聚合磷硫酸铁-聚丙烯酰胺絮凝体系处理含镍废水的实验研究

Posted 2023-01-12 溶液

篇首语：业精于勤，荒于嬉。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了聚合磷硫酸铁-聚丙烯酰胺絮凝体系处理含镍废水的实验研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

研究了以聚合磷硫酸铁(PFPS)作为絮凝剂处理含镍废水，为了提高废水处理效果，加入聚丙烯酰胺溶液(PAM)作为助凝剂，并通过单因素条件实验，确定了最佳助凝实验条件：含镍废水(10mg/mL)pH=7，PFPS用量为69.31mg，搅拌时间10min，静置时间60min。
工业生产中产出的大量超标含镍废水，对环境与社会造成极大的危害，絮凝沉淀法是目前既经济又简便的水处理方法。无机絮凝剂和有机阴离子型絮凝剂配成的水溶液会产生压缩双电层，使废水中的悬浮微粒失去稳定性，胶粒物相互凝聚使微粒增大，形成絮凝体、矾花。絮凝体长大到一定体积后即在重力作用下脱离水相沉淀，从而去除废水中的大量悬浮物。
絮凝剂在废水和工业水处理中起着重要的作用，目前，研制开发高效、多功能新型絮凝剂成为主要方向，而聚合磷硫酸铁作为新的高分子絮凝剂更是得到广泛关注。聚丙烯酰胺(PAM)为一种线型高分子聚合物，主要通过电中和、架桥、吸附作用起到絮凝作用，是一种很好的助凝剂。本次实验采用聚合磷硫酸铁为絮凝剂，添加助凝剂聚丙烯酰胺处理含镍废水。
1 实验部分
1.1 仪器
pHS-3型酸度计；721E可见光分光光度计；JJ-精密增力电动搅拌器；BS124S电子天平。
1.2 溶液配制
1.2.1 聚合磷硫酸铁按文献方法以钛白粉
生产过程中农副产品FeSO4.7H2O制备，浓度为0.01mol/L。
1.2.2 聚丙烯酰胺溶液称取聚丙烯酰胺粉末13.3mg，加入500mL烧杯中，加水溶解，转移至1容量瓶中用去离子水定容。此溶液的质量浓度为13.3mg/L。
1.2.3 镍标准储备液称取硫酸镍1.2380g，溶于少量(1+1)硝酸中，以1%硝酸定容至500mL，摇匀，转入塑料瓶中保存。此溶液镍质量浓度为0.5000mg/L。
1.2.4 镍标准使用液取镍标准储备液5.0mL，于250mL容量瓶中，用去离子水定容，摇匀。此使用液镍质量浓度为10.0μg/mL。
1.2.5 过硫酸钾溶液40g/L，丁二酮肟酒精溶液10g/L，柠檬酸三钠溶液50g/L，磷酸钠溶液50g/L，氢氧化钠溶液100g/L。
以上试剂均为分析纯。
1.2.6 缓冲溶液的配制
溶液配制见表1。

1.3 镍标准曲线
准确吸取镍标准使用液0，0.25，0.50，1.00，2.50，5.00，7.50，10.00mL于25mL容量瓶中，依次加入2.5mL柠檬酸三钠溶液(50g/L)，1.5mL氢氧化钠溶液(100g/L)，1mL磷酸钠溶液(50g/L)，2mL丁二酮肟酒精溶液(10g/L)，2mL过硫酸钾溶液(40g/L)，最后加入5mL浓氨水，再用蒸馏水定容，摇匀，待静置20min后，用1cm比色皿在467nm波长处对照试剂空白(不加丁二酮肟，其他相同)测定吸光度。以吸光度A为纵坐标，Ni2+质量浓度为横坐标，绘制标准曲线，并得出线性方程：

1.4 实验步骤
用1mL移液管移取含镍水样(ρNi2+=10mg/mL置于500mL烧杯中，用缓冲液调节pH，再加入一定量絮凝剂，同时用缓冲液再次调节pH，电动搅拌，静置。取上层清液1mL于50mL容量瓶中，分析其中镍质量浓度，同时做空白实验。加入聚丙烯酰胺(PAM)，实验方法同上。再加入聚合磷硫酸铁(PEPS)1.5min左右(过早加入，矾花细小且轻；过迟加入，其架桥作用时间不充分，会导致助凝效果无法发挥)，加入配制好的聚丙烯酰胺溶液，其它条件保持相同。
2 结果与讨论
2.1 pH对PFPS处理含镍废水的影响
用缓冲液调节pH为2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，依次加入0.01mLPFPS，再用缓冲液调节pH，电动搅拌10min，静置60min。不同pH值对镍去除率的影响见图1。

由图1可知，随pH值增大，镍的去除率都增大，但pH值过高时，去除效果却下降，这主要是由于Fe3+与OH-结合达到过饱和，使得铁的3种形态中的中聚物Fe(b)含量减少，大部分以高聚物Fe(c)形式存在，而中聚物Fe(b)对絮凝作用起主导作用。pH为7左右时，水中镍离子表面的电荷与絮凝剂PFPS的水解产物中聚物Fe(b)发生强烈的电中和作用和桥链聚合作用，从而絮凝效果最佳。
从图1可知，未加入PAM时，镍的最佳去除率为88%左右；而加入PAM后，去除率达到95%，效果更佳。由于PAM的酰胺基与水形成氢键，产生缔合作用，对水中的粒子，悬浮物等有较强的吸附作用，并与被吸附的粒子间形成桥联作用，使多个粒子聚合在一起，形成较大的絮团，加速粒子沉淀。PAM和PEPS两者结合，产生协同效应，从而提高镍离子的最佳去除率。在不同的pH值条件下，PAM中各种基团的解离度不同，使得大分子的电中和和吸附架桥作用不同。在碱性条件下，PAM中的酰胺基会发生水解反应，产物粘度急剧下降，同时，不溶水物质增加，使吸附桥连作用减弱；在酸性条件下，会抑制离子基团的解离，削弱了阴、阳离子在絮凝过程中的协同效应。综上所述，pH值等于7时，除镍率最高。
2.2 PFPS加入量对处理含镍废水的影响
分别取0.02，0.04，0.05，0.06，0.08，1.00mLPFPS于不同烧杯中，调节pH=7，电动搅拌10min，静置60min，考察PFPS用量对含镍废水镍去除率的影响，结果见图2。

由图2可知，镍去除率随PFPS用量增加而增大，因为当PFPS用量太少，电性中和少，吸附架桥作用较弱；随着PFPS用量增加，电中和能力和吸附作用增强，高价阴离子PO3-4与Fe3+有较强的亲和力，在铁分子之间起桥联作用形成多核配合物，有利于铁的中聚物Fe(b)生成；但过量时，水中游离的高价阴离子PO3-4对带负电荷的胶体有排斥作用，不利于絮凝团的沉淀，并且絮凝剂兼有分散作用，用量过大时，大量的高分子絮凝剂吸附在吸附颗粒上并将其包裹，使颗粒保持分散，即不能凝聚。因此去除率下降。从图2可以看出，加入PAM后，PFPS处理含镍废水效果更佳，去除率达到了98.7%，进一步说明PAM和PEPS两者结合产生协同效应。处理含镍废水PFPS最佳用量是0.05mL(对应聚合磷硫酸铁的质量为69.31mg)。
2.3 搅拌时间对PFPS处理含镍废水的影响
在5个烧杯中分别加入PFPS69.31mg，调节pH=7，电动搅拌2，5，10，15，20min，静置60min。不同搅拌时间对废水镍去除率的影响见图3。

由图3可知，随着搅拌时间的延长，镍去除率增大。但长时间搅拌，镍的去除率反而下降。因为絮凝是一个复杂的化学动力学过程，搅拌时间对絮凝效果有很大的影响，适当的搅拌，使絮凝剂PFPS均匀分布，镍离子等污染物颗粒与絮凝剂颗粒相互碰撞几率增大，有利于捕集胶体颗粒，加快颗粒间的相互粘合，形成更大的颗粒(絮凝体)，从而沉降速度加快，絮凝效果提高。但搅拌时间过长，已形成的絮凝体颗粒被捣碎，重新分散于溶液中，影响去除率。由图3可知，加入PAM的PFPS处理含镍废水的最佳去除率高达94%，比未加PAM的PFPS处理效果好，再次说明PAM和PFPS两者结合有协同效应。处理含镍废水最佳搅拌时间为10min。
2.4 静置时间对PFPS处理含镍废水的影响
取6只烧杯，分别加入PFPS69.31mg，调节pH为7，电动搅拌10min，分别静置30，40，50，60，70，80min，考察静置时间对镍去除率的影响，结果见图4。

由图4可知，随着静置时间的延长，镍去除率呈增大趋势，但超过60min后，去除率又趋于降低。因为开始时溶液中存在的主要是低聚物Fe(a)，而随着静置时间的延长，铁逐渐聚合为中聚物Fe(b)，随着Fe(b)增加，镍去除率增大；但静置时间超过60min后，Fe(c)增加以及PFPS发生解聚，使其聚合度降低，原本沉降下来的镍离子等污染物颗粒又回到溶液中，使去除率下降。由图4可知，加入PAM的PFPS处理含镍废水效果更佳，综合以上6个实验结果，PAM对PFPS处理含镍废水有较好的助凝效果，处理含镍废水最佳静置时间为60min。
3.结论
用PFPS作为絮凝剂处理含镍废水有较好的效果，尤其加入PAM作为助凝剂，提高了PEPS处理含镍废水的去除率，对低浓度的含镍废水，镍可全部去除；对高浓度含镍废水，镍去除率亦接近100%。最佳实验条件为含镍废水(10mg/mL)的pH为7，PFPS用量为69.31mg，搅拌时间10min，静置时间60min。