李 戰(zhàn)，魯 敏

(1.華電能源工程有限公司，哈爾濱 150000;2.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

聚硅酸鹽類混凝劑因具有大分子結(jié)構(gòu)，所以具有良好的吸附架橋能力和電荷中和能力。同時因其絮凝效果好、制備成本低、制備工藝簡單和安全無毒等優(yōu)點(diǎn)而得到了水處理界廣泛的重視。該類混凝劑較聚合氯化鋁(PAC)、聚合硫酸鐵(PFS)等具有更為優(yōu)異的混凝性能，除濁、除色效率高，形成礬花迅速，絮體大且密實(shí)，沉降快[1－3]，因此人們主要側(cè)重于復(fù)合型絮凝劑的制備及反應(yīng)機(jī)理等基礎(chǔ)研究，并且對聚硅酸鋁鹽及鐵鹽系列的研究日益深入成熟。據(jù)報道[4，5]，金屬鹽單獨(dú)作用或和其它物質(zhì)配合，具有殺菌、脫色、部分降解和氧化有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)、去除懸浮物和膠體顆粒的作用。聚合硅酸與多種金屬離子形成的聚合物，除具有單元無機(jī)高分子絮凝劑的共同優(yōu)點(diǎn)外，因異核金屬離子的交錯排列能形成更長、更穩(wěn)定的分子鏈，一方面增加其聚合度和分枝程度，提高了其網(wǎng)捕作用;另一方面金屬離子的引入增加所帶電荷量，增加其吸附點(diǎn)中和能力。通常情況下，參與聚合的種類越多，吸附表面積越大，形成的絮體越大，攜帶離子電荷更多。這就增加了其表面活性，達(dá)到了增加其吸附電中和能力，因而在加入的試劑量少于現(xiàn)用常規(guī)試劑的時候，卻比常規(guī)試劑具有更高的效率。

本文通過向聚合硅酸溶液中加入適當(dāng)比例的鐵鈣離子，制得復(fù)合二價金屬鈣離子的聚硅酸硫酸鐵類絮凝劑——聚合硅酸硫酸鐵鈣，通過正交試驗確定了最佳制備工藝;同時對其性能進(jìn)行了研究，取得了較好的處理效果。

1 實(shí)驗部分

1.1 儀器

pHS－2C精密酸度計;DBJ－621型定時變速攪拌器;JB－1型磁力加熱攪拌器;濁度測定儀;

1.2 試劑

硅酸鈉、硫酸鐵和硫酸鈣等均為A.R級;高嶺土均為試劑級。

1.3 聚合物的制備

取適量Na2SiO3·9H2O溶解成一定濃度的溶液，加入稀硫酸攪拌，控制pH值。當(dāng)溶液有一定粘度時停止，密封靜置，進(jìn)行熟化。然后取一定量聚硅酸，攪拌，并向溶液中加入硫酸鐵和硫酸鈣溶液，調(diào)節(jié)pH值，密封靜置熟化。制得的聚合硅酸硫酸鐵鈣呈透明黏稠液體，穩(wěn)定性好，可放置2－3個月。

1.4 絮凝實(shí)驗

用高嶺土和自來水配制濁度為100 mg/L人工濁液。取1000 mL水樣分別加入一定量的PCFS，快速(120 r/min)攪拌1 min，慢速(60 r/min)攪拌5 min，靜置15 min，取上清液測定剩余濁度。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗

本正交實(shí)驗主要對PCFS制備過程中的主要影響因素:Fe/Si摩爾比(A)、Fe/Ca摩爾比(B)、活化時的pH值(C)和活化時間(h)(D)等進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗過程中SiO2含量為2.00%，采用四因素三水平設(shè)計正交實(shí)驗，結(jié)果如表1所示。

表1 正交實(shí)驗

由級差分析(表1)可知，PCFS制備過程中的影響因素大小為Fe/Si摩爾比(A)＞Fe/Ca摩爾比(B)＞活化時的pH值(C)＞活化時間(h)(D)。制備的最佳工藝條件為Fe/Si摩爾比=11，F(xiàn)e/Ca摩爾比=51;活化時的pH值=2.0;活化時間=2 h。

2.2 絮凝效果影響因素的考察

2.2.1 水樣pH值對絮凝效果的影響

改變水樣的pH值，投加最佳工藝條件下制備的PCFS，進(jìn)行混凝實(shí)驗，考察對絮凝效果的影響。具體結(jié)果如圖1所示。

結(jié)果表明，在酸性條件下，絮凝劑的效果十分有限。這是因為此時會喪失一部分的絮凝能力。堿性條件下，絮凝效果隨逐漸變好的一個原因是，堿液本身就可以去除廢水中的一些雜質(zhì)。但從表中可以看出，pH值在6－9范圍內(nèi)，濁度值變化較小，說明PCFS的pH使用范圍較廣。這些規(guī)律均符合PCFS的卷掃及吸附的絮凝作用機(jī)理。

2.2.2 投加量對絮凝效果的影響

在最佳pH值范圍內(nèi)，其他條件同上，改變絮凝劑PCFS的投加量考察對絮凝效果的影響，具體結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，PCFS投加量過大和過小，絮凝效果都會略微變化。用量過小，不能完全破壞膠體穩(wěn)定性，去濁率低;反之，絮凝劑用量過大即加入過量的反電荷，同樣除濁率會降低。對于自配水樣，PCFS的最佳投加量為10 mL/L。

圖1 pH值對絮凝效果的影響

圖2 投加量對絮凝效果的影響

2.2.3 沉降時間對絮凝效果的影響

向1000 mL中加入PCFS 10 mL，其他條件同上，考察不同沉降時間對絮凝效果的影響。具體結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果表明，當(dāng)沉降一定時間后，絮凝劑逐步發(fā)揮作用，絮體充分形成，并迅速沉降，濁度去除率達(dá)到最佳值。但是時間過長時，會觀測到反混現(xiàn)象。這因為原來已經(jīng)穩(wěn)定的絮體失穩(wěn)，增加濁度所致。孫紅等[6]也得到了類似結(jié)論。因此，實(shí)驗過程中沉降至最佳時間—20 min后應(yīng)立即將絮凝體與上清液進(jìn)行分離。

2.2.4 與PFSS絮凝劑的對比實(shí)驗

PCFS與絮凝劑進(jìn)行對比，實(shí)驗結(jié)果如圖4所示。

結(jié)果表明，當(dāng)投加量相同的時候，絮凝劑PCFS處理后的絮體顆粒致密、穩(wěn)定，沉降速度快且去除濁度高。從對比可知，是一種高效的絮凝劑，增強(qiáng)了吸附架橋能力，得到了更好的絮凝效果。

圖3 沉降時間對絮凝效果的影響

圖4 與PFSS對比

3 結(jié) 論

(1)用Ca、Fe和硅酸鈉合成的聚合硅酸硫酸鐵鈣(PCFS)，最佳處理效果達(dá)90%以上，殘余濁度極低，已符合國家出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);

(2)處理水質(zhì)適應(yīng)pH=6－9范圍較廣;

(3)形成的絮體顆粒致密、穩(wěn)定，沉降速度快，投加量較少;

(4)PCFS是復(fù)合二價金屬鈣離子的聚硅酸鹽類絮凝劑，不存在殘留鋁離子，不存在二次污染，無毒，具有較好的應(yīng)用前景。

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[3]鄭懷禮，彭德軍，黃小紅等.聚鐵絮凝劑中鐵的形態(tài)表征方法研究進(jìn)展[C].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會2006年學(xué)術(shù)年會優(yōu)秀論文集(中卷)，2006.

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