硫酸铝渣研制聚合硅酸硫酸铝絮凝剂

Posted 2023-01-13 絮凝

篇首语：寸阳分阴须爱惜，休负春色与时光。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了硫酸铝渣研制聚合硅酸硫酸铝絮凝剂相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

目前，硫酸铝渣的主要用途是做水泥的添加剂，但用量有限，大部分被堆填处理，既浪费资源又污染环境.硫酸铝渣的主要成份为SiO2及Al2(SO4)3，可用于制聚硅酸硫酸铝絮凝剂(PASS).聚合硅酸硫酸铝作为一种新型的无机高分子水处理剂，近年来已得到了迅速发展，其絮凝能力比起最初的硫酸铝、聚合铝有了很大的提高，用量更少，除可用于处理各种污水外，还可用于处理饮用水，处理后残余铝含量低，尤其在低温低浊水处理中，具有很高的除浊效率[1～3].本文就硫酸铝渣制聚合硅酸铝的方法和条件进行研究，对聚合硅酸硫酸铝的性能进行了检验.
1 实验部分
1.1 原料及处理
硫酸铝渣成分见表1，用浓硫酸润湿硫酸铝渣，在150～180℃中反应后水溶过滤得到Al2(SO4)3溶液；滤渣加NaOH溶液加热反应制得水玻璃，该水玻璃加水稀释成SiO2含量为6.5%的Na2SiO3溶液.Al2(SO4)3与Na2SiO3溶液备用.

聚合碱式硫酸铝(PAS)的制备.取部分Al2(SO4)3溶液，加NaOH溶液至生成Al(OH)3沉淀，过滤洗涤，将新制的Al(OH)3加入到Al2(SO4)3溶液中，制得PAS.
1.2 主要仪器及试剂
主要仪器：PHS25型pH计；QUAfadtⅡturbidityAQ2010浊度计；TS61型四联程控混凝搅拌器；22PC分光光度计.试剂：H2SO4、NaOH均为分析纯.
1.3 PASS的制备
取20%H2SO4缓慢滴入Na2SiO2，调节pH值制备聚硅酸；在搅拌下将PAS加入聚硅酸，放置熟化2h得PASS，PASS中SiO2浓度为2.0%.
1.4 絮凝实验
1.4.1 模拟浊水将10g膨润土加自来水1000mL，快速搅拌1h，静置1h，虹吸上层清液，用NaOH溶液调节pH=8后为模拟浊水，浊度约为150NTU.1.4.2 垃圾填埋场渗沥液取本市红庙岭垃圾场经厌氧和氧化处理后二次沉淀池出口渗沥液及其稀释1倍后的渗沥液，进行絮凝效果实验.渗沥液指标见表2.

用二沉池出口渗沥液以及稀释了1倍和PASS处理后的渗沥液作可见光光度分析，吸光度与波长曲线见图1.图1表明渗沥液λ=350～360nm处有最大吸收波长.本文取λ=360nm的吸光度值衡量絮凝的脱色效果.

ABS1，ABS2，ABS3分别为渗沥液原液、稀释一倍后与絮凝剂处理后的渗沥液吸光度.净水实验：取800mL渗沥液用H2SO4溶液调pH至6.0，加入一定量的PASS，200r/min快搅混合30s，30r/min慢搅20min，静置沉降20min，于上层清液表面下2～3cm处取液测浊度、吸光度和CODcr.以上试验水样温度均为30～33℃.
2 实验结果与结论
2.1 二氧化硅浓度对硅酸聚合过程的影响
将H2SO4溶液加入Na2SiO3溶液后，硅酸开始聚合，形成硅氧桥联：
SiOH+SiOH=SiOSi+H2O
这种连接可成链、成环，甚至成网，硅酸聚合体不断长大并可转变为胶态，当聚硅酸粒径达nm数量级时，溶液呈现乳光(或称淡蓝光)，这一时刻记为t1；随着时间延长，硅酸聚合体继续生长，将转变为凝胶的时刻记为t2.pH=4.8时，SiO2浓度对硅酸聚合过程的影响见图2.由图2可知，SiO2浓度愈大，t2～t1的时间间隔愈小.PAS要在聚硅酸出现乳光之后至聚硅酸形成凝胶之前这段时间里，即t1～t2时段加入，以保证PASS具有优良的絮凝性能.图2表明pH=4.8时SiO2含量在1%～4%范围内时t2-t1差值较小，为了有较长的t2-t1时间差便于操作，本文用SiO2浓度为4%、调节pH值为3.5～4.0的Na2SiO3溶液制聚硅酸.

2.2 nAl/nSi对PASS稳定性的影响
向聚硅酸中加PAS聚合得到PASS，由于聚铝离子的羟基与聚硅酸的硅氧基团形成氢键，聚硅酸的羟基与聚铝离子的铝氧基团形成氢键，在原有的链状结构中生成支链，使PASS絮凝效果增强、稳定性加强.维持PASS的SiO2浓度为2.0%，加入不同量PAS控制PASS中铝含量，检查nAl/nSi对PASS凝胶时间的影响，结果见表3.表3说明加入PAS使nAl/nSi=0.12～1.0可延长凝胶时间，显著改善聚硅酸的稳定性.

2.3 PASS对模拟浊水的絮凝效果
2.3.1 nAl/nSi对模拟浊水絮凝效果的影响

取不同nAl/nSi的PASS比较絮凝效果，用量均为1.0mL/L，结果见图3.图3表明nAl/nSi在0.25～1.0范围内时，PASS的除浊率均达96%以上.从Al的环境积累效应考虑，PASS选取nAl/nSi比0.25为佳.
2.3.2 模拟浊水pH值对絮凝效果的影响

将nAl/nSi为0.25的PASS按1.0mL/L的投加量，加到不同pH值的模拟浊水中，检查适宜的pH范围见图4.图4说明模拟浊水pH在7.0～9.0范围内时，PASS具有很高的去浊效果.在模拟浊水中PASS发生水解聚合，转变为聚硅酸溶胶与带正电的聚铝离子，带正电的聚铝离子对浊水中的悬浮微粒有中和脱稳及凝聚作用，聚硅酸主要发挥吸附网捕作用、捕获脱稳的悬浮微粒形成矾花沉降.在pH=7.0～9.0的偏碱性浊水中，铝的水解趋于完全，PASS充分发挥带正电聚铝离子的脱稳絮凝与聚硅酸的吸附网捕作用，使其显示最高的除浊能力，但pH<7.0时铝的水解受限；pH>9.0时聚铝离子可能转变为Al(OH)-4，均使PASS絮凝能力下降.pH>9.0后，pH越高、聚铝离子带负电荷越多，中和脱稳越弱；同时pH值上升到10以上后，聚硅酸解离为单体Si(OH)4失去吸附架桥能力，因此pH=10.0时PASS的除浊度迅速下降至零.
2.3.3 PASS用量对絮凝效果的影响

取nAl/nSi为0.25的PASS，改变投加量检测絮凝效果，结果见图5，从图5可知，PASS投加量在0.3mL/L～2.3mL/L范围内的除浊率均达90%以上，可见对模拟浊水PASS用量很小，投加量0.3mL/L范围内的除浊率均达90%以上，可见对模拟浊水PASS用量很小，投加量0.3mL/L便可达90%以上的除浊率.
2.4 PASS对渗沥液的处理效果
比较了PASS与聚合氯化铝(PAC)对垃圾填埋场渗沥液的处理效果.用PASS与PAC分别处理垃圾填埋场二次沉淀池出口稀释一倍后的渗沥液。nAl/nSi为1.0、SiO2浓度为2.0%的PASS有效浓度以SiO2+Al2O3计，PAC用量以Al2O3量计，二者有效浓度均为250mg/L时，两种絮凝剂处理的结果见表4.实验结果说明当PASS与PAC相比，PASS有更高的去浊率.

用nAl/nSi为1.0、SiO2浓度为2.0%的PASS，以8.0mL/L的投加量对垃圾填埋场二沉池出口的渗沥液原液进行絮凝实验，实验结果如表5所示.

用PASS絮凝剂处理渗沥液能有76%的除浊率及40%的除色率与40%CODcr去除率.渗沥液成分复杂，PASS处理渗沥液具有良好的效果，PASS成本低、无毒性，具有开发前景.
3 结　论
硅酸聚合时，随着SiO2浓度的升高，胶凝时间愈短.本文选取pH=3.5～4.0，SiO2浓度为4%的条件进行聚合，用于制备聚合硅酸硫到铝.从处理模怵浊水的情况来看，PASS适用的pH范围为7.0～9.0；当PASS中nAl/nSi达到0.25后，用量为0.3mL/L～2.3mL/L除浊率均达90%以上.用nAl/nSi=1.0的PASS处理垃圾填埋场渗沥液具有比PAC更高的除浊率.聚合硅酸金属盐絮凝剂稳定性较差，故PASS絮凝剂更适合在水处理现场制备投加.