聚合硫酸铝铁的絮凝效果及其流变性能研究

Posted 2023-01-13 流变性

篇首语：冲天香阵透长安，满城尽带黄金甲。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了聚合硫酸铝铁的絮凝效果及其流变性能研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

0 引言
目前普遍使用的无机高分子絮凝剂有铁系和铝系两大类，随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，人们对水处理工业提出了更高的要求。因此，近年来新型高效的复合型絮凝剂倍受关注。张民权、Jia-QianJiang及NigelJ.D.Graham以硫酸亚铁(FeSO4.7H2O)和硫酸铝[Al2(SO4)3.18H2O]为主要原料，合成了聚合硫酸铝铁；崔运成、王文红、邱慧琴、张警声等人以工业废渣为主要原料合成了聚合硫酸铝铁；李益善等把煤层开采的伴生物———高岭土，经过预处理，制备出聚合硫酸铝铁絮凝剂；刘长春等人、刘峙嵘等人以钛白粉副产废酸为基本原料，制备出聚合硫酸铝铁；莫丙禄等人将聚合硫酸铁和聚合硫酸铝按一定的比例混合，制备出聚合硫酸铝铁。在工作不断深化的同时，对该絮凝剂的流变性能研究还未开展，流变学是联系微观世界与宏观世界的桥梁，通过力学形态来研究物质的微观结构，进而研究物质的宏观性质，具有方便、快捷、理性化等优点。因而，采用流变学方法研究聚合硫酸铝铁是新的探索，具有重要的理论价值和现实意义。
本文以氮肥厂副产品—硫酸亚铁(FeSO4.6H2O)和硫酸铝[Al2(SO4)3.18H2O]为原料，以硝酸为氧化催化剂设计出一条新的工艺，合成聚合硫酸铝铁，并对其絮凝效果和流变性能进行了研究。
1 实验部分
1.1 试验设备及材料
1.1.1 主要仪器设备 PHS—3C型酸度计；SGZ—1AS数显浊度仪；UV—2102P型紫外—可见分光光度计；AVATAR330傅立叶红外光谱仪；AR500流变仪，TA公司生产。
1.1.2 药品及水样 FeSO4.6H2O，襄樊氮肥厂；Al2(SO4)3.18H2O，AR；硝酸，AR；聚合氯化铝(PAC)，市售液体产品(有效浓度为8-10%)；江滩水，浊度为89NTU，pH值为7.41。
1.2 实验方法
1.2.1 样品的制备准确称取Al2(SO4)3.18H2O5.5g，加入四口瓶中，打开恒温水浴锅对反应器进行加热，之后缓慢加入浓硫酸(98%)60g，然后加入FeSO4.6H2O并不断地搅拌以免形成包裹。待温度升到接近80℃时，缓慢加入65%的HNO3，反应过程温度控制在105～110℃以内。反应30min后，向反应器中通入空气，待颜色变为亮红色时，分析Fe2+含量在001%以内时，即为反应终点，继续通氧气脱硝，分析盐基度在13以上，全铁含量18%以上时，停止反应。
1.2.2 絮凝性能测试于盛有原水的烧杯中加入一定量的絮凝剂后，在转速为100r/min下搅拌2min，随后将转速降至40r/min，继续搅拌10min并静置30min后，取距液面25mm处的上清液测定浊度(室温为22～24℃)。
1.2.3 流变性能测试用美国TA公司生产的AR500流变仪测定。平板转子的直径为40mm，应变为1%，升温速率为5℃/min；角频率扫描区间为0.10～100.0rad/sec；温度扫描区间为0～95℃。
2 结果与讨论
2.1 絮凝剂的结构表征及絮凝性能测试

211 絮凝剂用量对除浊效果的影响
由图2可见，PFAS1絮凝剂的除浊效果略优于PFAS2、PFAS3，明显优于普遍使用的PAC絮凝剂，原因是PFAS1、PFAS2、PFAS3的絮凝机理相同，在絮凝过程中可同时发生静电中和、吸附架桥和网捕三种功能，故效果良好，而PAC则是主要是通过吸附架桥而完成。从图中可以看出PFAS1的最适宜投量为2-4mg/L，此时上层清液的浊度小于4NTU。

212 水样pH值对除浊效果的影响由图3可见，水样pH值对除浊效果影响很大。PFAS1的适宜除浊范围最广，在pH值4-8范围内，效果是很好的，、PFAS2、PFAS3的适宜除浊范围较宽且大致相等，在其适宜的除浊pH值4-8内，稍差于PFAS1，PFAS1、PFAS2及PFAS3最佳除浊pH值均为7，此时，上层清液浊度为5-8NTU。PAC的适宜除浊pH值为5-7，最佳除浊pH值为6，此时上层清液的浊度为18NTU。

213 沉降时间对除浊效果的影响由图4可见，沉降时间越长，上层清液的浊度越低，但超过30min时，沉降时间对除浊效果影响不大；达到相同的除浊效果，PFAS1用的时间最短，PFAS2之，PAC用的时间最长。

2.2 流变性能流变学参数广泛应用于表达流体的性质。常用的流变学参数有复模量G，它的实部是储能模量G′，虚部是耗能模量G″，复粘度为η。它们之间的关系如下：G′=|G|cosδ，G″=|G|sinδ，η=G/iω；η′=G″/ω；η″=G′/ω；η=η+rη″。2.2.1 温度扫描曲线PFAS1、PFAS2及PFAS3的温度扫描曲线分别见图5～图7所示。图5显示，在低频范围内，储能模量小于耗能模量，此时，系统呈现粘性。但储能模量随温度的升高而增大，耗能模量随温度的升高而下降，以致于在温度为约10℃时，储能模量超过耗能模量而占绝对优势，系统呈现弹性。原因是随着温度的升高，PFAS1分子溶胀，流动性变差。说明PFAS1低温性能较好，适于低温水处理。图6显示，储能模量随温度的变化不太明显，耗能模量随温度的升高而显著降低，随着温度的升高，PFAS2分子链的溶胀比较明显。弹性为PFAS2的主要宏观表现。图7显示，PFAS3储能模量先升高，后降低，耗能模量则相反，原因可能是开始随着温度的升高，分子链间的溶胀非常迅速，当达到一定程度后，随着温度的升高，系统主要是分子的溶解，耗能模量开始增大，以致超过储能模量，而粘性为PFAS3的主要宏观表现。

2.2.2 角频率扫描曲线 PFAS1，PFAS2及PFAS3的角频率扫描曲线分别如图8～图10所示。图8～图10的角频率扫描曲线是非常类似的，开始的频率小于10rad/s时，储能模量和耗能模量几乎不随频率而改变，基本保持恒定的值，表现出典型的牛顿流体行为。但当频率大于10rad/s时，储能模量与耗能模量分开，储能模量随角频率的增大而迅速增大耗能模量随频率的增大先是缓慢降低，达到某一最低点后，又随频率的增大而迅速增大。原因可能是随着频率的增大，使原来不能接触的分子链相互接触，表现为带有不同电荷的分子发生吸附，发生缠结与交联，导致系统的流动性减弱。在高频率区，有的缠结被破坏，耗能模量又随频率开始增大。

2.2.3 曲线拟合为定量描述所得实验数据，利用离散谱对PFAS1-3的模量的角频率扫描曲线进行拟合。关于G′的曲线拟合曲线见图11、12、13。根据离散谱的定义可以写出以下两个公式：

3 结论
31 以氮肥厂的副产品—FeSO4.6H2O和硫酸铝[Al2(SO4)3.18H2O]为原料，硝酸(65%)为催化剂，合成了絮凝剂PFAS1。处理浊度为89NTU，pH值为741的江水时，絮凝剂的最佳投加量为2～4mg/L，最佳沉降pH值为7。最佳沉降时间为30min。与其他三种絮凝剂相比，PFAS1净水性能最佳。
32 用AR500流变仪对PFAS1-3的剪切弹性模量和粘性模量进行了测量，测试结果表明，低频区间，G′、G″的扫描曲线符合牛顿型流体行为；高频区间，G′、G″表现为非牛顿型流体行为。为定量描述实验数据，选用离散谱仅用两个并联Maxwell模型，即可较好地拟合测量曲线。