趙 飛，李學(xué)峰

（許昌學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南 許昌 461000）

目前，水處理的主要方法包括吸附、過(guò)濾、膜分離、生物處理、絮凝沉淀等。其中，絮凝法具有操作簡(jiǎn)單而有效的優(yōu)點(diǎn)，成為水處理的重要手段[1]。在給水與廢水處理中，絮凝技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，其中最關(guān)鍵的是絮凝劑的開發(fā)。我國(guó)目前使用的絮凝劑主要有無(wú)機(jī)、有機(jī)、微生物和復(fù)合四大類[2]。

自從20世紀(jì)60年代，聚合氯化鋁（PAC）問(wèn)世以來(lái)，以其優(yōu)于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)絮凝劑如硫酸鋁、氯化鐵的性能而得到廣泛應(yīng)用，隨之發(fā)展了一系列改進(jìn)品種，如聚合氯化鋁鐵、聚合硅酸鋁鐵、聚合硅酸鋅鐵等。但是，它們的相對(duì)分子質(zhì)量和粒度大小以及絮凝、架橋能力仍比有機(jī)絮凝劑差。因此，將無(wú)機(jī)、有機(jī)絮凝劑各自優(yōu)勢(shì)結(jié)合的復(fù)合絮凝劑應(yīng)運(yùn)而生[3]。

劉明華等以鐵鹽和鋁鹽及有機(jī)胺等為原料，研制出一種兩性復(fù)合絮凝劑F-1。該絮凝劑在用量為 300 mol·L-1時(shí)，對(duì)制藥廢水 COD、SS、色度的去除率分別達(dá)到了69.7%、96.4%、87.5%，性能明顯優(yōu)于PAM、PAC等單一絮凝劑[4]。湯心虎等用無(wú)機(jī)高分子絮凝劑AF2GO與陰離子PAM復(fù)合后處理活性艷紅K-2BP廢水，當(dāng)投加量為750 mol·L-1時(shí)，脫色率達(dá) 99%，上清液基本無(wú)色[5]。 總之，無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑改善了上述單一絮凝劑的不足，強(qiáng)化了電中和、吸附架橋等絮凝性能，提高了絮凝效率。

本文以聚合硅酸鋅和聚合丙烯酰胺物理復(fù)合，制備有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合絮凝劑，通過(guò)模擬水樣和幾種廢水的絮凝實(shí)驗(yàn)，考察了制備條件和絮凝性能，旨在為該種新型水處理劑的工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

BS224S電子天平（北京塞多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）；HJ-1型磁力攪拌器（上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司）；VIS-721分光光度計(jì) （北京第二光學(xué)儀器廠）；PHS-3C精密pH計(jì)（上海雷磁儀器廠）；HJ-1型磁力加熱攪拌器（鞏義市英峪予華儀器廠）。

Zn2SO4·7H2O（分析純，北京化學(xué)試劑三廠）；Na2SiO3·9H2O（分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠）；H2SO4（分析純，天津市華東試劑廠）；高嶺土（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；聚丙烯酰胺（分析純，天津市科密歐試劑有限公司）；去離子水（自制）；印染廢水（許昌陽(yáng)光印染廠）；油脂廢水（許昌植物油廠）；煙草廢水 （河南中煙許昌煙草薄片公司）；化工廢水（河南豫辰精細(xì)化工有限公司）。

1.2 絮凝劑的配制

聚丙烯酰胺（PAM）絮凝劑：稱取1 g聚丙烯酰胺加入蒸餾水至200 mL，攪拌溶解，配制成質(zhì)量濃度為 5 mg·mL-1的溶液[6]。

聚硅酸鋅（PSZ）絮凝劑：分別稱取11.37 g的Na2SiO3·9H2O和20.7 g ZnSO4于兩個(gè)燒杯中加水溶解，然后在磁力攪拌的條件下向硅酸鈉溶液中加入20%的硫酸溶液至pH=5.0，控制反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行聚合，便得到活化硅酸，當(dāng)聚合到一定程度（呈現(xiàn)淡藍(lán)色）時(shí)，加入硫酸鋅溶液，攪拌均勻后放置熟化30 min[7]。

聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復(fù)合絮凝劑：取一定量的已制成的聚丙烯酰胺溶液，向其中加入一定量的聚硅酸鋅，攪拌均勻，放置熟化1 h，就得到了預(yù)定復(fù)配比例的復(fù)合絮凝劑[3-4]。

1.3 模擬水樣的配制

稱取一定量的已研磨過(guò)的高嶺土，在快速攪拌下加入到盛有一定量V(自來(lái)水)/V(蒸餾水)=1的燒杯中，調(diào)節(jié)pH值，配制成1/800的高嶺土模擬水樣。

1.4 絮凝實(shí)驗(yàn)

由于膠體顆粒對(duì)光會(huì)發(fā)生散射，不同濃度的膠體會(huì)產(chǎn)生不同的吸光度，且在一定范圍內(nèi)，吸光度與濃度（濁度）呈正比關(guān)系，利用此原理測(cè)定濁度，并折算出脫色率[5]。

量取高嶺土模擬水樣或真實(shí)工業(yè)廢水水樣于燒杯中，調(diào)節(jié)至所需pH值，加入一定量的絮凝劑，在轉(zhuǎn)速為220 r·min-1下攪拌20 s，靜置20 min，在距液面2～3 cm處吸取澄清液，用分光光度計(jì)測(cè)定上清液吸光率值，然后用下式計(jì)算脫色率(Decoloring ratio)。

式中A為投加絮凝劑后水樣澄清液的吸光度，A0為未投加絮凝劑時(shí)水樣的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯酰胺絮凝劑對(duì)模擬水樣的絮凝效果

2.1.1 pH值對(duì)模擬水樣脫色率的影響

取100 mL模擬水樣，調(diào)節(jié)至一定的pH值，加入0.17 mL聚丙烯酰胺絮凝劑，快速攪拌20 s，靜置20 min，在距液面2～3 cm處吸取澄清液，測(cè)其吸光度并計(jì)算脫色率。

圖1 pH與模擬水樣脫色率的關(guān)系

由圖1可以看出，當(dāng)pH值在8左右時(shí)，聚丙烯酰胺絮凝劑對(duì)模擬水樣的處理效果最好，脫色率為87.66%。當(dāng)pH繼續(xù)增大時(shí)，聚丙烯酰胺中酰胺基活性降低導(dǎo)致絮凝效果明顯降低。

2.1.2 絮凝劑投加量對(duì)模擬水樣脫色率的影響

分別量取100 mL高嶺土模擬水樣于6個(gè)150 mL燒杯中，調(diào)節(jié)pH值后，依次加入0、0.14、0.17、0.20、0.23和0.26 mL的聚丙烯酰胺絮凝劑，在轉(zhuǎn)速為200 r·min-1條件下攪拌20 s，靜置20 min，在距液面2～3 cm處吸取澄清液，測(cè)其吸光度并計(jì)算脫色率。

從圖2中不同pH下投加量對(duì)模擬水樣脫色率的影響可看出，絮凝劑的投加量在0.14～0.17 mL之間時(shí)，隨著絮凝劑投加量的增加，脫色率明顯增大，當(dāng)投加量為0.17 mL時(shí)，脫色率達(dá)到最大（87.66%），此時(shí)絮凝效果最好。當(dāng)絮凝劑投加量繼續(xù)增加時(shí)，效果明顯降低，主要是因?yàn)樾跄齽┰龆嘁矊?dǎo)致pH值增加，使溶液重新變成穩(wěn)定的膠體所致。同時(shí)，隨著pH值的增加，絮凝效果變化更加明顯，即絮凝效果降低較快。說(shuō)明pH值增大均可導(dǎo)致絮凝效果降低。

圖2 不同pH下PAM投加量與模擬水樣脫色率的關(guān)系

2.2 聚硅酸鋅絮凝劑對(duì)模擬水樣的絮凝效果

2.2.1 pH值對(duì)模擬水樣脫色率的影響

取100 mL高嶺土模擬水樣，調(diào)節(jié)至一定的pH值，加入4 mL聚硅酸鋅絮凝劑，在200 r·min-1攪拌20 s，靜置20 min，在距液面2～3 cm處吸取澄清液，測(cè)其吸光度并計(jì)算脫色率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，隨著pH的升高，脫色率逐漸上升，當(dāng)pH達(dá)到10左右時(shí)，脫色率達(dá)到最大為89.78%，絮凝效果最好（pH=9時(shí)，脫色率 =88.95%）。當(dāng)pH繼續(xù)上升時(shí)，絮凝劑活性減弱，絮凝效果降低。

圖3 pH與模擬水樣脫色率的關(guān)系

圖4 不同pH下投加量與模擬水樣脫色率的關(guān)系

2.2.2 不同pH下絮凝劑投加量對(duì)模擬水樣脫色率的影響

分別量取100 mL模擬水樣置于6個(gè)150 mL燒杯中，調(diào)節(jié) pH 值后，依次加入 0、1、2、3、4 和 5 mL的聚硅酸鋅絮凝劑，在轉(zhuǎn)速為200 r·min-1下攪拌20 s，靜置20 min，在距液面2～3 cm處吸取澄清液，測(cè)其吸光度并計(jì)算脫色率。

由圖4可以看出，當(dāng)聚硅酸鋅絮凝劑的投加量為4 mL、pH=9時(shí)，對(duì)模擬水樣的處理效果最好，脫色率為88.95%（結(jié)果與圖3結(jié)果一致）。繼續(xù)增加絮凝劑的投加量，絮凝劑重新變成穩(wěn)定的膠體則絮凝效果變差。

2.3 聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復(fù)合絮凝劑對(duì)模擬水樣的絮凝效果

2.3.1 pH值對(duì)模擬水樣脫色率的影響

取200 mL模擬水樣，調(diào)節(jié)pH值，加入復(fù)配比例為V(PAM)/V(PSZ)=1的復(fù)合絮凝劑0.12 mL，快速攪拌20 s，靜置20 min，在距液面2～3 cm處吸取澄清液，測(cè)其吸光度并計(jì)算脫色率。

由圖5可以看出，當(dāng)pH在8左右時(shí)，復(fù)合絮凝劑對(duì)模擬水樣的絮凝效果最好，脫色率達(dá)到最大為91.2%。模擬水樣的pH在7～11這個(gè)范圍時(shí)，pH的改變對(duì)絮凝效果的影響不大，復(fù)合絮凝劑受pH的影響較小，適用的pH范圍較寬。

2.3.2 不同復(fù)配比例下絮凝劑投加量對(duì)模擬水樣脫色率的影響

圖5 pH與模擬水樣脫色率的關(guān)系

取一定量的聚丙烯酰胺溶液和聚硅酸鋅溶液于燒杯中，攪拌均勻，熟化1 h。配制成V(PAM)/V(PSZ)=0.5、1、2、4 的 4 種不同復(fù)配比例的復(fù)合絮凝劑。然后，分別量取100 mL模擬水樣置于6個(gè)150 mL燒杯中，調(diào)節(jié)pH值后，依次加入0、0.08、0.10、0.12、0.14 和 0.16 mL 的復(fù)合絮凝劑，在轉(zhuǎn)速為 200 r·min-1下攪拌 20 s， 靜置 20 min，在距液面2～3 cm處吸取澄清液，測(cè)其吸光度并計(jì)算脫色，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同復(fù)配比例下絮凝劑投加量與模擬水樣脫色率的關(guān)系

由圖6可以看出，當(dāng)復(fù)合絮凝劑的復(fù)配比例為V(PAM)/V(PSZ)=1.0，投加量為0.10 mL時(shí)，對(duì)模擬水樣的處理效果最佳（脫色率達(dá)91.2%）。

從上述三種絮凝劑的絮凝效果來(lái)看，PAMPSZ復(fù)合絮凝劑的絮凝效果要優(yōu)于PAM和PSZ，且用量較少，說(shuō)明絮凝劑復(fù)合后協(xié)同增效，提高了絮凝性能。

2.4 三種絮凝劑對(duì)廢水水樣的絮凝效果

圖7 三種絮凝劑對(duì)不同類型廢水的處理脫色率

圖7給出了三種絮凝劑應(yīng)用于印染廢水、油脂廢水、煙草廢水、化工廢水的脫色處理結(jié)果。聚丙烯酰胺和聚硅酸鋅對(duì)四種廢水的脫色率基本保持在77%左右，而聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復(fù)合絮凝劑的脫色率則均提高到80%以上。說(shuō)明復(fù)合絮凝劑比單一組分的絮凝劑效果要好，這顯然是兩種單一絮凝劑復(fù)合后發(fā)生了協(xié)同作用的緣故。

3 結(jié)論

(1)聚丙烯酰胺絮凝劑在投加量為0.17 mL、水樣pH在8左右時(shí)，對(duì)高嶺土模擬水樣的絮凝效果最好，脫色率達(dá)到87.66%。

(2)聚硅酸鋅絮凝劑在投加量為4 mL、水樣pH在10左右時(shí)，對(duì)高嶺土模擬水樣的絮凝效果最好，脫色率為89.78%。

(3)聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復(fù)合絮凝劑在復(fù)配比例為V(PAM)/V(PSZ)=1、投加量為0.10 mL、水樣pH在8左右時(shí)，對(duì)高嶺土模擬水樣的絮凝效果最好，脫色率為91.2%，而且，在中性和堿性范圍內(nèi)，這種復(fù)合絮凝劑受pH影響較小，pH的適用范圍較寬。

(4)對(duì)比以上3種絮凝劑，聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復(fù)合絮凝劑的投加量小，對(duì)模擬水樣的處理效果較好，pH適用范圍較寬。

(5)上述三種絮凝劑應(yīng)用于印染廢水、油脂廢水、煙草廢水、化工廢水的脫色處理結(jié)果表明，聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復(fù)合絮凝劑的脫色率均比單一絮凝劑要高，說(shuō)明單一絮凝劑復(fù)合后發(fā)生了協(xié)同作用，具有進(jìn)一步開發(fā)和推廣的前景。

[1]徐曉軍.化學(xué)絮凝劑作用原理 [M].北京:科學(xué)出版社,2005:94-98.

[2]曾媛,蔣文舉,裴楠,等.無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合絮凝劑的研究進(jìn)展[J].四川化工,2006,6(9):17-20.

[3]陳輝,強(qiáng)穎懷,尹慧.凹凸棒土/聚丙烯酰胺雜化絮凝劑的合成及其絮凝特性研究[J].非金屬礦,2011,34(2):36–39,45.

[4]劉明華,何為,黃建輝,等.一種新型高效有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合絮凝劑處理制藥廢水的研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(1):121-125.

[5]湯心虎,黃秀徽,劉佩璇,等.無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合絮凝劑對(duì)印染廢水脫色的研究 [J].水處理技術(shù),2001,27(5):267-270.

[6]譚正德,龍有前,王碧蓮,等.新型聚丙烯酰胺絮凝劑的研究[J].電鍍與涂飾,2002,21(3):15-19.

[7]劉和清,汪美鳳.聚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):179-184.