新型聚硅酸氯化铝铁絮凝剂制备与性能

Posted 2023-01-12 溶液

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以水玻璃、氯化铝、氯化铁为原料制备新型无机絮凝剂———聚硅酸氯化铝铁，考察聚硅酸熟化时间、熟化温度、熟化pH、Al/Fe摩尔比等参数的影响，确定了最佳制备条件.同时，以生活污水为处理对象考察了pH、投药量对絮凝性能的影响.研究结果表明：当硅酸钠浓度为0.97mol/L，Si/(Al+Fe)为2∶(2+1)、Al/Fe为2∶1～4∶1时，熟化温度30～40℃、pH为5～6、熟化时间20～30min的条件下，制备的聚硅酸氯化铝铁对于pH为6～11的生活污水的混凝处理效果最佳.采用相同投加量时，絮凝效果明显优于传统絮凝剂.
文章编号：1673-9590(2009)04-0043-04
0 引言
研究和应用高效低耗、安全无害、无二次污染的水处理剂是提高水环境质量和水处理科学技术水平的重要途径之一.絮凝剂是一种重要的水处理药剂，它是用来使溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状沉淀的物质，在固液分离和水处理过程中，用以提高微细固体物的沉降和过滤效果，被广泛应用于化工、环保、水处理等领域.
无机絮凝剂最普遍的是聚铁盐和聚铝盐.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[2-5].例如，铝铁复合絮凝剂既能克服纯铝盐絮凝剂的矾花生成慢、矾花轻、沉降慢的特点，又能弥补铁盐絮凝剂的出水色度高的不足，除浊效果和沉降效果都很好，优于一般的铁、铝盐絮凝剂.而聚硅酸盐(即活化硅酸盐)是一类新型无机高分子絮凝剂，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.由于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自聚作用，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，引起了水处理界的极大关注.
本文采用一种比较简便的方法制备了新型聚硅酸氯化铝铁絮凝剂，对制备条件进行了优化，并以生活污水为处理对象，考察了其絮凝性能.
1 材料和方法
1.1 实验仪器与试剂
实验仪器：721型分光光度计(上海分析仪器厂)；电子天平；超级恒温水浴(上海实验仪器厂)；电动搅拌仪(杭州仪表电器厂)；恒温磁力搅拌器521-1型(上海司乐仪器厂)；pH计(HJ-2428，)；三口圆底烧瓶等.
实验试剂：水玻璃(分析纯，Na2SiO3.9H2O)；氯化铝(分析纯，AlCl3.6H2O)；氯化铁(分析纯，FeCl3.6H2O)；HCl(分析纯)；NaOH(分析纯)等.
1.2 主要分析方法
COD、浊度的测定采用标准方法.
1.3 制备PSAFC步骤
本实验采用一步法制备合成PSAFC，首先称取一定量的水玻璃于烧杯中，配制成一定浓度的硅酸溶液，然后向溶液中滴加浓度为20%的盐酸溶液，来调节硅酸溶液的pH值，在一定温度下搅拌聚合一定时间后即可得到活化的硅酸溶液.分别称取一定量的氯化铝和氯化铁于烧杯中，以一定的Si/Al、Si/(Al+Fe)比配制成溶液，并将其置于三口烧瓶中，在一定温度下，恒温加热搅拌反应一段时间，再将活化后的硅酸加入到该溶液中，搅拌、反应一段时间，然后向生产的溶液中滴加10%的氢氧化钠，调节至一定的pH值后，再静置一段时间，即可得到聚硅氯化铝铁产品.
2 结果与讨论
2.1 硅酸的聚合
硅酸聚合是相邻硅酸分子上羟基间的脱水聚合而形成具有硅氧键的聚合物.硅酸聚合过程极不稳定，极易凝结胶化，影响硅酸聚合过程的因素主要是pH和温度.
二氧化硅的浓度与硅酸的聚合反应速度有关.在实际制备聚硅酸的过程中，二氧化硅浓度过高，硅酸的聚合反应速度较快，则硅酸的聚合度很难控制.但如果浓度过低，聚合反应速度又非常缓慢，也不利于实际生产应用.因此选择二氧化硅浓度为1.5%～2%，考察pH、温度两个因素的影响.
2.1.1 pH对硅酸聚合的影响
在室温条件下，向硅酸钠溶液中加入20%的盐酸溶液，调节不同的pH，观察硅酸钠溶液胶化现象，记录从开始加入酸到出现凝胶化即当溶液出现乳白色，略显浅蓝色，且呈现比较粘稠状时的时间，此时间即为硅酸的胶化时间.结果如图1所示.

从图1可以看出，在制备活化硅酸时，水玻璃溶液的pH约为12，加入活化剂中和使其pH降到9以下，硅酸迅速胶化.当pH降到6以下时，随着pH的降低，硅酸胶化的速度也明显下降.考虑到实际可操作性，比较适宜的pH为5～6时，聚合时间为20～50min.
2.1.2 温度对硅酸聚合的影响
温度对硅酸的聚合反应速度也有一定的影响.采用以上确定的pH值，在20～60℃下，记录硅酸的胶化时间，结果如图2所示.

温度的提高可明显加快硅酸的聚合.当SiO2含量为2%，pH为5～6时，适宜的胶化温度为30～40℃，胶化时间为20～30min.
2.1.3 Al/Fe对PSAFC的影响
保持Si/Al摩尔比为1：1的条件下，按照不同的Al/Fe摩尔比分别制备PSAFC.通过对水样水质的处理效果，考察Al/Fe摩尔比对混凝剂的处理效果的影响.实验中进行了五组实验，结果如图3所示.其原水的浊度为143.5NTU，COD为248mg/L.

由图3可以看出，Al/Fe摩尔比对PSAF混凝剂的性能有一定的影响.当Al/Fe摩尔比为1∶1和2∶1时，对COD和浊度去除效果比较理想.但当Al/Fe摩尔比为1∶1时，由于铁量较大，使处理后的水样的色度比较高，因而影响了处理效果.当Al/Fe摩尔比大于4时，随着Al/Fe摩尔比的增大，聚硅酸氯化铝铁的去除效果明显下降.所以，适宜的Al/Fe摩尔比为2∶1～4∶1.
2.2 PSAFC处理效果影响因素
2.2.1 水质pH对于PSAFC处理效果的影响
水质pH的适应能力是评价药剂的性能的重要指标.取浊度为30NTU，COD为248mg/L的生活污水，分别调节pH值至一定范围，向其中投加200mg/LPSAFC，进行混凝实验.考察其混凝处理效果随水样pH的变化关系，结果如图4所示.
结果表明，PSAFC适用的pH范围较宽.在pH为6～12之间时，浊度及COD均有很好的去除效果.特别是在6～10之间，处理效果尤其明显.由此可见，PSAFC对于处理水质pH有良好的适应能力.

2.2.2 PSAFC的投加量对处理效果的影响
在实际生产中混凝剂的经济性也要作为一个决定性的因素进行考虑.另外，对最少投加量的确定，不仅仅是从经济实用性角度进行考虑，当药剂的投加量减少时，产生的污泥量也会相应减少，从而一定程度上减轻了剩余污泥的处理负荷，对实际生产应用有着重要意义.
分别向500mL浊度为30NTU，COD为248mgL的生活污水中，投加不同量的PSAFC进行混凝试验，考察其对浊度的去处效果.结果如图5.

由图5可以看出，当絮凝剂用量过少时(小于200mg/L)，对水中悬浮颗粒和胶体絮凝效果较差.而当絮凝剂用量超过400mg/L时，絮凝效果增加幅度较小.当用量超过600mg/L时，会使所形成的絮体重新破坏而变成稳定的胶体.考虑到实用性和经济性，本实验选择400mg/L为实验所用水样的最佳投加量.
2.2.3 与其它絮凝剂处理效果的比较
PSAFC作为一种新型的絮凝剂在水质处理过程中具有比传统絮凝剂优越的特点.本实验在pH为8时，向500mL浊度为30NTU的生活污水样中分别投加等量氯化铝(AlCl3)、聚合铝(PAC)和聚硅铝铁药剂，对其处理效果进行比较.结果(图6、图7)发现，相同投加量时，聚硅酸铝铁的处理效果都是最好的.而从图7可以看出，聚硅酸铝铁处理后的絮体体积最少，而且更为密实，说明产生污泥量最少.这样，在实际生产中，PSAFC产生的污泥量较少，能够很好的减轻污泥处理负荷.

3 结语
本文以硅酸钠、氯化铝、氯化铁为原料，在一定条件下合成了PSAFC，考察了pH、投加量对产品絮凝性能的影响.结论如下：
(1)在浓度为0.97mol/L的硅酸钠(以SiO2计)，胶化温度30～40℃，胶化时间20～30min，(Fe+A1)/Si摩尔比为3∶2，A1/Fe摩尔比为2∶1～4∶1条件下，制备PSAFC产品混凝效果较好；
(2)PSAFC絮体密实、沉降速度快、污泥体积少、絮凝效果好，而且pH适应范围广；
(3)在加药量为400mg/L时，PSAFC对生活污水COD去除率可以达到48.4%、浊度去除率可达到87.7%.在加药量相同的条件下，处理效果明显优于传统的絮凝剂；
(4)该工艺制备PSAFC方法可行，产品性能良好，具有一定的实用价值.