宋艷艷，郭 睿，衛(wèi)海琴，喬 宇，王安琪

(陜西科技大學(xué)輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021)

聚硅酸硫酸鐵(PFSS)是一種高效的新型無機(jī)高分子絮凝劑，具有良好的穩(wěn)定性以及沉淀網(wǎng)捕作用和電性中和，壓縮雙電層的功能，可用于污水的處理和飲用水的凈化[1-5]。陰離子聚丙烯酰胺(APAM)的高分子鏈上具有活性酰胺基團(tuán)和帶有負(fù)電荷的陰離子羧基官能團(tuán)，可以和其他物質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)。將無機(jī)高分子和有機(jī)高分子復(fù)合制備絮凝劑，結(jié)合無機(jī)絮凝劑強(qiáng)的電中和能力和有機(jī)絮凝劑吸附架橋作用，發(fā)揮長鏈大分子強(qiáng)烈的拖拉、網(wǎng)捕作用[6-7]，克服單一絮凝劑的不足，達(dá)到了較好的絮凝處理效果[8]。為此，筆者采用價(jià)格低廉無毒無害的PFSS與APAM復(fù)配，并用制備的復(fù)合絮凝劑對(duì)城市廢水進(jìn)行處理和評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

硅酸鈉，分析純，北京康普匯維科技公司；丙烯酰胺，分析純，斯百全(上海)有限公司；硫酸亞鐵、過氧化氫、濃硫酸、氫氧化鈉、過硫酸鉀、亞硫酸氫鈉，分析純，國藥集團(tuán)。

AquaMate Plus UV8.01型可見分光光度計(jì)，美國賽默飛世爾科技公司；GDS-3型濁度儀，上海海恒機(jī)電儀表有限公司；Nicolet PROTEGE 460型傅里葉變換紅外光譜儀，美國尼高力公司。

1.2 聚硅硫酸鐵的制備

稱取少量的硅酸鈉配制一定SiO2含量的硅酸鈉溶液，用3 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)pH值，在室溫下放置后，得到有一定的聚合度的聚硅酸(PS)溶液。再將適量的FeSO4·7H2O用水在一定溫度下溶解，不斷攪拌下滴加少量濃硫酸和雙氧水，在25 ℃熟化4 h，得到較高鹽基度的紅褐色黏稠狀液體聚合硫酸鐵(PFS)。

將制備好的PS溶液滴加到上述PFS溶液中，攪拌使其混合均勻，用濃H2SO4調(diào)節(jié)pH值，在水浴恒溫振蕩器中反應(yīng)一段時(shí)間(頻率為55次/min)，靜置、陳化3 h,得到棕紅色PFSS產(chǎn)物。

1.3 陰離子聚丙烯酰胺的制備

丙烯酰胺(AM)陰離子化采用前加堿法[9]，先在反應(yīng)器中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的AM溶液，加入引發(fā)劑(過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉)，在溫度為25 ℃反應(yīng)6 h，即得APAM。

1.4 無機(jī)-有機(jī)絮凝劑的復(fù)配

將APAM按確定配比放入已制好的PFSS中，于恒溫磁力攪拌器上加熱攪拌，待PFSS與APAM反應(yīng)一定時(shí)間后即得復(fù)合絮凝劑[10]。

1.5 試驗(yàn)水質(zhì)

模擬廢水：將10 g硅藻土加入到1 L自來水中配制成溶液，高速攪拌均勻。水質(zhì)指標(biāo)為pH=7.8～8.3；電導(dǎo)率為0.35×10-3μs·cm；濁度為57 NTU。

實(shí)際廢水水樣：取自西安市污水處理廠，生活污水與工業(yè)廢水的體積比約為7∶3，外觀為灰色渾濁懸浮液，pH= 6.5～8.5；電導(dǎo)率為0.77×10-3μs·cm，濁度為169 NTU，COD為 350.3 mg/L。

1.6 應(yīng)用試驗(yàn)

采用燒杯試驗(yàn)法對(duì)廢水進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。取0.5 L水樣于燒杯中，用移液管加入預(yù)定量的絮凝劑溶液，快速攪拌2 min (220 r/min)，再低速攪拌15 min(50 r/min)，靜置20～25 min，用移液管在液面下2 cm處取清液進(jìn)行分析測(cè)試。

在波長為430 nm下測(cè)定透光率，測(cè)定時(shí)以蒸餾水做空白對(duì)照；測(cè)定COD值采用重鉻酸鉀滴定法[11]；試樣濁度用GDS-3型濁度儀測(cè)定；去除率按下式計(jì)算：

去除率=(A0-A1)/A0×100%

其中，A0和A1分別為水樣處理前后的COD或濁度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 PFSS的結(jié)構(gòu)表征

在w(SiO2)=1.0%、Fe/Si摩爾比為1.0、PS活化時(shí)間4 h、聚合溫度60 ℃、聚合pH=1.5條件下合成PFSS，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行紅外表征,見圖1。

圖1 PFSS的紅外光譜

圖1中，σ/cm-1：3 386處為Si—OH鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 642處為水分子的角度變形所產(chǎn)生的吸收峰[12]；1 117處為Fe—O或Fe—OH的振動(dòng)吸收峰；978處為Fe—O—Si鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰。這說明在聚硅酸存在時(shí)，部分鐵離子及水解絡(luò)合鐵離子可與共存的聚硅酸反應(yīng)生成鐵硅聚合物。

2.2 PFSS的合成條件

實(shí)驗(yàn)考察了PFSS合成因素對(duì)模擬廢水的絮凝的影響，結(jié)果如表1所示。由表1可見：PFSS的最佳合成條件為：w(SiO2)=1.0%,n(Fe)∶n(Si)=1.0,PS活化時(shí)間4 h,聚合溫度60 ℃,聚合pH=1.5。在此條件下制備的聚硅硫酸鐵絮凝劑可使廢水的透光率達(dá)85.5%。

表1 各因素對(duì)PFSS絮凝劑絮凝性能的影響

2.3 PFSS-APAM的復(fù)合條件

2.3.1m(PFSS)∶m(APAM)對(duì)絮凝效果的影響

在w(SiO2)=1.0%，鐵硅摩爾比為1.0，復(fù)合絮凝劑占硅藻土(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%)體積分?jǐn)?shù)為1.0%，復(fù)合時(shí)間1 h，pH=5.0，溫度50 ℃條件下，考察m(PFSS)∶m(APAM)對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 復(fù)合配比對(duì)復(fù)合絮凝劑絮凝效果的影響

由圖2可知：當(dāng)m(PFSS)∶m(APAM)=4∶1時(shí)，復(fù)合絮凝劑絮凝效果最好。這是由于APAM達(dá)到一定量時(shí)，復(fù)合絮凝劑與絮體之間不僅有架橋和網(wǎng)捕作用，而且發(fā)生架橋和網(wǎng)捕之間的高分子還能靠相互作用形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大絮團(tuán)，從而有助于沉降分離,所以復(fù)合絮凝劑的最適配比為4∶1。

2.3.2溫度對(duì)絮凝效果的影響

保持其他條件不變，考察溫度對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對(duì)復(fù)合絮凝劑絮凝效果的影響

由圖3可見：溫度在60 ℃時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)模擬廢水的處理效果最好，廢水的透光率高達(dá)96.4%。升高復(fù)合溫度有利于APAM的分散溶解；但溫度過高，復(fù)合溶液穩(wěn)定性差；當(dāng)溫度達(dá)100 ℃時(shí)，復(fù)合溶液表面出現(xiàn)絮狀不溶物。原因是隨著溫度的升高，APAM溶脹，流動(dòng)性變差所致?？梢?，適宜復(fù)合溫度為60 ℃。

2.3.3pH值對(duì)復(fù)合絮凝劑絮凝性能的影響

保持其他條件不變，考察pH值對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 復(fù)合pH值對(duì)絮凝效果的影響

由圖4可見:pH值為7時(shí)，復(fù)合絮凝劑的絮凝效果最好，使廢水的透光率可達(dá)96.5%。由于PFSS表面正電荷屬性將有助于與陰離子聚合物APAM的結(jié)合，而形成更高分子量的絮凝劑。但當(dāng)pH值增大到一定程度時(shí)，會(huì)有一部分Fe3+與過多的OH-結(jié)合生成Fe(OH)3沉淀，從而導(dǎo)致絮凝效果下降。

2.3.4絮凝劑投加量對(duì)絮凝效果的影響

保持其他條件不變，考察絮凝劑投加量對(duì)絮凝效果的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 絮凝劑投加量對(duì)復(fù)合絮凝性能的影響

從圖5可知：當(dāng)φ(絮凝劑)=1.5%時(shí)，復(fù)合絮凝劑的絮凝效果最好。在絮凝過程中，復(fù)合絮凝劑通過電中和、架橋、網(wǎng)捕等作用與微粒吸附在一起。當(dāng)混凝劑投加量不足或過大時(shí)都得不到很好的混凝效果，當(dāng)投藥量過小，膠體離子表面沒有足夠的絮凝分子，水中雜質(zhì)不能得到充分的逆反電荷而脫穩(wěn)不能凝聚結(jié)大，不能形成絮體；隨著投藥量的增加，膠體離子形成絮體而沉降；投藥量過多，粒子表面活性降低，可能會(huì)發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，絮凝效果提高幅度明顯下降。

2.3.5復(fù)合絮凝劑PFSS-APAM的表征

采用L9(34)正交表對(duì)影響復(fù)合絮凝劑的因素進(jìn)行考察，確定各因素對(duì)復(fù)合絮凝劑的影響大小依次為：投加量>復(fù)合溫度>復(fù)合配比>復(fù)合pH，該無機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑最優(yōu)復(fù)配條件為：m(PFSS)∶m(APAM)為4∶1，φ(絮凝劑)=1.5%，復(fù)合溫度50 ℃，復(fù)合pH值為7.0。對(duì)在此條件下制備的PFSS-APAM進(jìn)行了紅外表征，見圖6。

圖6 PFSS-APAM的紅外光譜

圖6中，σ/cm-1：3 377處為Si—OH鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 115處為Fe—O或Fe—OH振動(dòng)吸收峰；1 664處為酰胺基團(tuán)中羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰；3 224處為酰胺基的強(qiáng)吸收帶；1 664處為羧基離子吸收帶[13]；978處為Fe—O—Si鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰。以上證實(shí)了陰離子聚丙烯酰胺與聚硅硫酸鐵復(fù)配成功。

2.3.6對(duì)城市生活廢水的絮凝效果

分別在0.5 L的城市廢水水樣中投加體積分?jǐn)?shù)為2.0%的PFSS和1.5%的PFSS-APAM進(jìn)行分析測(cè)定，絮凝效果見表2。

表2 PFSS和PFSS-APAM對(duì)城市生活廢水的絮凝效果

由表2可知：與單獨(dú)使用PFSS相比，PFSS-APAM處理城市廢水用量少，絮凝效果更好，且處理后的水樣顏色變淺，氣味變淡，水質(zhì)得到明顯改善。

3 結(jié) 論

a.合成聚硅硫酸鐵絮凝劑的最適條件為：SiO2濃度為1.0%,Fe/Si摩爾比1.0,PS活化時(shí)間4 h,聚合溫度60 ℃,聚合pH值為1.5。

b.通過陰離子聚丙烯酰胺對(duì)聚硅硫酸鐵進(jìn)行了改性，制得了新型無機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑。合成復(fù)合絮凝劑工藝條件為：m(PFSS)∶m(APAM)=4∶1,復(fù)合溫度為50 ℃,復(fù)合pH=7.0,φ(絮凝劑)=1.5%時(shí)，絮凝效果最好，用其處理后城市廢水透光率高達(dá)96.8%，COD去除率為92.7%，除濁率達(dá)92.3%。

參 考 文 獻(xiàn)

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