稀土对聚硅酸硫酸盐絮凝剂稳定性及絮凝效果的影响

Posted 2023-01-11 絮凝

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研究了稀土—聚硅酸硫酸铁(RE—PFSS)和稀土—聚硅酸硫酸铝(RE—PASS)的制备与絮凝性能。研究结果表明，稀土与二氧化硅的摩尔比n(RE3+)∶n(SiO2)、陈化时间等因素对其稳定性及絮凝性均产生影响，控制适宜的摩尔比和陈化时间可明显地提高絮凝剂的稳定性和絮凝性能。通过对模拟水样进行絮凝试验表明，稀土—聚硅酸硫酸铁(铝)的稳定性、絮凝效果优于聚硅酸硫酸铝(PASS)、聚硅酸硫酸铁(PFSS)。当陈化15天时，RE—PASS和RE—PFSS投加量为0.085mL/L时，絮凝效果最佳。
随着水污染成为当今社会的焦点问题，废水的处理也成为学者们研究的热点课题之一。絮凝技术是水处理中常用的一种效率高、经济又简便的物化处理技术，它既可以去除原水的浊度和色度等观感指标，又可以去除有毒、有害污染物。絮凝技术是通过向废水中投加絮凝剂，使水中胶体颗粒和悬浮颗粒脱稳，形成易于分离的絮状物质。
聚硅硫酸盐絮凝剂具有高效、低毒、经济等优点，开发应用前景十分广阔，符合絮凝剂的发展方向，但它也存在着存储时间短，易胶凝等缺点。为了改善其性能，提高其稳定性，本文利用稀土的某些特性，研究了稀土复合聚硅硫酸盐絮凝剂，发现加入一定量的稀土使絮凝剂的稳定性有所提高。
1.试验部分
1.1主要仪器及试剂
主要仪器：722—光栅分光光度计(四川仪表九厂)、PHS—25型数显pH计(上海精密科学仪器有限公司)、全自动分析天平(上海国营长江科学仪器厂)、S—658电热恒温水箱(厦门医疗设备厂)、J0107型托盘天平(100g，1/10g)(浙江岱上县西中学办厂)、MY3000-6J混凝试验搅拌仪(潜江梅宇仪器有限公司)。
原料及试剂：三氯化镧(工业级)、三氯化铈(工业级)、氯化钕(工业级)、水玻璃(工业级，模数：3.4)、硫酸铁(分析纯)、硫酸(分析纯)、氯化铝(分析纯)、粘土(取至包头市郊区)。
1.2水样的配制
称取3.0g粘土，向其中加入1L蒸馏水，快速搅拌15min，混合均匀，静置15min，取上部液体作为本试验的模拟水样。模拟水样的浊度为293NTU～325NTU，pH=8.10～8.24。
1.3絮凝剂的制备
1.3.1PFSS制备
取一定量的水玻璃溶液，加入蒸馏水稀释，向其中加入稀硫酸调pH值，在60℃～80℃恒温水浴中活化，加入不同量的硫酸铁，经陈化制得聚硅酸硫酸铁。
1.3.2PASS制备
取一定量的水玻璃溶液，加入蒸馏水稀释，向其中加入稀硫酸调pH值，在60℃～80℃的恒温水浴中活化，加入一定量的硫酸铝，经陈化制得聚硅酸硫酸铝。
1.3.3LaCl3-PFSS、CeCl3-PFSS及NdCl3-PFSS的制备
取一定量的水玻璃溶液，加入蒸馏水稀释，向其中加入稀硫酸调pH值，在60℃～80℃的恒温水浴中活化，加入相同量的硫酸铁和不同量的三氯化铈，经陈化制得CeCl3-PFSS。同理制得LaCl3-PFSS、NdCl3-PFSS。
1.3.4LaCl3-PASS、CeCl3-PASS及NdCl3-PASS的制备
取一定量的水玻璃溶液，加入蒸馏水稀释，向其中加入稀硫酸调pH值，在60℃～80℃的恒温水浴中活化，加入相同量的硫酸铝和不同量的三氯化铈，经陈化制得CeCl3-PASS。同理制得LaCl3-PASS、NdCl3-PASS。
2.结果与讨论
2.1不同摩尔比n(RE3+)∶n(SiO2)对稀土复合絮凝剂稳定性的影响
在PASS和PFSS中，按不同摩尔比加入稀土氯化物，观察RECl3—PASS和RECl3—PFSS的稳定性，结果见图1及图2。

由图1可以得知，在PASS中加入稀土元素，可以改变絮凝剂的稳定性，且随着稀土的种类及加入量的不同而变化。对于NdCl3—PASS和CeCl3—PASS，随着摩尔比n(RE3+)∶n(SiO2)的增加，稳定性逐渐增大，至摩尔比为0.03时达到相对最稳定状态，随后又出现下降趋势。对于CeCl3—PASS而言，随着摩尔比n(RE3+)∶n(SiO2)的增加，稳定性先下降后增加，在考察的摩尔比范围内，其稳定性增大的程度不大。
由图2可知，稀土元素的加入对于絮凝剂的稳定性影响更为复杂，对于NdCl3—PFSS在摩尔比n(Nd3+)∶n(SiO2)为0.04时稳定性显著增加；对于LaCl3—PFSS和CeCl3—PFSS而言，稀土元素的加入对其稳定性的提高不明显，甚至使其稳定性降低。
比较图1和图2还可以发现，对LaCl3—PFSS、NdCl3—PFSS及CeCl3—PASS，当摩尔比n(RE3+)∶n(SiO2)为0.02时，其稳定性均有突跃性下降，其原因尚待进一步研究。
综上所述，在PASS和PFSS中加入稀土元素均使絮凝剂的稳定性有所改善。这可能是由于稀土离子与SO2-4可生成一系列稳定的配合物，从而使絮凝剂的稳定性增加。
2.2不同摩尔比n(RE3+)∶n(SiO2)对絮凝剂絮凝效果的影响
取模拟水样六组，每组六份，每份200mL，每组分别滴加不同n(RE3+)∶n(SiO2)的絮凝剂，其中RECl3—PASS，RECl3—PFSS各滴加0.05mL，300r/min搅拌2min，静置15min，距液面2cm处取液，测定吸光度，计算浊度去除率，从而考察其絮凝效果，结果见图3和图4。
由图3可以得知，在PASS中加入不同量的LaCl3，CeCl3，NdCl3，絮凝效果有所不同。当n(RE3+)∶n(SiO2)分别为0.02、0.01及0.03时，絮凝效果最佳。在SiO2含量和pH值一定前提下，不同摩尔比n(RE3+)∶n(SiO2)絮凝剂的絮凝效果有所不同。从总体上来看，在PASS中加入稀土元素，使其絮凝效果大幅度增强。当n(LaCl3)∶n(SiO2)为0.00750～0.0285，n(CeCl3)∶n(SiO2)为0.00600～0.0240，n(NdCl3)∶n(SiO2)为0.0250～0.0350时，絮凝效果较好，浊度去除率均在90.0%以上。

由图4可以得出，在PFSS中加入不同量的LaCl3，CeCl3，NdCl3，絮凝效果有所变化。当n(LaCl3)∶n(SiO2)为0.03，n(CeCl3)∶n(SiO2)为0.01，n(NdCl3)∶n(SiO2)为0.05时，絮凝效果最好，浊度去除率均在97%以上。
2.3陈化时间对絮凝效果的影响
通过改变絮凝剂制备过程中的陈化时间来观察陈化时间对絮凝效果的影响，结果见图5及图6。

由图5可知，LaCl3-PASS随陈化时间的增加，絮凝效果也在增加，在陈化13～17天时，絮凝效果较好。CeCl3-PASS陈化11天时絮凝效果达较佳，随后絮凝效果下降，但在陈化16天时，絮凝效果达到最佳。NdCl3-PASS陈化14天时，絮凝效果达到最佳。同时也可看出，对于不同种类的稀土絮凝剂，其絮凝效果与陈化时间的变化差异较大，其原因有待进一步研究。
由图6知，LaCl3—PFSS在陈化13～17天时，絮凝效果较好，陈化15天时，絮凝效果最佳，浊度去除率高达96.6%。CeCl3—PFSS陈化12～16天时，絮凝效果较好，在陈化15天时，絮凝效果达到最佳，浊度去除率高达97.5%。NdCl3—PFSS在陈化12～15天时，絮凝效果较好，浊度去除率均在95.0%以上。在陈化12天时，絮凝效果达到最佳，浊度去除率高达99.6%。
由图6也可看出，随着陈化时间的延长，絮凝剂的絮凝效果逐渐提高，到一定时间后又逐渐降低。这是因为在制备初期硅酸聚合速度慢，聚合度较小，在水中卷扫能力较小，表现在絮凝过程中，矾花较小，沉降速度较慢，浊度去除率较低。随着陈化时间的延长，聚硅酸的聚合度得到增大，表现为絮凝矾花大，沉降速度快，浊度去除率高。但随着陈化时间的进一步延长，聚硅酸的聚合度进一步增大，最终成为凝胶，此时处理效果反而降低。
2.4不同投加量对絮凝效果的影响
将LaCl3-PFSS[n(LaCl3)∶n(SiO2)=0.02]，NdCl3-PASS[n(NdCl3)∶n(SiO2)=0.05]分别按照0.0625mL，0.0850mL，0.125mL，0.165mL，0.250mL的量投加到1L原水中，进行混凝试验，观察其絮凝效果，结果见图7。

由图7可以看出，当絮凝剂的用量逐渐增加时，浊度去除率也逐渐增加，当投加量均为0.0850时，浊度去除率的变化已经不大，趋于平缓，因此投加量为0.0850mL时为最佳投加量，LaCl3-PFSS和NdCl3-PASS浊度去除率分别达到97.0%和92.6%。
絮凝剂的投加量是影响絮凝过程的重要因素之一。一般胶粒自身带负电荷，由于同性电荷相斥，使胶粒稳定于水中，而絮凝剂中所含的金属离子以及稀土阳离子能起到电中和作用，使胶粒所带电荷减少而失稳，若絮凝剂加入量不足，水样中的胶体不能完全脱稳，达不到理想效果。
3.结论
稀土改性聚硅酸硫酸铝(铁)絮凝剂的稳定性优于聚硅酸硫酸铝(铁)。RE—PASS和RE—PFSS的最佳投加量均为0.0850mL/L，且絮体的沉降速度快，颗粒大而密实，上清液悬浮物较少，是一种比PASS和PFSS更优良的絮凝剂。