聚硅酸铝铁絮凝剂对高浓度腐植酸水样的絮凝效果分析

Posted 2023-01-12 絮凝

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本文以高浓度腐殖酸模拟水样为处理对象，考察了聚合硅酸铝铁絮凝剂对模拟水样的絮凝效果；研究了絮凝时间、絮凝剂用量、体系酸度和絮凝剂组成对絮凝效果的影响；发现聚硅酸铝铁絮凝剂对高浓度腐殖酸模拟水样有较好的处理效果，在实验条件下可使水样的透光率由13.4%提高到92.8%。
聚硅酸铝铁絮凝剂是在聚硅酸及传统的铝盐、铁盐等絮凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与金属盐的复合产物。近年来研究人员发现在处理废水等复杂、稳定的分散体系时，复合絮凝剂表现出优于单一絮凝剂的效果。加入一定浓度的高价金属离子，不仅能够有效缓解硅酸溶胶的聚合作用，提高活性硅酸的保存时间，也能改变活性硅酸的电动电位，使其转化为带正电荷的阳离子高聚物，增强对水中胶体的电中和作用。由于该类絮凝剂同时具有电中和及吸附架桥的作用，絮凝效果好，且易于制备，价格便宜，是目前国内外水处理剂研究领域的热点[2-3]。
本文以含高浓度腐殖酸的模拟水样为研究对象，以絮凝实验前后水样透光率的变化为指标，通过实验考察聚硅酸铝铁絮凝剂对模拟水样的絮凝效果和使用条件，以期为该絮凝剂的实际应用提供有价值的参考。为煤电和煤化工企业提高污水处理技术和水资源的循环利用效率、减少污水排放对环境的污染提供帮助。
1.实验材料与方法
1.1实验材料
1.1.1实验材料
腐殖酸钠(自制)、高岭土(化学纯)；硅酸钠、硫酸铝、氯化铁、硫酸、氢氧化钠(均为分析纯)。
1.1.2主要仪器
SH2601型精密酸度计上海大普仪器有限公司722型光栅分光光度计上海第三分析仪器厂制造HJ-4型多头磁力搅拌器江苏医疗仪器厂HR-200精密电子天平A&DlimitedCompany
1.2实验方法
1.2.1模拟水样的配制
在1L水中加入100mg高岭土和20mg腐殖酸钠，在波长为420nm条件下测定水样的投光率T=13.4%，pH=7.82。
1.2.2絮凝剂的制备
根据参考文献的方法，取一定量的硅酸钠溶液，用20%的H2SO4酸化，调节pH值至5左右控制反应时间进行聚合，依次加入一定量的Al2(SO4)3、FeCl3，快速搅拌5min后，陈化半小时，得到胶体状聚合硅酸铝铁絮凝剂(PSFA)。
1.2.3絮凝效果实验
采用烧杯絮凝实验法：在250ml烧杯中取200ml水样，加入一定量的絮凝剂，先快速搅拌搅拌3min，再低速搅拌5min，静置一定时间后，于距液面约2cm处吸取上层澄清液，在420nm波长处测定透光率。
2.结果与讨论
2.1絮凝时间对絮凝效果的影响
确定絮凝时间初步实验中，絮凝剂配比Al：Fe：Si取2：1：1的比例(摩尔比)，用量为30mg，结果如图1。

由图1可以看出，絮凝沉降时间20min后体系趋于稳定，水样透光率随着沉降时间的延长不再有明显升高，表明絮凝体已基本沉淀完全。因此絮凝实验的絮凝时间确定为20min。
2.2絮凝剂用量对絮凝效果的影响
分别取不同用量的絮凝剂加入水样中进行絮凝实验，结果如图2。

絮凝剂用量对絮凝效果有较大的影响，对特定的水样有一个适宜的用量范围。由图2可以看出，随着絮凝剂用量的增加，水样的透光率逐渐升高，达到一定高度后，继续增加用量透光度会降低。这是因为，絮凝剂用量太少，水样中的胶体和悬浮颗粒絮凝沉淀不完全；絮凝剂用量过大时，过量的絮凝剂水解所形成的新的胶体会增加水样的浊度。对本模拟水样絮凝剂的适宜用量为40mg/L。
2.3体系酸度对絮凝效果的影响
分别在水样中加入硫酸或氢氧化钠调成不同的pH，再加入相同质量(40mg/L)的絮凝剂进行絮凝实验，结果如图3。

图3表明体系的酸度不同也会影响絮凝剂的絮凝效果。当水样的pH值较低或较高时，都会使聚硅酸铝铁絮凝剂的絮凝性能降低。这是因为溶液的酸度会直接影响絮凝剂中金属多羟基聚合物的稳定性，pH值较低时，聚合物易发生水解；pH值较高时，聚合物可能会聚沉；只有当体系pH值接近在中性时，絮凝剂中金属多羟基聚合物才相对稳定，絮凝效果达到最佳。
2.4絮凝剂配比对絮凝效果的影响
在絮凝剂用量为40mg/L、絮凝时间为20mim、pH值为7.8的相同条件下，调节絮凝剂配比用不同Al/Fe摩尔比及(Al+Fe)/Si摩尔比，研究絮凝剂不同配比对其絮凝效果的影响，结果见表1。

可以看出，絮凝剂不同配比对絮凝效果影响较大，硅酸盐含量过高对絮凝有不利的影响，适当提高絮凝剂中Al/Fe摩尔比可增其强絮凝效果，与参考文献的结果是一致的。这是由于硅酸聚合物与金属离子多羟基聚合物表面所带电荷不同，提高硅酸盐含量时，聚硅酸表面带负电荷会与铝铁多羟基聚合物表面正电荷中和，降低了絮凝剂整体表面正电荷密度，从而降低了絮凝剂与表面带负电荷的腐殖酸和粘土颗粒之间的电中和作用，对絮凝沉淀不利；而提高絮凝剂中金属盐的比例则会增加絮凝剂的表面正电荷，提高其电中和能力，从而增强其絮凝效果。
3.结论
(1)聚硅酸铝铁絮凝剂对高浓度腐殖酸水样有较好的絮凝效果，沉降速度快且絮体密实。在实验备件下处理后水样透光率由13.4%提高到92.8%。
(2)絮凝剂用量、体系酸度和絮凝剂组成对絮凝效果都有一定的影响。在实际应用中应根据处理水样的特点进行应用条件选择。
(3)聚硅酸铝铁絮凝剂可广泛用于煤矿和煤化工企业等含高浓度腐殖酸污水的絮凝处理，具有沉降速度快且絮体易分离的特点，可大幅提高水资源的循环利用效率，减少污水排放造成的环境污染，具有很高的应用和推广价值。