稀土在制備水處理絮凝劑中應用

廖柳芳

(佛山市高明區環境保護科學研究所,廣東佛山528500)

稀土在制備水處理絮凝劑中應用

廖柳芳

(佛山市高明區環境保護科學研究所,廣東佛山528500)

介紹了稀土元素的化學性質,在制備水處理絮凝劑方面的研究和應用情況。

稀土;絮凝劑;應用

水處理中常用的絮凝技術,是一種處理效率高,經濟而又簡便的物化處理技術,它既可以去除原水的濁度和色度等感官指標,又可以去除各種有毒有害污染物。絮凝的主要對象是廢水中細小的懸浮顆粒和膠體顆粒,這些顆粒很難用自然沉淀方法使之沉淀,進而從水中分離出去。絮凝技術是通過向廢水中投加化學藥劑,使水中膠體顆粒和懸浮顆粒脫穩,形成易于分離的絮狀物質。絮凝劑是重要的環境保護材料,在合理用水和環境保護方面發揮著重要作用[1]。

目前,絮凝劑正趨向高效、低毒、無公害、多功能、復合化的綠色產業方向發展。為了更好地按照可持續發展戰略要求,推動我國水處理藥劑的發展,充分發揮我國稀土資源的優勢,近年來,我國已對稀土無機物、稀土有機物復合絮凝劑進行了研究。

1 稀土元素的性質

稀土元素(REE)指周期表中ⅢB族中的鑭系元素(La～Lu)和同族的鈧(Sc)、釔(Y)元素。稀土元素是典型的金屬元素,它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素,而比其它金屬元素活潑。在17個稀土元素當中,按金屬的活潑次序排列,由鈧、釔、鑭遞增,由鑭到镥遞減,鑭元素最活潑。

由于稀土元素原子有特殊的電子層結構,使它們的化合價出現了變價,而不同價態的稀土比正常價態稀土具有特殊的性能和用途,這引起了科學家對稀土元素越來越大的研究興趣。稀土元素的各原子極易與其它元素的原子形成化合物,能形成穩定的氧化物、鹵化物、硫化物,且易溶于鹽酸、硫酸和硝酸中。

近年來,我國科技工作者應用稀土特有的性質制備各種催化劑、稀土型吸附劑和混凝劑等水處理材料,在處理各類工業廢水中取得了較好的效果。稀土在制備水處理絮凝劑中的應用研究,越來越得到重視。

2 稀土復合絮凝劑的研究與應用

2.1 稀土-甲殼素復合絮凝劑的研究

甲殼素作為新型絮凝劑,在處理食品加工廠的廢水,回收蛋白質作為飼料方面已被大量采用。為了提高甲殼素的絮凝效果,減少用量,降低成本,楊萬政等[2]對稀土-甲殼素復合絮凝劑進行了研究。從絮凝機理可知,甲殼素的絮凝主要是網捕作用和吸附架橋作用,而無機金屬離子的絮凝機理則主要是壓縮雙電層作用和吸附電中和作用。之所以把稀土和甲殼素進行復配,就是為了使它們發揮協同作用,最大限度地起到絮凝的效果。

先將一部分的甲殼素在冰醋酸溶液中溶解,配成1g/L的甲殼素溶液。將混合稀土(LaC13(30%)Ce-Cl3(70%))和甲殼素按質量比為200∶1的比例復配,其所產生的絮凝效果最好。實驗結果表明稀土-甲殼素復合絮凝劑對水中懸浮物有較好的去除效果,去濁率能達到97.93%以上,是一種優良的絮凝劑。另外,稀土化合物與甲殼素復配之后,稀土和甲殼素發生了協同作用和復配增效的作用,具有較好的絮凝效果,可節省絮凝劑的用量,由此可以大大節省水處理的成本。

2.2 稀土復合混凝劑(PACRES)

賀忠翔等[3]研制的稀土復合混凝劑是一種以聚合氯化鋁為主要成分,并含有稀土、硫等元素的復合混凝劑。將AlCl3·6H2O配成水溶液,在室溫下加入稀土碳酸鹽粉末(工業稀土碳酸鹽混合物,主要成分為Sm2(CO3)3和Gd2(CO3)3),不斷攪拌下分批加入一定量的CaO調整鹽基度,攪拌1h后抽濾得液體,待它熟化3h,得到的產品是稀土復合混凝劑(PACRES)。

稀土離子存在于PAC溶液中,促進了聚鋁的水解聚合,使其分子更大,帶正電荷更多,增強了對負電膠體的電中和及架橋能力,濁度去除率增大。故稀土復合混凝劑(PACRES)較PAC具有明顯的優勢,COD去除效果好于PAC,特別是在處理城市污水中去除總磷時,用量較PAC大大降低;在低投藥量下,PACRES的濁度去除率也有了很大地提高,去除率較PAC提高近1倍;稀土復合混凝劑穩定性好,可長期貯存,由于稀土占整個混凝劑的質量分數很低,其生產成本僅比PAC增加10%左右,而其用量降低30%～50%,使廢水處理費用下降[4]。

2.3 稀土渣絮凝劑

馮秀娟等[5]采用稀土廢渣制備絮凝劑,處理印染廢水取到了很好的絮凝脫色效果。影響絮凝劑脫色效果的最主要因素是鹽酸濃度,改性稀土渣與聚羥基溶液體積比的影響次之,酸改性時間的影響最小。首先對稀土廢渣進行改性處理,采用的鹽酸濃度為15%,酸改性時間為10h。與原稀土渣相比,經改性處理而制備的絮凝劑,稀土廢渣的結構發生了變化,由較密實的片狀變成了疏松的中空纖維膠狀。另外,該絮凝劑表面還有膠凝物附著,經分析該物質是由鎂鹽、鋁鹽等形成的復合羥鍵膠凝物,是絮凝劑的有效絮凝成分。

取一定量的改性稀土渣,按體積比為1∶5加入聚羥基鋁離子溶液,充分攪拌混合反應后,濾出液體并烘干、破碎、篩分而制得成品。經研究發現,稀土渣絮凝劑的作用機理主要體現在兩方面:一是改性稀土渣與聚合羥基鋁離子發生反應后所生成絡合物的羥基吸附作用;二是多羥基膠狀物復合鹽(以鋁鹽、鎂鹽、鐵鹽、鈣鹽為主)的絮凝作用。其中,加入稀土渣絮凝劑的水樣中,形成礬花的速度快,礬花大,沉降時間短,去濁率高,有較好的脫色效果,脫色率高達96%。

2.4 稀土硝酸鹽催化型聚氯化硫酸鐵

鄺鉅熾[6]用稀土硝酸鹽與聚合氯化硫酸鐵(PFSC)制備了一種新型高效的稀土催化型聚氯化硫酸鐵絮凝劑(RE-PFSC),稀土硝酸鹽對PFSC有一定助凝作用(RE-PFSC),而對PFSC聚合反應所起的催化作用更為顯著,形成的聚合物REPFSC絮凝性能有較大提高。當稀土硝酸鹽/PFSC=1.2～2.2時,絮體生成快,顆粒密度大,沉降速度快,COD去除率高,處理印染廢水效果優于PFSC。

3 稀土復合絮凝劑的混凝機理

稀土復合絮凝劑具有絮凝劑的混凝特性[7],即能以其較穩定的線狀或分枝狀長鏈結構網直接吸附顆粒物,并進行電中和反應及粘結架橋的混凝作用,使膠粒凝聚為大的混凝體。而稀土離子的加入,增加陽電荷數,強烈吸附負電荷膠粒,中和部分電荷,減少靜電斥力,容易吸附顆粒,促進混凝體的生成使水解完全。稀土與絮凝劑的聚合體發生水解或配聚時,使聚合體分子變大,同時可連接聚合體與稀土聚合體起到協同混凝作用,增加了正電荷量,增強了靜電粘附能力和吸附架橋能力;稀土離子生成無定形新生態的沉淀體,形成更大的絮凝核心和巨大的網狀表面結構,膠體顆粒物更易被粘附網捕在沉淀物中而迅速卷掃沉淀。

從稀土元素結構與性質可看出:水溶性稀土化合物如氯化稀土等具有無機鹽混凝劑基本特征,所以單獨使用稀土處理廢水具有較好的混凝效果。在鋁系絮凝劑或鐵系絮凝劑中加人極少量稀土可以改善性能,促進水解聚合,起到助凝作用和協同混凝作用,絮凝效果更佳。

4 結語

絮凝劑是生活用水與廢水處理中一種不可缺少的化學藥劑,在為城鎮居民提供安全衛生的生活用水和廢水處理中起著重要作用。稀土與金屬鹽復配得到的化合物,是一類新型無機高分子復合絮凝劑,如稀土-甲殼素的復合絮凝劑、稀土復合混凝劑(PACRES)、稀土渣絮凝劑、稀土硝酸鹽催化型聚氯化硫酸鐵。該類絮凝劑分子量高、絮凝性能優異、成本低,可有效處理難降解有機物,可以廣泛應用于各種廢水處理。因此,隨著環境污染治理力度的加大,為適應各類水質凈化處理需求,稀土復合型絮凝劑的研制已成為熱點,將是非常有發展前景的水處理藥劑。

[1]姚重華.混凝劑與絮凝劑[M].北京:中國環境科學出版社,1991.

[2]楊萬政,蒲維維,王捷.稀土—甲殼素的復合絮凝劑的研究[J].稀土,2005,26(3).

[3]賀忠翔,狄曉威.稀土復合混凝劑的制備及其在城市污水處理中的應用[J].稀土,2007,28(4).

[4]魏玉娟,朱俊萍,尹云芳,等.稀土復合混凝劑的制備與應用[J].河北科技大學學報,2003,24(2).

[5]馮秀娟,朱易春,匡敬忠,等.稀土渣絮凝劑的制備及其在印染廢水中的應用[J].中國給水排水,2008,24(23).

[6]鄺鉅熾.稀土硝酸鹽催化型聚氯化硫酸鐵的絮凝實驗研究[J].稀土,2007,28(1).

[7]M.S.Tsai.The study of formation colloidal silica via sodium sili2 cate[J].Materials Science and Engineering,2004,106(3).

Application of Rare Earth on Preparation of Water Treatment Flocculants

L IAO Liu-fang
(Gaoming District Environmental Protection Research Institute of Foshan City,Foshan Guangdong 528500 China)

The chemical properties of rare earth element are introduced,and the preparation of water treatment flocculants by using the rare earth is summarized.

rare earth;flocculant;application

X703

A

1673-9655(2010)03-0012-03

2009-12-31

廖柳芳(1976-),女,廣東高明人,佛山市高明區環境保護科學研究所工程師,研究方向:環境污染治理與評價。