海水淡化预处理絮凝剂—聚硅酸氯化铁的性能及应用研究

Posted 2023-01-13 絮凝

篇首语：休言女子非英物，夜夜龙泉壁上鸣。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了海水淡化预处理絮凝剂—聚硅酸氯化铁的性能及应用研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

目前我国水资源严重短缺，现有的大部分水系都遭到不同程度的污染和破坏，开发新的淡水资源已迫在眉睫〔1〕。近20年来，海水淡化技术日益成熟，反渗透(RO)海水淡化工艺已逐步成为海水淡化的主导技术。其技术的关键是反渗透膜，尽管膜及膜组件的生产已相当成熟，但膜的使用寿命短仍然是造成海水淡化成本高的一个主要原因之一，而膜污染又是造成其寿命短的主要因素。对海水进行预处理是减缓膜污染、延长膜的使用寿命、降低清洗次数(清洗费用一般占总运行费用的5%～20%〔2〕)、保证反渗透系统长期稳定运行的关键〔3〕。因此，反渗透进水前必须去除海水中存在的悬浮微粒、细菌、大颗粒有机物质等，使污染指数达到2-3。对于污染较为严重的渤海水质，一般的预处理方法很难达到要求，最好是采用加药进行絮凝预处理。
在给水与废水处理中，絮凝技术的应用最为广泛〔4-6〕，而絮凝剂则是其中的关键。由于铁盐具有无毒高效的特点，国内外大都采用铁盐作为海水预处理絮凝剂。但由于低分子氯化铁腐蚀性很强，因此无机高分子聚硅酸铁盐絮凝剂成为近年来国内外普遍关注的新一代水处理药剂。该药剂具有游离酸含量少、高效、无毒、低腐蚀性的优点〔8，9〕。笔者以酸洗废液和氧化铁皮为原料，制备了聚硅酸氯化铁(PFSC)，采用模拟水样对絮凝剂进行了性能评价，并对渤海海水进行了絮凝预处理实验研究。结果表明，该絮凝剂制备工艺先进，产品质量稳定，无二次污染，产品可作为工业用水海水淡化和污水处理的絮凝剂。
1实验部分
1.1主要仪器
pHS-3B型pH计；78HW-1型恒温磁力搅拌机；TDA系列恒温水浴锅；JJ-4A六联搅拌计；Turb555浊度仪。
1.2实验原料和药剂
酸洗废液取自天津市某轧钢厂，废液组成见表1，硅酸钠、氧化剂和稳定剂等其他试剂均为分析纯。

1.3PFSC的制备
1.3.1聚硅酸制备
用水稀释一定量的硅酸钠到一定浓度，用盐酸调节溶液pH值，室温熟化4-6h，使硅酸有一定聚合度。
1.3.2PFSC絮凝剂的合成
酸洗废液中加入定量的氧化铁皮于四口瓶中，在70℃水浴中加热反应3h，反应过程中补加少量酸盐酸；反应完全后，向滤液中加入稳定剂，搅拌使其完全溶解。将温度控制在45℃左右，快速搅拌的同时缓慢分批加入定量氧化剂溶液，反应1h，即得棕红色黏稠状聚合氯化铁。
将所得聚合氯化铁溶液与聚硅酸在常温下复合，熟化一定时间便得到PFSC。
1.4絮凝性能实验
首先于1L自来水中加入1g处理过的硅藻土，搅拌均匀后静置2h，制得模拟水样，浊度为101.5NTU。
然后在六联搅拌机上进行絮凝实验，每次实验取水样150mL。先快速搅拌(200r/min)1min，快速搅拌时投加絮凝剂，然后慢速搅拌(70r/min)3min，充分静置后，取上层清液测定浊度。
1.5海水絮凝实验
评定方法：实验室烧杯絮凝沉淀方法。实际水样：海水取自塘沽渤海海水沉淀池，原水浊度为43NTU，pH为7.8，水温为22℃。
取一定量的海水，加入定量的絮凝剂，先快速搅拌(200r/min)1min，后慢速搅拌(70r/min)3min，充分静置后，取上层清液测定浊度。
2实验结果与讨论
2.1影响絮凝性能的因素
2.1.1n(Fe)/n(Si)对絮凝性能的影响
固定聚硅酸中SiO2质量分数为3%，加入盐酸活化20min至溶液带微蓝色，按n(Fe)/n(Si)分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0加入一定量的聚合氯化铁溶液，在40℃下熟化1h，然后进行絮凝实验。结果如图1所示。

由图1可知，随着n(Fe)/n(Si)的增大，絮凝除浊效果也随之增加，但并非越高越好，当n(Fe)/n(Si)过高时，稳定性和除浊效果都有所下降，所以选取n(Fe)/n(Si)=1.5。
2.1.2熟化时间和温度对絮凝性能的影响
熟化时间和温度是影响产品絮凝性能的两个重要指标。固定聚硅酸中SiO2质量分数为3%，加入盐酸活化20min至溶液略带蓝色，按n(Fe)/n(Si)=1.5加入一定浓度的聚合氯化铁溶液。单因素考察熟化时间和熟化温度对产品性能的影响，结果如图2和图3所示。由图2和图3可知，熟化时间为1h，熟化温度为40℃时剩余浊度最小，因此选用熟化时间为1h，熟化温度为40℃。实验中还发现，熟化温度过高或时间过长，会导致产品颜色变成棕黄色，产品浑浊，分析原因可能是在硅酸和铁离子结合之前发生了自聚凝胶。

2.1.3pH值和产品性能之间的关系
pH值对产品性能有很大的影响。在其他制备条件完全相同时，只改变产品的pH值，絮凝结果如图4所示。结果表明，pH值过小，合成的产品黏度小，絮凝效果差；pH值过大，黏度高，但由于铁离子极易水解生成氢氧化铁沉淀，同样会导致絮凝效果变差。

由图4可知，pH值在0.5-1.5之间时，有较好的絮凝效果。
2.2PFSC用于海水预处理
渤海靠近海岸的海水受污染严重，水中既有悬浮物、胶体和溶解物质，还有大量有机物、微生物、细菌、藻类等污染物质，传统的铁系絮凝剂由于其游离酸含量高腐蚀严重而很难适用。笔者采用酸洗废液等工业废料制备了聚硅酸氯化铁无机高分子絮凝剂，并对海水进行了絮凝预处理，考察了不同pH值、不同加入量对浊度去除效果的影响〔10〕。
2.2.1pH值对除浊效果的影响
用自制的PFSC对海水进行除浊实验，分别考察了不同pH值下聚合硫酸铁(PFS)、FeCl3、PFC、PSFC四种絮凝剂对海水除浊效果的影响，试验结果见图5。

试验条件：原水浊度为43NTU，水温22℃，pH为7.8，各种絮凝剂加入量均为30mg/L。图5表明，比较的四种絮凝剂对海水的处理效果都不如对模拟水样的处理效果好。分析其原因可能与海水的取水点有关，海水取水点靠近排污口，含有的悬浮物本身就难以处理，导致处理效果不如处理模拟水样好。
由图5还可以看出，FeCl3和PFC都出现了两个较佳的pH值范围，所不同的是，PFC的两个pH值范围分别在pH=6和pH=9附近，并且这两个pH范围的除浊效果相差不大；而FeCl3的两个pH值范围分别在pH=6和pH=8附近，在pH=8附近的除浊效果要远远好于pH=6的除浊效果。自制絮凝剂PFSC和PFC的适用pH值范围都较宽，在pH5-9的范围内的除浊效果均好于FeCl3和PFS的除浊效果。总之，FeCl3和PFS对海水预处理的剩余浊度较高，处理效果不稳定；而PFSC的除浊性能好，产生的絮体大，沉淀速度快，絮体体积小，有利于后续水处理工艺的顺利运行。
2.2.2投加量对除浊效果的影响
试验条件：原水浊度为43NTU，水温22℃，pH值为7.8，选取PFS、FeCl3、PFC、PFSC四种絮凝剂分别在其最佳的pH下对海水进行预处理，比较不同投加量下各种絮凝剂的除浊效果，考察各种絮凝剂投加量对除浊效果的影响，结果见图6。

图6表明，投加量在30-150mg/L范围内，各种絮凝剂的除浊效果随着投加量的加大都呈上升趋势；而不同的絮凝剂在同一投加量下的剩余浊度又有很大差异。由图6可以看出，投加量在30-150mg/L范围内，自制絮凝剂PFC和PFSC的絮凝效果均优于PFS和FeCl3，尤其在低投加量下的除浊效果要远远好于市售PFS和FeCl3。
3海水絮凝机理的探讨
海水中悬浮颗粒物的表面性质和分散稳定性与河水不同，絮凝机理与河水也不尽相同。铁的无机盐是目前水处理中较常用的絮凝剂，这类絮凝剂处理天然水中浊度物质时，其主要机理是压缩双电层和电中和作用。在中性或碱性条件下，Fe3+离子在水解过程中可生成无机高分子电解质并具有在粒子间进行架桥的能力，这种吸附架桥作用可加速或强化絮凝过程。而海水中已经存在大量电解质，悬浮颗粒表面的双电层受到极限压缩，厚度趋近于零，因此，对于海水来说，再投加电解质对于双电层已没有影响。而PFSC和PFC无机高分子絮凝剂在进入海水时能更快地发挥吸附和架桥功能，所以无机高分子絮凝剂PFSC和PFC较FeCl3对处理海水来说具有更好的除浊效果，适用的pH值范围更宽，在pH5-9的范围内均有很好的除浊效果。
4结论
(1)利用钢厂酸洗废液通过氧化、聚合、熟化等工艺过程制备了PFSC无机高分子絮凝剂。
(2)当n(Fe)/n(Si)=1.5、40℃熟化1.5h、pH值为0.5时制备的产品有较宽pH适用范围，在pH5-9的范围内均有很好的除浊效果，形成絮体速度快，颗粒粗大密实，易沉降，絮体体积小，有利于后续的水处理工艺顺利运行。
(3)在投加量30～150mg/L范围内，PFC和PFSC的絮凝效果优于PFS和FeCl3，特别是在低投加量时表现更为明显。