趙 景 濤, 馬 紅 超

( 大連工業(yè)大學 化工與材料學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

膨潤土在自然界中儲藏豐富,其化學成分主要是SiO2與Al2O3,適合作為復合絮凝劑原料,且成本較低。聚硅酸硫酸鋁絮凝劑是一種同時具有電中和作用和吸附架橋能力的陽離子無機高分子絮凝劑[1],作為一種新型的無機高分子水處理劑,其絮凝能力比起最初的硫酸鋁、聚合鋁有了很大的提高,用量更少,除可用于處理各種污水外,還可用于處理飲用水,處理后殘余鋁含量低,尤其在低溫低濁水處理中,具有很高的除濁效率[2-4],近年來成為國內外絮凝劑的研究熱點之一[5]。

目前,利用膨潤土的吸附性能,將其應用于各種廢水處理已取得較大成果,但對其絮凝性能的研究較少。本文以膨潤土為原料制備聚硅酸硫酸鋁無機高分子絮凝劑,并考察了制備條件對聚硅酸硫酸鋁絮凝劑絮凝效果的影響。

1 實 驗

1.1 主要儀器及試劑

WGZ-1型數(shù)字式濁度儀,上海第三光學儀器廠；UV-Vis8500紫外可見分光光度計,上海分析儀器廠。

活性艷藍KN-R、氫氧化鈉、硫酸銨、硫酸鋁,均為分析純,天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.2 原料及處理

采用的膨潤土為遼寧黑山膨潤土,屬于鈣基膨潤土。

將硫酸銨與膨潤土按m(硫酸銨)∶m(膨潤土)=2.5∶1,于480 ℃熱處理2 h后水溶過濾得到Al2(SO4)3溶液[6]；濾渣加NaOH溶液m(NaOH)∶m(膨潤土)=7∶5在100 ℃加熱反應1 h制得水玻璃。Al2(SO4)3與Na2SiO3溶液備用。

1.3 PASS的制備

將Al2(SO4)3水溶液緩慢加入Na2SiO3溶液中,滴加硫酸,并隨時用pH計測量,控制所需pH。恒溫攪拌,反應結束后熟化一定時間,所得即為聚硅酸硫酸鋁溶液(質量分數(shù)1.5%～2.0%)。

1.4 絮凝實驗

1.4.1 污水去濁實驗

采用自制質量分數(shù)1%硅藻土渾濁液作為模擬水樣。取100 mL模擬水樣,加入定量的聚硅酸硫酸鋁, 在500 r/min下快速攪拌5 min,然后在50 r/min下攪拌15 min,靜止沉降30 min,取上清液測定剩余濁度,原溶液濁度定為100 NTU。

1.4.2 染料廢水脫色實驗

用活性艷藍KN-R染料配成濃度為200 mg/L的水溶液,用KH2PO3/K2HPO3緩沖溶液控制pH為6.5左右,加入0.1 mol/L的Na2SO4作為支持電解質。即在一系列燒杯中加入100 mL上述廢水,然后分別加入聚硅酸硫酸鋁,強力攪拌1 h后靜置,取上層清液在592 nm下用分光光度計測定殘余染料的吸光度,計算脫色率。

2 結果與討論

2.1 聚合pH對聚硅酸硫酸鋁絮凝性能的影響

聚合pH直接影響著溶液的堿化度。而堿化度則影響聚合物中各元素的水解存在形態(tài)[7]。pH過低,具有一定堿化度的鋁組分失去凝集作用,復合程度較差；當pH逐漸升高到一定值時,溶液中鋁組分以低聚物為主,此時的活性最強,可同時發(fā)揮電中和與吸附架橋雙重作用；當pH繼續(xù)升高,鋁組分水解形態(tài)逐漸變成低電荷氫氧化物凝膠,導致復合效果差。當混凝pH控制在最佳范圍時,酸堿平衡達到最佳組合,則能充分發(fā)揮其絮凝效果。由圖1可得,pH為4時制得的聚合硅酸硫酸鋁脫色與去濁效果最佳。

2.2 硅鋁比對聚硅酸硫酸鋁絮凝性能的影響

由圖2可知,當n(Si)/n(Al)過高或過低絮凝效果均不理想,只有在n(Si)/n(Al)為1∶1時表現(xiàn)出最優(yōu)的絮凝效果。因為聚硅酸屬陰離子型絮凝劑,它的絮凝作用是由于分子鏈上的陰離子活性基團與膠體微粒表面間的范德華引力和氫鍵作用而引起的,并不具有對水中膠體的電荷中和作用[1]。聚硅酸溶液中加入鋁離子時,將改變了其電荷電位,使聚合物具有電荷中和作用。鋁離子較少時,中和能力較弱,絮凝效果不明顯。相反,當引入鋁離子過多時,過量的鋁離子附著在膠粒上,使膠粒帶正電荷,膠粒和PASS陽離子絮凝劑之間發(fā)生排斥作用,不利于吸附架橋作用,絮凝效果也不好。通過實驗發(fā)現(xiàn)只有當n(Si)/n(Al)為1∶1時,PASS才能同時發(fā)揮良好的電荷中和作用和吸附架橋作用[8],具有良好的絮凝性能。

圖2 硅鋁比對絮凝性能的影響

Fig.2 Effect of Al/Si mass ratio on the flocculation of PASS

2.3 聚合時間對聚硅酸硫酸鋁絮凝性能的影響

由圖3可知,隨著聚合時間的增加,PASS對模擬廢水的除濁能力與脫色效果明顯的增強。當達到一個峰值后,繼續(xù)增加時間,除濁能力與脫色效果反會下降。這是因為隨著絮凝劑聚合時間的增加,絮凝劑聚合度與分子量增大,提高了其絮凝能力。但時間太長就會導致聚合度過高,而出現(xiàn)

圖3 時間對絮凝性能的影響

凝膠現(xiàn)象,失去了絮凝活性,反而降低了絮凝效果。因此確定最佳聚合時間為1 h。

2.4 復合溫度對聚硅酸硫酸鋁絮凝性能的影響

由圖4可以看出,不論脫色率或去濁率,均隨聚合溫度的升高,先增大又下降。當聚合反應溫度為60 ℃時,制得聚硅酸硫酸鋁的絮凝效果最好；溫度繼續(xù)升高,絮凝能力反而下降。這是由于溫度較高硅酸聚合速度變快,發(fā)生強烈的縮聚反應,轉化成為高分子硅酸凝膠,絮凝活性降低,且與鋁鹽配合程度變差。因此,最佳聚合溫度選為60 ℃。

圖4 溫度對絮凝性能的影響

2.5 老化時間對聚硅酸硫酸鋁絮凝性能的影響

在制備PASS過程中,控制加入阻聚物質的時間即為聚硅酸老化時間,它直接影響著PASS的絮凝性能。由于硅酸溶膠具有強烈的縮聚趨勢,使得分子量不斷增大,最終轉化成高分子的凝膠,從而失去其絮凝活性。所以,活性硅酸不能長期放置,必須在有效的穩(wěn)定期內加入鋁離子阻止或延緩其縮聚。由圖5可知,PASS對模擬廢水的除濁脫色效果隨著陳化時間的延長先增加后降低,在24 h左右,絮凝效果最明顯。

圖5 老化時間對絮凝性能的影響

2.6 聚硅酸硫酸鋁投加量對絮凝性能的影響

由圖6可見,隨著投加量的增加,除濁率和脫色率都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,且當PASS的投加量為5 g/L時對模擬廢水的去濁與脫色效果最好,分別達到83.3%和57.1%。這是因為PASS在絮凝過程中,因兼有鋁鹽的性質,隨絮凝劑的增加,粒子表面電位下降直至為零,發(fā)生沉降,若絮凝劑過多則會使粒子表面電位反號,對聚沉不利。

圖6 投加量對絮凝性能的影響

3 結 論

通過實驗確定了以膨潤土為原料,制備聚硅酸硫酸鋁最佳制備工藝:物料硅鋁比為1、聚合溫度為60 ℃、反應時間為1 h、聚合pH為4和老化時間為24 h。以最佳工藝制備的聚合硅酸硫酸鋁處理模擬水樣,于投加量為5 g/L條件下,對模擬廢水的脫色與去濁分別達到了57.1%和83.3%。

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(LIU Yi-dou, MA Hong-chao, FU Ying-huan, et al. The activation of bentonite using ammonium sulfate as activator[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2010, 29(2):116-118.)

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