高含铁量聚硅硫酸铁(PFSS)絮凝剂性能及影响因素分析

Posted 2023-01-13 絮凝

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吴金桥，张宁生
1.西安交通大学能动学院，陕西西安710049；
2.西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065
絮凝法是重要的水处理方法，絮凝剂是絮凝法水处理技术的核心。在各类絮凝剂中，无机絮凝剂具有价廉、低毒的特点，始终是絮凝剂的主流l5J。聚硅硫酸铁(PFSS)是其中一类新型无机高分子絮凝剂。
在国内报道的众多PFSS絮凝剂中，所制备的PFSS溶液含铁量大都较低(如王东升制备的PFSS溶液含铁量为0.13mol/L)，因而投加量很大。本工作采用复合法将符合国家标准的聚铁溶液(含铁量为3.3mol/L)与Na2SiO3溶液聚合，得到一系列稳定、含铁量高的PFSS，考察了硅铁比、聚合时间、聚合温度、污水pH值、投加量对PFSS絮凝性能的影响。结果表明，该PFSS具有投加量少、适应pH范围广、絮凝效果良好的特点。
1实验部分
1.1试剂
硅酸钠(Na2SiO3.9I-I20)，分析纯，天津市河东区红岩试剂厂；硫酸亚铁(FeSO4.7I--I20)，分析纯，西安化学试剂厂；硫酸(98%)，过氧化氢(30%)，分析纯；硅藻土，化学纯，中国医药(集团)上海化学试剂公司。
1.2聚硅硫酸铁(PFSS)絮凝剂的制备
首先采用一步法制备聚合硫酸铁。称取一定量FeS04.7H2O倒人三口烧瓶中，按比例加入一定量水和硫酸，在搅拌下缓慢滴加30%H202，反应约1h，得红褐色黏稠液体物。该产物各项指标均符合国家标准GB14591—93(净水剂一聚合硫酸铁(Ⅱ)》，见表1。然后称取一定量的Na2SiO3.9H2O，用少量蒸馏水溶解，以1.0mL/min的滴加速度缓慢地加入所制备的聚合硫酸铁中，在一定温度下聚合一定时间即得到聚硅硫酸铁(PPSS)絮凝剂。

1.3絮凝性能测试方法
1.3.1模拟污水的配制
称取50g硅藻土，在不断搅拌下加入50L自来水中，连续搅拌30min使硅藻土充分分散在水中，在室温下静置24h，取上层清液备用。
1.3.2测试操作参数
将待用模拟污水搅匀，静置15min，取容器中部水样作为原始水样在浊度仪上测定其浊度。PFSS絮凝剂絮凝性能的评价参考石油天然气行业标准sY/T5796.93《絮凝剂评定方法》，具体操作如下：将模拟污水搅匀，在每个烧杯中加入1L污水，启动多联搅拌器在250r/min转速下搅拌10min，按预定次序将一定量的絮凝剂溶液快速倾倒入每个容器中并在250r/rain转速下快速搅拌1min，移去搅拌桨，静置沉降15min，用移液管从容器中水样深2～3crn处移取足够体积上层清液，用浊度仪(上海良平公司)测定浊度。由絮凝前后浊度差计算除浊率。根据除浊率评价PFSS絮凝剂的絮凝性能。
2结果与讨论
2.1硅铁摩尔比对PFSS絮凝性能的影响
固定聚合温度为60℃和聚合时间为1h，分别制备了硅铁摩尔比(Si/Fe)为1：40、1：30、1：25、1：20、1：15、1：10的PF'SS，以投加量均为40L/L进行絮凝实验，所得结果见图1。

从图1看出，随着Si/Fe的增大(Na2SiO3加量的增加)，从1：40到1：20时絮凝能力不断增大，当Si/Fe大于1：20后絮凝能力开始下降。当Si/Fe为1：10时，一个星期后产物出现淡黄色沉淀，其余产物均可稳定存放一个月左右。
2.2聚合温度对PFSS絮凝性能的影响
在Si/Fe为1：20时，分别于30℃、40℃、50℃、60℃、70℃聚合1h制得聚硅硫酸铁，以投加量为40μL/L进行絮凝实验，所得实验结果见图2。

可以看出，在较低温度下(30～50℃)进行聚合生成的PFSS絮凝能力较好，当聚合温度升高到50℃以上时，生成的PFss絮凝能力迅速下降。低温聚合得到的PR稳定性高，因此选聚合温度为40"(2。
2.3聚合时间对PFSS絮凝性能的影响
在温度为40℃、Si/Fe为1：20时投料反应，分别聚合0.5h、1h、1.5h、2h、3h制得PFSS，以投加量为40L/L进行絮凝实验，所得结果见图3。

由图3可知，聚合时间以1-2h为宜。聚合时间过长或过短都会使PFsS的絮凝能力下降。
2.4投加量对PFSS絮凝性能的影响
絮凝剂的用量与污水中悬浮物的含量有关，因此应根据污水的组成、性质特点，通过实验确定絮凝处理过程中PFss的合适用量。PFsS投加量对模拟污水处理实验结果的影响见图4。

从图4实验结果可看出，随着PFsS投加量的增加，絮凝能力逐渐增大，当加量增大到40L几时，絮凝效果达到最佳；投加量继续增加时，絮凝能力的增加趋于平缓。
2.5污水DH值对PFSS絮凝性能的影响
污水pH值对聚硅硫酸铁的絮凝性能影响很大。固定投加量为40L/L，用NaOH或HCI将污水pH值分别调为3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13进行絮凝实验，所得结果见图5。

可以看出：高含铁量PFSS絮凝剂适用的pH值范围较宽，当pH值在6.0～12时，PFSS的处理效果均较好，除浊率皆在90%以上。
2.6几种絮凝剂性能对比
按上述优化条件制备P。分别取PFSS、聚合硫酸铁、硫酸铁3种絮凝剂加量各为10、20、30、40、50、60L/L进行絮凝性能对比实验，所得结果见图6。

从图中可见，在药剂投加量相同的情况下，高含铁量PFSS絮凝剂的除浊效果明显好于聚合硫酸铁和硫酸铁。高铁含量PFSS是一种性能优良的絮凝剂。
3PFSS絮凝性能的影响因素分析
由无机高分子絮凝剂的絮凝机理研究，铁系絮凝剂在溶液中的水解聚合形态可分为3类，即自由离子、单体及低聚物Fea、中等聚合物Feb高聚物Fec。在混凝过程中Feb是絮凝能力最强的部分，它的含量高低决定絮凝剂水处理效果的好坏。聚合硫酸铁中Feb的含量主要与聚合硫酸铁中OH一的浓度有关，其转化方程用下式表示：

OH-浓度小时形态以Fe.为主；OH-浓度大时以Fe为主；只有当OH-浓度恰当时Feb含量才会较高。在聚合硫酸铁中加入Na2SiO3后，一方面，Na2SiO3溶液的碱性会增大聚合硫酸铁中OH-的浓度，使Fe的聚合态从a向b、从b向C的方向转化；另一方面，硅酸会部分取代聚合硫酸铁中的羟基，阻止Fe的形态从a向b、b向C转化。
Na2SiO3在加量较少(SiRe较小)时的作用主要为Na2SiO3溶液的碱性使Fe的聚合态增多，因此PR的絮凝能力随Sie的增大逐渐增强。当添加的Na2SiO3较多(SiRe较大)时，不仅造成Feb的减少，而且由于增多PFSS的稳定性也变差，另外硅酸的电负性增加使聚合硫酸铁的电中和能力下降，二者共同导致了SiRe过大时PFSS絮凝能力的急剧降低。只有在高含铁量的聚合硫酸铁中添加适量的Na2SiO3(Si/Fe为1：20)，制得的PFSS的絮凝能力才最强。
聚合温度对PFSS絮凝性能的影响主要表现为：聚合温度的升高一方面使硅酸取代聚合硫酸铁中羟基的速度增快，阻止Fe的形态从a向b、从b向C转化，另一方面使硅酸聚合度提高，电负性增强，从而削弱聚合硫酸铁的电中和能力，使得PFSS的絮凝性能降低。因此聚合温度以低温或常温为宜。
聚合时间影响硅酸与聚合硫酸铁中羟基硫酸铁的作用程度。聚合时间过短时该作用程度较弱，由于溶液电负性增大，电中和能力降低，引起PFSS絮凝能力降低。聚合时间过长时硅酸聚合度增大，硅酸与聚合硫酸铁中羟基硫酸铁的作用程度增强，溶液中Feb聚合态减少，导致PFSS絮凝性能降低。高含铁量PFSS絮凝剂的絮凝作用主要是羟基硫酸铁的电中和作用，兼有吸附架桥与卷扫作用。污水pH值影响胶体颗粒表面电荷的zeta电位，污水显酸性时胶体颗粒表面电荷的zeta电位为正，污水显碱性时胶体颗粒表面电荷的zeta电位为负。因此。PFSS絮凝剂适用于弱酸性、中性及偏碱性的水质。当污水为弱酸性时，PFSS克服静电斥力作用，利用吸附架桥与卷扫作用使较弱正电荷的胶体颗粒脱稳聚集；当污水为中性及偏碱性时，PFSS利用其电中和、吸附架桥与卷扫作用对胶体颗粒进行絮凝。当污水显强碱性(pH≥13)时，需要投加更多的PFSS以中和胶体颗粒所带的负电荷，才能有较好的絮凝效果。
4结论
(1)高含铁量无机高分子絮凝剂PFSS制备的最佳工艺条件是硅铁摩尔比为1：20，聚合温度为40℃，聚合时间为1h。
(2)高含铁量PFSS絮凝剂投加量少(40L/L)，适用pH值范围宽(6.0～12.0)，稳定性较好，絮凝性能明显优于聚合硫酸铁和硫酸铁。