張燕華 葛建新

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 河源 517000）

隨著水處理技術(shù)的發(fā)展，在飲用水、工業(yè)硬水軟化、工業(yè)廢水處理中，高效、價(jià)廉、無毒的新型高分子絮凝劑越來越受到重視。 目前，聚硅酸金屬鹽類絮凝劑作為無機(jī)高分子新型水處理劑[1]，其研究已成為熱點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展，聚硅酸鋁鐵(PSAF)是國內(nèi)外開發(fā)最早的品種之一，具有電中和凝聚、吸附架橋及網(wǎng)捕卷掃作用，廣泛應(yīng)用于污水處理中[2]。

粉煤灰是從火力發(fā)電廠煙道氣里回收的工業(yè)廢渣，主要成分是SiO2和Al2O3，含量約占其重量的70%～80%。 然而，在工業(yè)運(yùn)用中粉煤灰利用率不足40%，大部分堆積廢棄，這使得粉煤灰的綜合利用問題成為當(dāng)今國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)的重要研究課題[3-4]。 本文就以粉煤灰為原料制備出無機(jī)高分子絮凝劑PSAF，并將其用于廢水處理中，不僅可以達(dá)到充分利用粉煤灰中礦物成分，實(shí)現(xiàn)以廢治廢，變廢為寶的目的，還可產(chǎn)生良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用的粉煤灰取自廣東省某發(fā)電廠，其主要成分列于表1。

表1 粉煤灰的主要化學(xué)成分

試劑：鹽酸、氫氧化鈉、濃硫酸、碳酸鈉、高錳酸鉀等均為分析純，工業(yè)級聚合氯化鋁（PAC）

儀器：pHS-3C 型精密pH 計(jì)；EU-210 電子分析天平；HJ-3 定時(shí)恒溫磁力攪拌器；A JJ-4A 型六聯(lián)電動(dòng)攪拌機(jī)；馬弗爐； 篩子；SGZ-400Ⅰ光電濁度儀；721 型可見分光光度計(jì)等。

1.2 聚硅酸鋁鐵的制備

粉煤灰在干燥箱內(nèi)烘干， 烘干后的粉煤灰研磨過篩，加入11.5g 無機(jī)助溶劑NaCO3于10g 粉煤灰中， 攪拌均勻后放入瓷方舟中，在馬弗爐(900℃)焙燒一段時(shí)間，冷卻后，將產(chǎn)物碾碎后放入燒杯中， 加入一定濃度的鹽酸， 并恒溫加熱至90℃， 酸浸1h， 使硅、 鋁浸入溶液， 然后過濾得上清夜，用NaOH 調(diào)節(jié)溶液pH，熟化一段時(shí)間，所得產(chǎn)品即是絮凝劑聚硅酸鋁鐵PSAF。該產(chǎn)品為淺黃色半透明液體，比重1.1～1.25，pH 值0.9～1.4。

1.3 廢水水樣

在自來水中， 加入經(jīng)100 目過篩的硅藻土充分?jǐn)嚢杌靹?，靜置沉降30min，吸取一定量的上層濁度水，再用硫酸調(diào)pH 至中性，此廢水濁度為40NTU。

1.4 實(shí)驗(yàn)測定方法

混凝實(shí)驗(yàn)：取水樣1L 于燒杯中，將燒杯置于六聯(lián)電動(dòng)攪拌機(jī)上，向水樣中加入一定量的絮凝劑，先快速(250r/min)攪拌1min，再慢速（60r/min）攪拌10min，停止攪拌后靜置20～25min， 用吸管取上清液液面下2～3cm 處水樣， 進(jìn)行水質(zhì)分析。

濁度的測定：用濁度儀測定廢水的濁度。

吸光度的測定：用紫外可見分光光度計(jì)，測定混凝前后廢水的吸光度，根據(jù)下式計(jì)算溶液的脫色率：

脫色率=（1-A/A0）×100%

式中，A0為廢水混凝前測定的吸光度，A 為混凝沉淀后的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)表

按照上述制備方法制備PSAF 絮凝劑， 由于其絮凝性能主要受焙燒時(shí)間、酸浸時(shí)間、pH 值和熟化時(shí)間影響，故本次實(shí)驗(yàn)主要考慮上述四個(gè)因素，每個(gè)因素有三個(gè)水平，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)確定最佳制備條件。 實(shí)驗(yàn)正交表見表2。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的9 組正交實(shí)驗(yàn)，往每組實(shí)驗(yàn)中投入等量的PSAF 絮凝劑，進(jìn)行了混凝實(shí)驗(yàn)，測定其濁度去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

表3 混凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在混凝過程中，投加絮凝劑PSAF 于廢水后，形成礬花速度快，礬花大而厚實(shí)，沉降性能好。 從表3 的極差R 大小可知， 影響PFASS 絮凝劑的絮凝性能主次順序?yàn)樗岬臐舛?、焙燒時(shí)間、pH 值、熟化時(shí)間。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知各因素較佳的水平條件分別為： 鹽酸的濃度30%、 焙燒時(shí)間60min、pH 值為1、熟化時(shí)間24h。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證正交實(shí)驗(yàn)的合成PSAF 最佳制備條件，將在最佳制備條件制成的PFASS 按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，其形成的礬花速度快且更大，沉降性能好，濁度去除率達(dá)到98.1%。

2.3 PSAF 絮凝劑的應(yīng)用研究

（1）PSAF 絮凝機(jī)理

PSAF 絮凝劑中含有聚硅酸大分子， 聚硅酸依靠表面羥基的氫鍵作用可以吸附許多其他分子，隨著硅酸聚合，分子量不斷增大和并聯(lián)成網(wǎng)狀，吸附架橋能力增強(qiáng)，聚合度增大，具有較強(qiáng)的吸附架橋和網(wǎng)捕能力，能使難溶化合物及細(xì)小的顆粒從水中分離出來[5]。

PSAF 絮凝劑中含有大量的Fe3+、Al3+，在水中會發(fā)生逐級水解反應(yīng)， 同時(shí)水解產(chǎn)物之間還會發(fā)生羥基橋聯(lián)聚合反應(yīng)，生成高電荷絡(luò)離子，如Fe2(OH)24+、Fe4O(OH)46+、A12(OH)42＋、Al3(OH)54+等。 這些高電荷絡(luò)離子的吸附電中和作用較強(qiáng)，能降低水中膠體雜質(zhì)的電位，膠體雜質(zhì)失穩(wěn)而凝聚，同時(shí)形成聚合物也具有吸附架橋能力。

因此，在處理廢水時(shí)，PSAF 絮凝劑結(jié)合了聚硅酸和金屬離子的優(yōu)勢，集電中和凝聚、吸附架橋、沉淀網(wǎng)捕于一體[6]。 正是由于這些絮凝機(jī)理的共同作用的結(jié)果，使得PFASS 具有很好的絮凝沉降性能。

（2）絮凝效果比較

為了進(jìn)一步探討PSAF 的絮凝效果， 考察PSAF 對實(shí)際廢水的絮凝效果。 取廣東某印染廠印染廢水，其組分以活性染料和分散染料為主，其水質(zhì)見表4。用稀硫酸調(diào)節(jié)印染廢水pH 值為7 左右，用在最佳制備條件制成的PSAF 絮凝劑對其進(jìn)行處理，并與聚合氯化鋁（PAC）、聚合硫酸鐵（PFS）絮凝劑處理該廢水的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見表5。

表4 印染廢水水質(zhì)

表5 不同絮凝劑處理印染廢水效果對比

從表5 可知，PSAF、PAC、PFS 對印染廢水都具有一定的處理效果， 其中PSAF 的處理效果明顯優(yōu)于PAC、PFC 的效果。 印染廢水經(jīng)PSAF 絮凝劑處理后，COD 去除率達(dá)83.8%，濁度去除率達(dá)95.2%，脫色率達(dá)95.9%。

3 結(jié)論

3.1 采用粉煤灰制備高效PSAF 絮凝劑，技術(shù)上可行，工藝簡單，原料來源廣，生產(chǎn)成本低，并可變廢為寶。

3.2 制備PSAF 的最佳條件為鹽酸的濃度30%、 焙燒時(shí)間60min、pH 值為1、熟化時(shí)間24h。

3.3 PSAF 對印染廢水COD 去除率達(dá)83.8%，濁度去除率達(dá)95.2%，脫色率達(dá)95.9%，綜合效果明顯優(yōu)于PAC、PFC。

［1］郭旭穎.粉煤灰絮凝劑聚硅酸鋁鐵的制備工藝研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006.

［2］楊代貴，歐恒春，梁玉龍.聚硅酸鋁鐵（PSAFS）制備方法研究[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22(1)：35-39.

［3］張愛勇，肖羽堂，張萌.改性粉煤灰在難降解工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2006，26 (11)：7－11.

［4］Fan M ,Robert Cb ,Thomas Dw, et al. Production of Complex Coagulant From Fly Ash [J] . Chem Eng J, 2005,106 ：269－277.

［5］孔德仁.聚合硅酸硫酸鋁鐵絮凝劑的制備與性能機(jī)理研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006：57-59.

［6］張孟存.聚合硅酸硫酸鋁鐵的研制及其絮凝性能[J].水處理技術(shù)，2008，34(9)：61-64.