聚硅硫酸铁絮凝剂的制备与性能
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篇首语：旧书不厌百回读，熟读精思子自知。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了聚硅硫酸铁絮凝剂的制备与性能相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
絮凝剂的研究与应用正成为化学化工及环境科学科研工作者的研究热点[1～5]。聚硅硫酸铁(PFSiS)是一种高效低耗、无二次污染的新型无机高分子絮凝剂，它既可以用于污水的絮凝处理，也可用于饮用水的净化。本文研究了影响PFSiS絮凝性能的诸多因素，如SiO2浓度、Fe/Si(摩尔比)、酸度、活化时间等。通过对各种影响因素的调整和控制，制备出性能优异的无机高分子复合絮凝剂PFSiS，将PFSiS用于实际废水样品处理，获满意效果。1 实验部分
1.1 主要仪器及试剂
HJ-4型多位磁力搅拌机，深圳天南海北实业有限公司；JJ-4型六联电动搅拌机，江苏金坛中大仪器厂；ZBX-4型浊度计，西南师范大学电子产品开发部；水玻璃(工业品，模数M=3.31，wSiO2=0.273)，重庆井口化工厂；聚合硫酸铁(液体，ρ=1.51kg/cm3，wFe=0.123)，重庆兰洁水处理材料公司；聚合氯化铝(工业品，固体)，重庆五星建材厂；硫酸铁、硫酸为工业品。
人工模拟废水：称取一定量的试剂级硅藻土粉末(150目)，用清水配制成人工模拟悬浊液。因该水样的色度及COD较低，所以，在讨论絮凝剂的絮凝性能时，主要以浊度(NTU)指标来判断絮凝处理效果的好坏。人工模拟废水浊度约100度，pH为7.75。
1.2 PFSiS絮凝剂的制备
取一定量的水玻璃，用蒸馏水稀释，用适当浓度的硫酸调节pH值，放置，使活化的硅酸有一定的聚合度，然后加入一定量的聚合硫酸铁(PFS)，熟化后即可得到PFSiS絮凝剂。实验时，根据要求分别制成不同的SiO2浓度、Fe/Si(摩尔比，下同)、pH值的絮凝剂，以备后续步骤研究其絮凝性能。
1.3 絮凝实验方法
取人工模拟废水1L于烧杯中，将烧杯置于JJ-4型六联电动搅拌机上，在快速搅拌中投加絮凝剂(每升废水中投加量为0.5mL)，继续搅拌(300r/min)约0.5min，然后转入中速(100r/min)搅拌约1min，再慢速(60r/min)搅拌约3min，静置沉降5min，最后于上清液液面下约2cm处取液，测定浊度等指标。
2 结果与讨论
2.1 SiO2浓度对PFSiS絮凝性能的影响
固定Fe含量和絮凝剂pH值(pH=1.5)，测量不同SiO2浓度的PFSiS絮凝剂对人工模拟水样的絮凝除浊效果，结果见表1。
由表1可知，SiO2浓度对产品的絮凝性能有明显影响。当wSiO2=0.014～0.020时，PFSiS的絮凝性能较为理想，对模拟水样的浊度(NTU)去除率可达90%以上，而当wSiO2>0.024时，絮凝除浊效果明显下降。其原因在于：当wSiO2>0.024，随着SiO2浓度增加，PFSiS中聚硅酸胶凝的可能性增加，因此絮凝除浊效果下降。
2.2 Fe/Si对PFSiS絮凝性能的影响
当wSiO2分别为0.016，0.020，絮凝剂pH值为1.5时，对不同Fe/Si的PFSiS进行了絮凝除浊实验，结果见表2。
由表2知，用两种不同SiO2含量制备的PF-SiS，都有一个相同的趋势，即随着Fe/Si的增大，PFSiS的絮凝除浊效果明显增强。当Fe/Si为0.5～1.5时，除浊效果最佳，可达90%以上；而Fe/Si≥2.0，除浊效果下降；SiO2的含量不同时，其最佳Fe/Si比大致相似，皆在0.5～1.5之间；而在较低Fe/Si(如0.25)时，SiO2含量较大者，其絮凝剂的絮凝性能更好一些。
2.3 PFSiS的酸度对絮凝性能的影响
当Fe/Si为1.0时，测定两组工艺过程下，不同酸度的PFSiS系列的絮凝效果。
A组：将水玻璃溶液用适量硫酸活化到一定聚合度(当外观呈透明淡蓝色时为止)，再加入相应比例的PFS(使Fe/Si=1.0)；然后根据需要，用硫酸和氢氧化钠溶液调节至一系列的pH值，实验结果见表3。
B组：取等量的水玻璃溶液，加入不等量的酸得到不同pH值的系列聚合硅酸(PS)，然后加入等量的PFS(使Fe/Si=1.0)，制得不同酸度的PFSiS系列，结果见表4。
在实验过程中，当pH值由0.7至2.9逐渐变化时，絮凝剂由黄色逐渐变到橙色，最后变为红褐色直至生成棕红色沉淀。导致这一变化的原因是：一方面，PS在不同pH值时存在的形态不同，故PFSiS的外观随着pH值的变化也略有差异，pH≥4.92时，PS仍呈现与硅酸钠溶液相似的浑浊状，pH<2.0时，随着pH值的降低，PS由无色透明变到淡蓝色，这也可能影响到PFSiS的外观颜色；另一方面，随着pH值的增加，在PFSiS中存在的Fe3+会水解生成Fe(OH)3沉淀等各种不同形态的水解产物，这是影响PFSiS絮凝剂外观颜色的最主要因素。
A组和B组絮凝剂的实验结果有一个相同的趋势，即在pH=1.0～2.0时，PFSiS絮凝剂都能保持良好的絮凝除浊效能，对模拟水样的浊度去除率可达90%以上。pH值大于2.25或小于0.7时，絮凝除浊能力会明显下降。
2.4 硅酸活化时间对絮凝性能的影响
当w硅酸=0.02，Fe/Si=1.0，酸化pH值在1.50时，在室温下，考察硅酸活化时间(即聚合程度)对絮凝性能的影响。实验结果如表5所示。
由表5知，在一定时间内，延长硅酸的活化聚合时间，PFSiS的絮凝效果会增加。其机理在于：随着活化时间延长，硅酸聚合度增加，高度聚合的硅酸有更强的吸附架桥能力，从而可以增强絮凝剂的絮凝性能。当活化聚合时间大于4h，除浊效能可达最佳。但当活化聚合时间过长(如在本实验条件下活化24h)，PFSiS的除浊能力反而会下降；将活化聚合48h的聚硅酸加入PFSiS，PFSiS出现浑浊，随后很快凝胶。这说明，随着硅酸聚合度增加，PFSiS稳定性降低。
3 PFSiS的应用实例
目前，中药制药废水处理方法极不成熟，这方面研究报道也很少，因此，我们将在本实验条件下制得的PFSiS用于重庆桐君阁中药厂的制药废水处理，并与目前常用絮凝剂相比较，结果见表6。
从表6可知，本文制备的PFSiS处理效果优于目前常用的絮凝剂PAC(聚合氯化铝)、PFS(聚合硫酸铁)、FeCl3、Fe2(SO4)3等。
4 结 论
(1)加入一定量的PFS以后，PFSiS的絮凝性能受SiO2含量的影响较大。当wSiO2=0.014～0.020，PFSiS絮凝剂对本实验所作的硅藻土悬浊液絮凝效果较好。
(2)Fe/Si对PFSiS的絮凝效能也有很大的影响。保持Fe/Si为0.5～1，所制备的PFSiS具有很好的絮凝效果。
(3)PFSiS的酸度对其絮凝性能有较大影响。pH值低于1.0或高于2.0，PFSiS的絮凝性能都不理想。制备PFSiS较为合理的pH值，一般应选择在1.0～2.0，以pH=1.5～1.8为最好。
(4)在制备PFSiS絮凝剂时，PS的活化时间(即PS的聚合程度)对所制备的絮凝剂的絮凝性能有一定影响。PS活化时间过长，PFSiS的絮凝性能会有所降低。但选择几小时以内的活化时间，对PFSiS絮凝性能的影响不大。
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