水 中时，在其附着前的体系界面能为 ：
因此 ， 该体系界面能的变化值为 ：
根据热力学概念 ， 气泡和颗粒的附着过程 ， 是向该体系界面能减小的方 向 自发进行 的 ， 因此 △ 必须大于零 ， 即附着后 的界面能必须小于附着前 ， 否则气泡就不能从颗粒表面取代水 。当颗粒处于平衡状态时 ( 如图 2 ) ， 水 、 气 、 颗粒三相界面张力的关系是 ：
式 ( 5 ) 说明在水 中并 非任何物质都能粘附到气泡上 。当 一O 。 时这种物质不能气浮 ； <9 0 。 时这种物质
附着不牢 ； —1 8 0 。 时 ， 这种物质最容易被气 浮 ； >9 0 。 时这种物质有利于气 浮。颗粒 越是疏水 ， 即接 触角越大 ， 颗粒在水中析 出的气泡 的表面形 成粘 附的可能性大 。
对于亲水性的颗粒 ， 若用气浮法进行分离 ， 则需要将被气浮的物质经过浮选 剂处理 ， 被气 浮的物 质造成表面疏水性而附着于气泡上 。因而 ， 此时浮选剂分子结构应是极性 一非极性 的。这样 ， 浮选剂的极性基团能选择性地被亲水性 物质所吸 附， 非极性基 团则朝 向水 ， 这样亲水性物质 的表面 就被转化为疏水性物质而粘 附在空气泡上， 随气泡一起上浮到水面。
1 ． 2 浮选剂的除油效率
气浮是气泡与油粒发生粘附 ， 并一起浮到水面上的过程 ， 在微观上它分为如下几个步骤 ， 第一步， 水中 的油粒与气泡发生碰撞 ； 第二步 ， 发生碰撞的油粒和气泡互相粘 附，并一起 上浮到水 面。这两个 步骤 中， 每一
步都有一个有效性 的问题 ， 可分别将 它们定义为碰撞效率 ( E ) 和粘附效率 ( E 2 ) 。很显然 ， 碰撞效率与粘
附效率之积应等于除油效率 ( E) 。因此 ， 如提高碰撞效率和粘附效率 ， 可提高除油效率。
1 ． 2 ． 1 碰撞效率( E 1 )
碰撞效率是指与气泡碰撞的油粒 占总油粒的百分数 。由于 目前很难推导油粒与气泡碰撞效率 的公式 ， 因此 ， R e a y和 R a t d i f f在作 了三点假设 的基础 上， 得出了反 映油粒与气泡碰撞效率的公式 。
保持油粒直径( Dn ) 不变 ， 碰撞效率 随着气 泡直径 ( ) 减小而增 大； 同样保 持气泡 直径不变 ， 碰撞效率
随着油粒直径增大而增大 ， 亦 即 ： 在气浮过程 中 ， 小气泡 、 大油粒有助于提高碰撞效率 。计算和试验都证明 ：气泡尺寸减小 ， 油滴尺寸增加将使 E 1 值增 加 ， 对于给定的气体流量 ， 随着气 泡数量 的增加 ， 气 泡尺寸减小 ， 油的去除率增加 。
1 ． 2 ． 2 粘附效率( E 2 )
粘附效率是指与气泡发生粘附的油粒 占碰撞油粒的百分数 。气泡要与油粒 发生粘 附 ， 必须 克服双电层力和水流阻滞力 。主要的粘附力是范得华力 。清华大学王志石博 士在研究水 中油粒与气泡 的传送过程和油粒 的表面性质的基础上， 得出了反映粘附效率 的公式 ：
油粒与气 泡 的粘附取决于油粒表面 电位的大小 ， 而 e电位则取决 于颗粒表面 固有化学性质和溶液条件 ， 只要设法降低 电位 ， 就可提高粘附效率 。
在胶体系统 中， 电位的大小反 映胶 粒带 电的多少 ， 可用来衡量胶粒 的稳定性。当投入电解质后 ， 溶液中的胶粒上反离子同电荷的离子浓度增加 了。根据浓度扩散的作用和异性电荷相吸 的作用 ， 这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换 ， 挤入扩散层 ， 使扩散层厚度缩小 ，进而越多地挤入滑动面与吸附层 ，使胶粒带电荷数减小 ， 也就降低 了 ￡电位 。这 种作 用在胶体化学中称为压缩双电层。
根据 电泳实验观察 ， 含乳化油废水置于电场后 ， 可发现正极 聚集乳化油的现象。在电场 中乳化油游 向正 极 ， 说明废水中的乳化油是带负电的， 其原因是废水中包含有某些表面 活性物质 ， 这种物质往往 由极性一非
极性物质组成 ， 非极性端吸附在油粒内， 而极性端则伸向水内。所以 ， 往往需在含油废水 中加 入带阳离子 的
浮选剂来 降低油粒 的 电位 ， 压缩其 双电层 。这样 ， 一方面 ， 电位降低有利于提高气泡与油 粒 的粘 附效
率 ； 另一方面 ， 当两个胶粒互 相接近 时 ， 由于扩散层 厚度减小 ， ￡电位 降低 ， 因此它们互相 排斥 的力 就小 了， 也就是溶液 中离子浓度高的胶粒间斥力 比离子浓度低的要小 。胶 粒间的吸力不受水相组成 的影响 ， 但 由于扩散层减薄 ， 它们相撞 时的距离就减小 了， 这样 相 互间的吸力 就大了 ， 其排斥 与吸引的合力 由斥力 为主变成以吸力 为主 ， 胶粒得 以迅 速凝 聚。而后 由于吸附架桥作用聚结成大颗粒絮体， 提高了碰撞效率 。
综上所述 ， 本研究设计的浮选剂分 子要 具备以下几个条件 ：
( 1 )含有亲水基和疏水基。
( 2 )含有一种阳离子基团。
本研究选 用阳离子单体二甲基 二烯丙基氯化铵( D MC ) 为主单体 ， 与单体丙烯酰胺( A M) 和单体 甲基丙烯酸甲酯( MMA ) 进行反 相乳 液三元共 聚 ， 合成一种 以碳 一碳为主链 的线 性高分 子聚合物 。其 中， 加 A M 和 M MA的 目的是为 了引入亲水 和疏水基 团， 使得目 的浮选剂加入废水后 。 使水中的乳化油表面由亲水转化为疏水 ， 增强气泡和 油粒的粘附力 ； 引入 D MC是为了压缩双电层 ， 增大油粒粒径 ， 提高除油效率 。
1 ． 3 浮选剂的分子结构式
2 合成产品的性能评价
我们采用上述三单 体进行乳液三元共聚， 得到产品 F J 。用 S Y ／ R 5 7 9 7—9 3标准对 其进行 了室内除油
评选实验。实验设备 为气浮净化机模 拟装 置( 简称模拟机) ， 该装置由一个浮选池 和一个进气机构组成 ， 整个装置用有机玻璃制成 ， 浮选池用一块挡板分 隔成浮选室和泡沫室两部分 ， 进气机构置于浮选池正中， 由可调速马达带动 。工作时间用恒定转速的马达带动叶轮转子作高速旋转 ， 将空气吸入样品水 中， 经分散器分散形成大量细微 的空气泡 ， 浮选后的油滴附着在气泡表面 ， 并浮上水面 ， 通过泡沫室流出装置 ， 从而达到油水分离 的 目的。
实验开始时 ， 将已知含油量的污水样品注入模拟机的浮选池中， 加入一定浓度 的 F J ， 启动模拟机马达 ， 恒速作业 3—5 n - f i n ， 然后再静置 5 r ai n 。从 中取出一定量净化后 的水样 ， 用石油醚抽提两次 ， 然后用紫外分光光度仪测定抽提液 的吸光度 ， 并与参照物对 比，求出其含油量 。
产品 F J 与国内的 P D MD A A C 、 F D 2 ( 二者均 为阳离子聚合物 ， 没有引进极性 一非极性分子结构 ， 前者采用溶液聚合 ， 后者为悬 浮聚合 物) 做 除油性能对 比实验 ， 废水为南充炼油厂炼油废水 。 实验结果见表 2。
从表 2可看 出， 产品 F J的浮选除油效果可达到甚至超过国内浮选剂 P D MD A A C和 F D 2的除油效果 ， 这是 由于 ， 产品F J的分子结构中引入了非极性基团，把油粒亲水性的表面转化为亲 油性的表面 ， 增强 了气泡 与 油粒的粘 附力。
3 结 论
( 1 )实验证明产 品 F J 的分子设计是 可行 的 ： 浮选剂分子采用极性 一非极性结构 ， 并且 引进 阳离子基团 ， 能提高除油效果。
( 2 )通过对 比除油性能试验 ， 证明产品F J的除油性能指标与国内产品相 当。