張靜靜，郭瑞軍，焦金玲，孫明明，黑煥煥

(1.國能唯真(山東)測試分析有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209 )

0 引言

循環(huán)排污水具有成分復(fù)雜、鹽分和有機(jī)物含量高及濁度低等特點(diǎn)[1]。其中較高含量的硅會(huì)與水中的Ca2＋、Mg2＋生成CaSiO3垢和MgSiO3垢，降低換熱器的傳熱效率，堵塞管道從而縮短設(shè)備的使用壽命[2]，因此有必要對(duì)循環(huán)排污水進(jìn)行除硅處理。目前常用的處理方法有混凝法[3-7]、反滲透法、電凝聚除硅[8-9]、離子交換法[10]和吸附法[11-12]等。

其中混凝法因其除硅藥劑來源廣泛、成本低且操作簡單而被廣泛應(yīng)用。混凝除硅是利用金屬氧化物或氫氧化物對(duì)硅進(jìn)行吸附或者凝聚來達(dá)到除硅的目的。常用的試劑有石灰、MgO、鐵鹽和鋁鹽等。趙曉非等[13]考察了Ca(OH)2、CaCl2、MgCl2、PAC、MgO和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)對(duì)稠油污水的除硅效果，結(jié)果表明Ca(OH)2和CaCl2的除硅效果不明顯而PAC和MgO對(duì)硅的去除效果最明顯且PAC對(duì)膠體硅具有良好的去除效果，MgO對(duì)溶解性硅有良好的去除效果，兩者復(fù)配后增強(qiáng)了除硅效果。董凱等[14]研究了利用MgO去除水中硅的效果，研究結(jié)果表明MgO可以有效去除水中的硅，去除率可達(dá)到90%，且除硅的同時(shí)還可降低水的硬度。當(dāng)提高水的溫度和pH值、增加MgO的用量時(shí)，硅的去除率也隨之升高。

本文研究了如何利用PAC與MgO的協(xié)同作用以更好地去除循環(huán)排污水中的硅，以某熱電廠的循環(huán)排污水為對(duì)象，分析了影響除硅效果的PAC和MgO的用量、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，優(yōu)化了除硅條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì)

本文的研究對(duì)象為某熱電廠的循環(huán)排污水，循環(huán)排污水中硅的含量為53.2 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

試劑包括：PAC，分析純(天津大茂化學(xué)試劑廠)；MgO，分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；鉬酸銨，分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠)；抗壞血酸，分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠)。

儀器包括：Fb-85磁力攪拌器(華長(吉林)科技有限公司)，VIS-7220N可見分光光度計(jì)(北京瑞利分析儀器有限公司)，天平(梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 PAC用量對(duì)硅含量的影響

取若干份200 mL的循環(huán)排污水于250 mL的燒杯中，在常溫下向其中分別加入0.1、 0.2、0.3、0.4、0.5 mL的 10%PAC溶液，先以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min，使得 PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min，使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.3.2 MgO用量對(duì)硅含量的影響

取若干份200 mL的循環(huán)排污水于250 mL的燒杯中，在50 ℃的條件下分別按m(MgO)∶m(SiO32-)為10∶1、20∶1、30∶1、50∶1和70∶1的比例加入MgO。為保證MgO與水中的SiO3

2-充分反應(yīng)，將轉(zhuǎn)速設(shè)為500 r/min并攪拌40 min。

為減少M(fèi)gSiO3顆粒表面的靜電斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷卻后再加入最適量的10% PAC溶液，先以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min，使得PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.3.3 反應(yīng)溫度對(duì)硅含量的影響

取若干份200 mL的循環(huán)排污水于250 mL的燒杯中，分別在20、30、40、50 和60 ℃條件下按m(MgO)∶m(SiO32-)為20∶1的 比 例 加 入MgO。為保證MgO與水中的SiO32-充分反應(yīng)，將轉(zhuǎn)速設(shè)為500 r/min攪拌40 min。為減少M(fèi)gSiO3顆粒表面的靜電斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷卻后再加入最適量的10% PAC溶液，先以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min，使得PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.3.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)硅含量的影響

取若干份200 mL的循環(huán)排污水于250 mL的燒杯中，在50 ℃的條件下按照m(MgO)∶m(SiO32-)為20∶1的比例加入MgO。為保證MgO與水中的SiO32-充分反應(yīng)將轉(zhuǎn)速設(shè)為500 r/min，分別攪拌20、40、60、80和100 min。為減少M(fèi)gSiO3顆粒表面的靜電斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷卻后再加入最適量的10% PAC溶液，先以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min，使得PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.4 檢測方法

水中的硅含量的測定采用硅鉬藍(lán)比色法[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAC用量對(duì)硅含量的影響

向循環(huán)排污水中加入不同質(zhì)量的PAC，以研究PAC用量對(duì)循環(huán)排污水中硅含量的影響。PAC是一種水溶性無機(jī)高分子聚合物，具有較強(qiáng)的架橋吸附性能。它在溶液中多以懸浮態(tài)的鋁存在，懸浮態(tài)的鋁可以發(fā)生水解并生成帶正電的Al(OH)3膠體，而水中的膠體硅帶負(fù)電，在靜電作用下Al(OH)3膠體能夠破壞膠體硅的穩(wěn)定性，同時(shí)溶解的鋁會(huì)與硅酸和聚硅酸發(fā)生反應(yīng)生成具有絮凝作用的聚合物，從而進(jìn)一步通過吸附作用將不穩(wěn)定的膠體硅聚集沉降，起到除去水中的膠體硅的作用[16]。

如圖1所示，當(dāng)單獨(dú)使用PAC進(jìn)行除硅時(shí)，隨著PAC用量的增加，循環(huán)排污水中硅的含量逐漸降低。當(dāng)PAC使用量為150 mg/L時(shí)，循環(huán)排污水中的硅含量是38.2 mg/L，去除率只有28.2%。隨著PAC用量的繼續(xù)增加，硅的去除效果不明顯，這是由于PAC對(duì)去除水中膠體硅的作用較大，而對(duì)去除溶解性硅的作用較弱[13]?？梢娧h(huán)排污水中含有的硅多為溶解性硅，對(duì)溶解性硅的去除需再使用其他除硅劑。

圖1 PAC用量對(duì)硅含量的影響

2.2 MgO用量對(duì)硅含量的影響

向循環(huán)排污水中加入不同質(zhì)量的MgO，控制反應(yīng)溫度為50 ℃并攪拌40 min，再加入PAC混凝沉淀以研究MgO用量對(duì)循環(huán)排污水中硅含量的影響。MgO用量直接影響循環(huán)排污水中硅的去除率。MgO主要是去除水中的溶解硅。MgO能與水中的SiO32-發(fā)生反應(yīng)生成MgSiO3沉淀并吸附水中剩余未反應(yīng)的SiO32-，沉淀的表面因吸附了SiO32-而帶負(fù)電，相互排斥。一部分的MgSiO3沉淀因?yàn)樽銐虼蠖軌蚰鄢两?，另一部分則因?yàn)殪o電斥力的作用能夠克服重力進(jìn)而無法凝聚沉降、使硅難以完全除去[13]。當(dāng)引入PAC時(shí)MgO的除硅效果變好，這是由于PAC表面帶正電，能夠中和帶負(fù)電的MgSiO3顆粒，破壞其穩(wěn)定性，使其在絮凝作用下形成較大的顆粒并發(fā)生沉降，達(dá)到除硅的目的。

如圖2所示，在PAC的作用下，隨著MgO用量的增加，循環(huán)排污水中的硅的含量幾乎呈現(xiàn)直線下降的趨勢。當(dāng)m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為20∶1時(shí)，循環(huán)排污水中的硅的含量為4.40 mg/L，去除率為91.7%；當(dāng)m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為70∶1時(shí)，循環(huán)排污水中的硅的含量為0.09 mg/L，去除率可高達(dá)99.8%。但在實(shí)際應(yīng)用中MgO的用量過多會(huì)增加去除成本，故當(dāng)m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為20∶1時(shí)較為合理。

圖2 MgO用量對(duì)硅含量的影響

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)硅含量的影響

向循環(huán)排污水加入MgO，在不同的溫度下攪拌40 min，再加入PAC混凝沉淀以研究反應(yīng)溫度對(duì)循環(huán)排污水中硅含量的影響。溫度對(duì)反應(yīng)有較為重要的影響，升高或降低反應(yīng)溫度可以改變反應(yīng)的進(jìn)程，能夠在一定程度上加快或減慢反應(yīng)的進(jìn)行。隨著溫度的升高，硅的去除率逐漸提高，這是由于MgO與SiO32-的反應(yīng)是一個(gè)受熱力學(xué)控制的過程，較高的溫度能夠加快MgO與SiO32-反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多的MgSiO3顆粒進(jìn)而提高了水中硅的去除率[17]。如圖3所示，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，循環(huán)排污水中硅的含量是6.23 mg/L，硅的去除率為88.3%；當(dāng)溫度升高到60 ℃時(shí)，循環(huán)排污水中硅的含量是4.35 mg/L，硅的去除率為91.8%。由此可以看出溫度升高10 ℃對(duì)硅的去除率影響不大，從經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際效果的角度選擇50 ℃的反應(yīng)溫度較為合理。若對(duì)循環(huán)排污水中硅的去除率要求較高可選擇50 ℃的反應(yīng)溫度，反之，若對(duì)硅的去除率要求較低則可以在常溫下進(jìn)行反應(yīng)。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)采用釜式加熱的方式來控制反應(yīng)溫度。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)硅含量的影響

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)硅含量的影響

向循環(huán)排污水加入MgO，控制反應(yīng)溫度為50 ℃并攪拌不同的時(shí)間，再加入PAC混凝沉淀以研究時(shí)間對(duì)循環(huán)排污水中硅含量的影響。反應(yīng)時(shí)間是影響化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)重要因素，延長反應(yīng)時(shí)間可以在一定程度上使反應(yīng)更徹底。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，循環(huán)排污水中硅含量也逐漸降低。如圖4所示，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為40 min時(shí)，循環(huán)排污水中硅的含量是4.98 mg/L，硅去除率可達(dá)90.6%；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為100 min時(shí)，循環(huán)排污水中硅的含量降至0.66 mg/L，去除率達(dá)到98.8%，這是因?yàn)樵谳^短的時(shí)間內(nèi)MgO與SiO32-的反應(yīng)較難達(dá)到平衡而延長反應(yīng)時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)MgO與SiO32-的反應(yīng)平衡，促進(jìn)MgSiO3顆粒的生成進(jìn)而提高了硅的去除率。但在實(shí)際應(yīng)用中反應(yīng)時(shí)間的延長意味著經(jīng)濟(jì)成本也會(huì)相應(yīng)增加，故選擇40 min的反應(yīng)時(shí)間較合理。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)硅含量的影響

3 結(jié)語

本文研究了采用PAC與MgO去除循環(huán)排污水中的硅的效果，得出以下結(jié)論：

(1)單獨(dú)使用PAC較難有良好的除硅效果，當(dāng)PAC的使用量為150 mg/L時(shí)硅的去除率只有28.2%。

(2)利 用PAC與MgO的 協(xié) 同 作 用 可 獲 得良好的除硅效果。當(dāng)PAC的用量為150 mg/L，m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為20∶1，反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為40 min時(shí)，硅的去除率可以超過90%。