原位晶化NaY分子筛制备过程中含硅废水的处理工艺研究

Posted 2023-01-12 滤液

篇首语：读书也像开矿一样“沙里淘金”本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了原位晶化NaY分子筛制备过程中含硅废水的处理工艺研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

以阳离子表面活性剂YC和非离子表面活性剂YN为絮凝剂，采用酸化硫酸铝中和法处理原位晶化制备NaY分子筛工艺中产生的含硅洗涤废水，考察了废水硅浓度，终点pH值，成胶温度和絮凝剂用量对滤液处理效果的影响。结果表明，在室温下，废水硅浓度为20g/L，终点pH值为7.0，絮凝剂YC，YN用量分别为10×10-6，50×10-6的优化条件下，滤液硅浓度为0.42g/L，透光率为97.1%。
采用原位晶化法制备NaY分子筛过程中的主要排放物分为2部分，一是合成过程产生的含有SiO2，Na2O的废液，这是由于投料硅铝比高，而硅的利用率只有51%～54%，大量的SiO2等有效组分排入废水所造成；二是交换过程中产生的废液，这是由于NaY交换过程消耗大量水所致。
林伟考察了NaY分子筛制备过程中含硅物质的分布情况：84%(质量分数，下同)存在于母液和分子筛洗涤工序的一段洗涤废水中(硅含量按SiO2计，质量浓度为160～180g/L)，12%存在于合成分子筛中，剩下4%存在于分子筛洗涤工序的二段和三段洗涤废水中，由于其pH值(12～13)高，硅质量浓度达5～15g/L，无法直接排放。对于一段洗涤废水的利用方法主要有3种：硅全循环用于NaY分子筛的合成[4-5]；制备硅铝胶催化剂[6-7]；加入水处理剂将可溶性硅沉降后再利用[8-10]。对于二段和三段洗涤废水常用的处理方法是将此废水与去离子水装置产生的酸性水进行中和。但在中和过程中会产生大量的凝胶沉淀，其含水量高，体积大，难以压滤成饼，无法直接排放。针对这一问题，吴伟等[8-9]采用ZC-2F为絮凝剂处理二段和三段洗涤废水，取得了较好效果，但ZC-2F的合成过程比较复杂；胡菊英等采用聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)与DA3复配处理中和后的废水，虽可实现直接排放，但絮凝剂的稳定期仅为2d。本工作选用阳离子表面活性剂YC和非离子表面活性剂YN为絮凝剂，采用酸化硫酸铝中和法处理原位晶化制备NaY分子筛工艺中产生的二段、三段洗涤废水，考察了废水硅浓度、终点pH值、成胶温度、絮凝剂配比等因素对处理效果的影响。
1.实验部分
1.1原料及试剂
废水，原位晶化NaY分子筛制备过程中产生的二段和三段洗涤废水，外观透明，微黄，硅浓度(以SiO2计，质量浓度，下同)5.29g/L，碱浓度(以Na2O计，质量浓度，下同)2.83g/L，pH值12～13。酸化硫酸铝溶液，含Al2O3质量浓度66g/L。阳离子表面活性剂YC，非离子型表面活性剂YN。盐酸，分析纯，质量分数36.0%～38.0%；氢氧化钠，分析纯，质量分数不小于96.0%，均由上海凌峰化学试剂有限公司生产。甲基红指示剂，氟化钾-氯化钾指示剂，自制。苏州高岭土细粉。
1.2废水处理原理及方法
1.2.1原理
废水中的硅主要以Na2SiO3的形式存在，当加入一定浓度的酸化硫酸铝溶液时，发生共沉淀反应：

沉降下来的硅溶胶(SiO2.H2O)和铝溶胶[Al(OH)3]相互结合，形成Si—O—Al活性结构，得到硅铝溶胶，溶胶带负电，易被带正电的电解质所凝结。基于此原理，采用阳离子表面活性剂，强烈吸附胶体粒子，中和表面负电荷，降低ζ电位，从而使胶体粒子之间互相吸引，形成硅铝凝胶沉淀。而非离子表面活性剂在溶液中不是以离子状态存在，稳定性高，不易受强电解质和酸碱的影响，与其他类型表面活性剂能混合使用，相容性好。凝胶的形成过程如图1所示：

废水中的Na2SiO3最终以硅铝凝胶的形式沉降，减压抽滤后，滤液可直接达到国家环保排放标准。
1.2.2方法
搅拌过程中向废水中滴加酸化硫酸铝溶液，不断产生凝胶，搅拌20～30min后，加入一定量的絮凝剂或再加入助滤剂高岭土细粉，继续搅拌约30min，过滤。
1.3分析方法
采用上海康仪仪器有限公司生产的8205系列笔式pH计测定废水的pH值。采用化学滴定法(GB/T4209—2008)测定滤液的硅浓度和碱浓度。碱浓度测定以甲基红作指示剂，用盐酸滴定，当溶液由亮黄色变成橙红色即为终点。硅浓度测定是在上述测过碱含量的锥形瓶里加入盐酸溶液和氟化钾-氯化钾混液，用氢氧化钠滴定，当溶液由红色变成亮黄色即为终点。采用上海雷磁仪器厂生产的721型可见光分光光度计测定废水的透光率，入射波长选择530nm，以纯净的去离子水为参照样，设定其透光率为100%。
2.结果与讨论
2.1废水硅浓度对滤液处理效果的影响
废水硅浓度为5.29g/L，pH值高，处理时加酸使其pH值降至约为9.0，发现产生的凝胶量少，在过滤时会穿透滤布，导致滤液中硅含量高且浑浊，有絮状物悬浮，故将终点pH值降至7.0，过滤速度虽大幅提高，但是滤液中的硅浓度还是相对较高，滤液浑浊，且在放置过程中逐渐产生絮凝物并沉降。因此，应适当提高其硅浓度，向废水中添加少量晶化母液，酸化后产生的凝胶量比较多，不会穿透滤布而导致滤液浑浊。在酸化过程中絮凝剂YC，YN用量(占所处理废水量的质量分数)分别为10×10-6，50×10-6时，考察了废水硅浓度对滤液处理效果的影响，结果见表1。

由表1可见，在终点pH值为7.0时，随着废水硅浓度的增大，滤液硅浓度减小，透光率增大，表现为外观清亮透明。当废水硅浓度超过30g/L时，加入少许酸化硫酸铝即迅速产生大量凝胶，甚至失去流动性，故将终点pH值调至9.0，但过滤速率非常慢。因此，适宜的废水硅浓度约为20g/L。
2.2终点pH值对滤液处理效果的影响
终点pH值是影响滤液质量的重要因素。终点pH值越低，缩聚反应越快，生成大量细小的凝胶粒子，粒子相互作用生成骨架疏松的凝胶，更有利于过滤。在废水硅浓度为20g/L，絮凝剂YC，YN用量分别为10×10-6，50×10-6的条件下，考察了终点pH值对滤液处理效果的影响。结果(见表2)表明，随着终点pH值降低，滤液硅浓度减小，透光率增大。但当pH值降至小于7.0时，滤液硅浓度及其透光率基本稳定。因此，终点pH值控制在7.0为宜。

2.3成胶温度对滤液处理效果的影响
酸化硫酸铝溶液滴加完毕后，废水在一定的温度下逐渐产生凝胶，此温度即为成胶温度。成胶温度越高，缩聚反应越快，所得凝胶越疏松，越容易过滤。在废水硅浓度为20g/L，终点pH值为7.0，絮凝剂YC，YN用量分别为10×10-6，50×10-6的条件下，分别控制成胶温度为室温、50，80℃，所得滤液硅浓度相应为0.42，0.39，0.38g/L。可见，随着成胶温度的升高，滤液硅浓度略有下降，作用不明显。因此，成胶温度选室温即可。
2.4絮凝剂配比及用量对滤液处理效果的影响
在废水硅浓度为20g/L，终点pH值为7.0的条件下，考察了絮凝剂用量及助滤剂高岭土细粉对滤液处理效果的影响，结果见表3。

由表3可见，不加絮凝剂时，滤液透光率波动较大，且发现不断有絮状物沉淀析出，无法准确滴定硅浓度。由于凝胶表面携带一定量的负电荷，因此需适量阳离子型表面活性剂中和该负电荷。当YC用量为5×10-6时，不足以中和凝胶中的负电荷；当YC用量为10×10-6时，随着YN用量的增加，滤液硅浓度先降低后增大，且当YN用量为50×10-6时滤液透光率最高(97.1%)，硅浓度最低(0.42g/L)。因此，复配絮凝剂YC用量为10×10-6，YN用量为50×10-6时最佳。
另外，由表3还可见，在絮凝剂用量相同时，加入适量高岭土细粉可使滤液硅浓度减小，透光率增大。这是由于高岭土细粉可在凝胶中起到架桥作用，使凝胶快速沉降，加快过滤速度。
3.结论
以阳离子表面活性剂YC和非离子表面活性剂YN为絮凝剂，采用酸化硫酸铝中和法处理原位晶化制备NaY分子筛工艺中产生的二段、三段洗涤废水，确定出废水处理的优化条件：室温，调节废水硅浓度为20g/L，终点pH值为7.0，絮凝剂YC，YN用量分别为10×10-6，50×10-6。在此条件下，滤液硅浓度降至0.42g/L，其透光率可达97.1%。另外，加入适量高岭土细粉有助于絮凝和过滤。