張金軍,李 震

(泰山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系,山東泰安 271021)

聚硅硫酸鋅(PZSS)絮凝劑的制備及其應(yīng)用

張金軍,李 震

(泰山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系,山東泰安 271021)

本實(shí)驗(yàn)通過在活化硅酸中加入一定量的硫酸鋅,經(jīng)熟化,對(duì)自制的廢水進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn),可以得到較好的絮凝效果.研究探討了活化時(shí)間、Zn2+/Si、熟化時(shí)間、絮凝劑的添加量等影響因素,為該絮凝劑的最佳應(yīng)用提供了初步依據(jù).

PZSS;絮凝劑;污水處理

聚硅硫酸鋅絮凝劑是將聚硅酸引入到聚合硫酸鋅而制成的一種新型無機(jī)高分子絮凝劑.隨著社會(huì)的進(jìn)步,人們越來越意識(shí)到環(huán)境因素對(duì)健康的影響.作為在水質(zhì)凈化中廣泛使用的絮凝劑,在使用中的安全性和是否對(duì)環(huán)境造成二次污染問題也越來越受到重視.目前常用的絮凝劑是含鋁類絮凝劑.但近十年的研究結(jié)果表明:鋁經(jīng)過各種途徑進(jìn)入人體后,通過蓄積或參與許多生物化學(xué)反應(yīng),能將體內(nèi)必需的營養(yǎng)元素和微量元素置換流失或沉積,干擾破壞各部位生理功能,導(dǎo)致人體出現(xiàn)諸如鋁性腦病(如老年性癡呆)、鋁性骨病、鋁性貧血等臨床鋁中毒病癥.同時(shí),鋁鹽對(duì)水生生物、植物也表現(xiàn)出毒性效應(yīng).當(dāng)鋁的濃度較大時(shí),對(duì)廢水生物處理過程中的微生物也可能產(chǎn)生不良影響.世界衛(wèi)生組織對(duì)水中殘留鋁含量的限制標(biāo)準(zhǔn)為0.2m g/L,美國定為0.05m g/L,我國也在2000年暫行水質(zhì)目標(biāo)中,增加了鋁的標(biāo)準(zhǔn)值為0.2m g/L[1].要降低水處理后水中鋁的含量,可以采用的方法很多,如開發(fā)和采用能減少鋁投加量的復(fù)合鋁鹽、通過添加無毒的高分子絮凝劑降低鋁含量等,其中以無毒鋅鹽絮凝劑代替單鋁鹽、復(fù)鋁鹽或聚鋁鹽是一種從根本上消除鋁毒性的有效方法.鋅鹽和鋁鹽在凈水過程中起著相似的絮凝作用,它們都能使水中的微細(xì)膠體凝聚成較大顆粒后共同沉降,使渾水變清.而且鋅鹽比鋁鹽的凝聚沉降速度更快,澄清效果更好,沉淀物含水率更低等[2].因此,新型、無毒、環(huán)保型的高分子絮凝劑研制是一很重要的研究發(fā)展方向.聚硅硫酸鋅高分子絮凝劑是一種發(fā)展?jié)摿^大的新型環(huán)保產(chǎn)品.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

硅酸鈉(AR),萊陽恒信化工廠;硫酸鋅(AR),天津市凱通化學(xué)試劑有限公司;硫酸,膠州市富田化工有限公司;硅藻土(CR),天津市化學(xué)試劑三廠.

人工模擬廢水[3]:稱取一定量的硅藻土粉末(120目),用清水配制成人工模擬懸濁液.該水樣的色度及COD較低,在討論絮凝劑的絮凝性能時(shí),主要以濁度(NTU)指標(biāo)來判斷絮凝處理效果的好壞.人工模擬廢水濁度約100度,pH為7.6.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

721 型分光光度計(jì),上海精密科學(xué)儀器有限公司;賽多利斯電子分析天平124S;RCC-Ⅰ型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀,江蘇省高郵市儀器廠.

1.3 PZSS絮凝劑的制備

取一定量的硅酸鈉配成溶液,用適當(dāng)濃度的硫酸調(diào)節(jié)pH值,放置活化,使硅酸有一定的聚合度.然后加入一定量已知濃度的硫酸鋅溶液,同時(shí)不斷攪拌.滴加結(jié)束后,在一定條件下熟化后即可得到PZSS絮凝劑.

1.4 絮凝率的測定方法

在1L燒杯中加入1L的自制污水,再加一定量的PZSS絮凝劑,充分?jǐn)嚢?靜置一段時(shí)間.同時(shí)以污水作為對(duì)照液,用721分光光度計(jì)測定,波長550nm,然后計(jì)算絮凝率.絮凝率的具體計(jì)算方法如下[4]:

A:污水550 nm處吸光度值;B:處理后的污水550nm處吸光度值.

2 結(jié)果與討論

2.1 硅酸活化時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響

在室溫(20℃)條件下,Zn2+/Si=1,向1L廢水中投加30.0m L的PZSS絮凝劑,考察活化時(shí)間(即硅酸的聚合度)對(duì)絮凝性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、圖1:

表1 活化時(shí)間—絮凝率

圖1 活化時(shí)間-絮凝率

由表1、圖1可知,在一定時(shí)間內(nèi),延長硅酸的活化聚合時(shí)間,PZSS的絮凝效果會(huì)增加.這是因?yàn)殡S著活化時(shí)間延長,硅酸聚合度增加,高度聚合的硅酸有更強(qiáng)的吸附架橋能力,從而可以增強(qiáng)絮凝劑的絮凝性能[5].當(dāng)活化聚合時(shí)間為30分鐘時(shí),絮凝率最好,絮凝率高達(dá)92.68%.但當(dāng)活化時(shí)間過長時(shí),PZSS的絮凝能力反而下降,這說明隨著硅酸聚合度的增加,PZSS穩(wěn)定性降低.

2.2 Zn2+/Si比對(duì)絮凝效果的影響

在室溫(20℃)條件下,向1L廢水中投加30.0mL的PZSS絮凝劑,考察Zn2+/Si比對(duì)絮凝性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2、圖2:

表2 Zn2+/Si—絮凝率

圖2 Zn2+/Si-絮凝率

由表2、圖2可以看出,當(dāng)Zn2+/Si比大約為1時(shí),PZSS絮凝劑的絮凝性能最好.Zn2+的加入,使硅鋅發(fā)生共聚,獲得電中和能力和架橋能力最佳的PZSS絮凝劑.在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間加入Zn2+,可以控制硅酸的聚合度.當(dāng)二者比例在1∶1時(shí),這兩種能力達(dá)到最佳結(jié)合,使得絮凝效率最高.

2.3 熟化時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響

在室溫(20℃)條件下,將制得的聚硅硫酸鋅絮凝劑(Zn2+/Si=1)放置不同的時(shí)間后加入污水中考察不同熟化時(shí)間對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響.結(jié)果見表3、圖3:

表3 熟化時(shí)間—絮凝率

圖3 熟化時(shí)間-絮凝率

由表3、圖3可以看出,不同的熟化時(shí)間對(duì)聚硅硫酸鋅絮凝率產(chǎn)生不同的影響.結(jié)果表明,制得的聚硅硫酸鋅在熟化3～7天后,可以得到較好的效果.尤其在熟化5天時(shí)的絮凝率達(dá)到92.68%.聚硅酸類絮凝劑隨著時(shí)間的延長會(huì)進(jìn)一步自聚合,其絮凝效果會(huì)下降.由于引入了鋅離子,從而改善了自身結(jié)構(gòu)[6],阻止了聚硅酸膠粒之間的直接聚合,改善了絮凝劑的穩(wěn)定性和絮凝效果.

2.4 絮凝劑添加量對(duì)絮凝效果的影響

通常絮凝效果隨著絮凝劑用量的增加而增強(qiáng).但當(dāng)絮凝劑的用量達(dá)到一定時(shí),會(huì)出現(xiàn)峰值,再增加用量時(shí),會(huì)導(dǎo)致膠體出現(xiàn)復(fù)穩(wěn),形成穩(wěn)定的膠體.絮凝效果反而下降,故在使用時(shí)要確定最佳效果的絮凝劑用量.向自制粘土廢水中投加PZSS樣品,試驗(yàn)不同投加量時(shí)PZSS的絮凝效果,結(jié)果見表4、圖4:

表4 絮凝劑添加量—絮凝率

圖4 絮凝率劑添加量-絮凝率

由表4、圖4可以看出,隨著PZSS投加量的增加,上清液的透光率不斷增大,當(dāng)每100m L廢水投加量為3.0mL時(shí),上清液的透光率達(dá)到最大,此時(shí)再增加PZSS的投加量,上清液的透光率反而降低.由此,可以確定PZSS處理廢水時(shí)適宜的投加量范圍為3.0～4.0mL/100mL廢水.

2.5 廢水溫度對(duì)絮凝效果的影響

溫度是絮凝反應(yīng)、絮體成長、沉降分離等的重要控制因素.絮凝劑水解為吸熱反應(yīng),當(dāng)水溫過低,水解反應(yīng)的速度就會(huì)減慢,絮體的生成速度就會(huì)降低;水的粘度變大,布朗運(yùn)動(dòng)也會(huì)減弱,膠粒運(yùn)動(dòng)的阻力增大,膠粒間的碰撞機(jī)會(huì)減小,顆粒不易下沉.而且,水溫低時(shí),不利于脫穩(wěn)膠粒的相互粘結(jié),影響絮體的形成和成長.因此,水溫低的時(shí)候,絮凝效果會(huì)明顯變差,水溫的升高會(huì)提高絮凝效果.但水溫過高時(shí),無機(jī)絮凝劑的水解反應(yīng)速度過快,所形成的絮體小而輕,沉降速度慢,還會(huì)使絮體的水合作用增加,產(chǎn)生影響PZSS絮凝作用效果的工藝條件的活性污泥的含水量高、體積大、難處理.所以水溫過高和過低,對(duì)絮凝作用皆不利,應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)所使用的絮凝劑和處理廢水的情況選擇合適的溫度.

本實(shí)驗(yàn)在20～40℃范圍內(nèi)對(duì)PZSS進(jìn)行絮凝試驗(yàn),考察不同廢水溫度對(duì)絮凝作用的影響,結(jié)果見表5、圖5.

表5 溫度—絮凝率

圖5 溫度-絮凝率

可以看出,隨著廢水溫度的升高,上清液的透光率先增大再減小,但減小的幅度很小,透光率均在90%以上.實(shí)際應(yīng)用中廢水溫度也不會(huì)太高,更不可能會(huì)對(duì)所處理的廢水進(jìn)行加熱.由此,可以確定PZSS處理廢水適宜的溫度范圍為常溫20～40℃.

3 結(jié)論

聚硅硫酸鋅(PZSS)絮凝劑的Zn2+/Si以1∶1為宜,硅酸活化時(shí)間大約在30m in左右,制得的絮凝劑最好熟化3～5天,對(duì)實(shí)驗(yàn)中的廢水最佳投加量是3.0～4.0mL/100mL,可以得到較好的絮凝效果,絮凝過程在常溫下即可.

[1]蔣展鵬.環(huán)境工程學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008.

[2]李峰,李濟(jì)吾.水處理絮凝劑的研究進(jìn)展[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2004,(10):12-13.

[3]申倩,何金.聚硅酸鐵絮凝劑的制備及其應(yīng)用研究[J].天津化工,2006,20(1):53-55.

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[5]鄭懷禮,龍騰銳,龔迎昆,張峻華.聚硅硫酸鐵絮凝劑的制備與性能[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(3):230-233.

[6]劉和清,汪鳳珍,袁天佑,等.硅酸鋅絮凝劑的電鏡特征和絮凝效果[J].環(huán)境化學(xué),2001,20(2):179-183.

Study on the Preparation of the Floccu lan t Agen tof the Silic ic-Acid-Z inc Polym er and the App lication

ZHANG Jin-jun,L IZhen
(Departm en tof Chem istry and Environm enta l Science,Taishan U niversity,Tai’an,271021,China)

In thisexperim ent,the floccu lantagentof the silicic-acid-zinc po lym erby adding zinc su lfate into the ac tivation silicic acidwasm ade and ripened.Then the factors that influent the floccu lant such as the activation tim e,Zn2+/Si,the ripening tim e and the floccu lantamountwere studied.The experim ental resu lt indicated that PZSSwas a good floccu lant.

PZSS;floccu lantagent;wastewater treatm ent

X703

A

1672-2590(2010)03-0085-05

2010-03-18

張金軍(1975-),男,山東肥城人,泰山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系助教.