PFS—PS硅铁絮凝剂的合成形态及应用研究

Posted 2023-01-11 絮凝

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在水处理领域，高度聚合的硅酸与金属离子一起可产生良好的混凝效果。将金属盐引入到聚硅酸中所制得的混凝剂称为聚硅酸金属盐混凝剂。聚硅铁类絮凝剂PFS-PS作为该类混凝剂的一种新型药剂，仍处在理论研究阶段，具有广阔的发展空间，是水处理药剂开发的研究热点之一。本实验利用所合成的硅铁絮凝剂对浮渣进行理化调理，通过测量PFS-PS絮凝剂对污泥比阻的影响达到考察合成工艺对PFS-PS絮凝剂的絮凝性能影响和为污泥脱水开发新型药剂的两种目的。
1实验
1.1实验原料与仪器及分析方法
实验所用试剂均为分析纯；试验用分析仪器为：PXS-215型离子活度计、LCJJ-931型磁力加热搅拌器、惠普上分6010紫外一可见光度计、721分光光度计。不同制备条件的聚硅铁絮凝剂的含铁量用重铬酸钾滴定法，硅铁絮凝剂中铁、硅的形态分析分别采用Fe—Ferron逐时络合比色法和β-Silicomolybdate法测定。污泥比阻在自制的装置上测得。
1.2PFS-PS的制备方法
取一定量的水玻璃，用去离子水稀释至2，在250mL烧杯中快速搅拌的同时用酸式滴定管滴加2O%硫酸溶液酸化调节pH值到一定值，控制反应时间进行聚合，当聚合完成后加入一定量的聚铁溶液，搅拌使其聚合，通过加入碳酸氢钠溶液(0.5mol/L)调节碱化度，熟化后得到液体聚硅铁絮凝剂制品。
1.3污泥脱水实验
在500mL的烧杯中加入400mL污泥，投加定量的所研究的絮凝剂，在搅拌器上快速(150r/min)搅拌60s，再慢速(40r/min)搅拌180s，取均匀液测其比阻及沉降性能。
2结果与讨论
2.1聚硅铁絮凝剂的表示方法
为方便讨论，下面对不同硅铁比和不同碱化度的硅酸与聚合硫酸铁聚合的絮凝剂以PFP表示。不同的Si/Fe以下标X表示，其中：X=Ⅰ；Ⅱ；Ⅲ；Ⅳ；Ⅴ。Ⅰ-2/1；Ⅱ-1.5/1；Ⅲ-1/1；Ⅳ-1/1.Ⅴ-1/2。不同的碱化度以下标Y表示，其中：y=a；b；c；d。a=0；b=0.5；c=1.0；d=1.5。
2.2PFS-PS稳定性能考察
PFS-PS稳定性能整体上随着碱化度升高稳定性能降低。Si/Fe越小硅浓度越低稳定性能越好，见图1。

2.3PFPS的硅铁形态
2.3.1PFS-PS的pH驰豫曲线
以碱化度为O的PFS-PS为例，如图2，Si/Fe>1的共聚物pH随时间呈升高趋势，相反，Si/Fe<l共聚物pH呈下降趋势。从pH驰豫曲线可知，PFS-PS絮凝剂要经过较长一段时间才能达到暂态平衡。

2.3.2PFS-PS絮凝剂的硅、铁形态
(1)铁形态分析：合成PFS-PS絮凝剂所使用的铁盐(自制聚合硫酸铁全铁l1.55%，盐基度12.51%，pH2.54)，其形态分布见图3，经计算，PFS的Fe(a)=36.4%；Fe(b)=28.4%；Fe(c)=34.2%。

对Fe(Ⅲ)形态的分析发现：碱化度对Fe(Ⅲ)形态影响，随着碱化度升高，各类絮凝剂的Fe(a)含量下降，Fe(b)、Fe(c)量升高；Si/Fe对Fe(Ⅲ)形态影响，Si/Fe>1，Fe(b)含量随Si/Fe减小而增多，Fe(c)减少，Fe(a)量基本保持不变；Si/Fe>1，Fe(b)、Fe(c)含量随Si/Fe的减小而减小，而Fe(a)则相反，见表1。

同PFS的形态分布进行比较，所合成的PFS-PS絮凝剂的Fe(a)比PFS的低，Fe(b)、Fe(c)含量比前者要高。且Si/Fe越小，其个形态的含量的分布越接近PFS，这说明用PFS与硅酸合成聚硅铁，能使一些低聚合态的Fe进一步聚合，生成过渡态和高聚态且Fe(b)在Si/Fe=1时出现高峰值，占全铁的33%左右。PFS—PS与PFSS絮凝剂的Fe(111)形态分布也有所不同，从数量上，相同Si/Fe和碱化度的PFS-PS，拥有更多的Fe(b)和Fe(c)，但较少的Fe(n)。从变化特性看，前者在Si/Fe=1时出现Fe(b)高峰值，后者无此明显变化。另外，Fe(Ⅲ)形态随时间变化亦可证明PFS—PS溶液中的硅与铁需要长时间才能稳定。
(2)硅形态分析：由表2可知，碱化度对PFS-PS中Si(Ⅳ)形态有较大影响，由考察熟化24h的硅铁絮凝剂可知，随着碱化度的升高，各硅铁中Si(a)、Si(b)含量升高，Si(c)含量下降，与PFSS絮凝剂所表现的变化相似；在Si/Fe为1时，有最大含量的高聚态Si(c)和最小含量的Si(a)，而当硅与铁含量相差较大时(Si/Fe为2或0.5)，Si(a)含量升高；随着熟化时间的延长，Si(a)、Si(b)含量下降，Si(c)含量升高。絮凝剂在较长时间内才能达到稳定，硅铁间的相互作用延缓了硅的胶凝时间。

2.4PFS-PS絮凝剂在污泥脱水中的应用
2.4.1碱化度对PFS-PS的絮凝性能影响
图4给出了碱化度对PFS-PS絮凝剂调理浮渣的性能的影响。随着碱化度的升高，PFS-PS的絮凝性能有所下降，造成这种趋势可能是碱量加大，因增强了铁离子的水解能力，从而破坏了FeOSi一的原有结构，虽然增加了聚合态铁的含量，但由于Si(c)减少，整体上造成原有的多孔网状结构破坏而降低了PFS-PS大分子的吸附架桥能力，减弱了对浮渣的化学调理性能。

2.4.2Si/Fe比对PFS-PS的絮凝性能影响
取碱化度0和0.5；Si/Fe比2/1、1/1和1/26种絮凝剂进行考察Si/Fe比对PFS—PS的絮凝性能影响，结果见图5。Si/Fe=1/1时絮凝剂有较好的絮凝效果，且Si/Fe比1/2的絮凝性能优于Si/Fe比2/1的絮凝性能，Si/Fe比在1/1～1/2之问的PFS—PS的絮凝性能为优。且有Si/Fe比对PFS—PS絮凝剂的硅、铁形态有着显著影响，在Si/Fe比1附近，Fe和Si都有较高的聚合度，因而此时絮凝性能较优。

2.4.3浮渣化学调理最佳PFS-PS絮凝剂的选择
以絮凝剂的稳定性和对浮渣的调理效果为依据，由以上实验所得结果，可选用PFS-PSⅢ。(Si/Fe=1/1；OH/Fe—O)为首选药剂，其稳定性可在1个月以上，加入量在20mg/g(占干重的0.2)，可使浮渣的比阻下降，为易过滤污泥。
2.4.4硅铁絮凝剂和硅铁絮凝剂的絮凝性能比较
取聚合硫酸铁和两种最佳性能的硅铁絮凝剂PFS-PSⅢ。、PFSS进行了比较，在以铁为基准时，两类硅铁絮凝剂的絮凝效果明显以PFS-PS性硅铁絮凝剂的絮凝为最优。3种絮凝剂的投加量在20mg/g，PFS使浮渣比阻降为2左右，而两种硅铁絮凝剂均能使浮渣比阻降至1以下，成为易过滤污泥。由此可见，硅铁絮凝剂在对炼油厂浮渣进行理化调理时，具有比聚合硫酸铁絮凝剂更为优秀的絮凝性能。
3PFS—PS絮凝剂结构分析
硅原子模型是四面体结构，所形成的聚合物可能向各个方向进行聚合，为带支链的、环状的或网状的立体结构，因而聚硅酸具有很强的粘结聚集能力和吸附架桥作用。据文献和可知，当Si/Fe在一定时，铁可以达到最大的聚合度。铁离子的加入，增强了聚硅酸的电中和能力，因而具有同PFS相同的絮凝作用机理，从图6可见，硅铁絮凝剂的这种集电中和和吸附架桥的能力要优于PFS。又因为PFS—PS中仍可保留PFS原有的结构，且能增加其吸附网捕能力，所以其絮凝性比PFSS优秀。

4结论
投加量/mg.g
图6硅铁、聚铁的絮凝性能比较
(1)在所考察范围内，硅铁絮凝剂的稳定性受硅浓度、铁浓度和引入碱量因素影响。硅浓度低、Si/Fe比小，碱化度低时所得到的产品稳定性较高。
(2)硅铁絮凝剂在较长时间内其硅、铁才能达到暂态稳定。随着碱化度的升高，硅铁絮凝剂的Fe(a)含量下降，Fe(b)、Fe(c)量升高；各硅铁中Si(n)、Si(b)含量升高，Si(c)含量下降。PFS—PS中Fe(b)含量在25～35%，Si(b)含量在3O左右。Si/Fe比的变化对PFS-PS中的硅铁形态产生影响，PFS—PS中Fe
(6)在Si/Fe=1时有较高值，而硅在Si/Fe为1时，有最大含量的高聚态Si(c)和最小含量的Si(n)。
(3)Si/Fe、碱化度对硅铁絮凝剂调理浮渣的絮凝性能有较大影响，PFS—PS在Si/Fe为1/1～1/2时，有最佳絮凝性能。选用PFS—PSⅢ。、PFSS和PFS对浮渣的化学调理性能进行了比较，3种絮凝剂投加量为20mg/g时，PFS使比阻降为2左右，而两种硅铁絮凝剂均能使浮渣比阻降至1以下，成为易过滤污泥，且PFS-PS型优于PFSS型。