聚硅鐵鋅(PSFZn)混凝劑的制備及性能研究

王冬光,于水利,許 霞,吳 超

(1.哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,哈爾濱 150090;2.江蘇工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程學院,江蘇 常州 213164)

聚硅酸金屬鹽類混凝劑是在傳統(tǒng)鋁鹽、鐵鹽的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代無機高分子混凝劑[1],它具有更大的分子質(zhì)量、更強的絮凝架橋能力和選擇性吸附特性,較之傳統(tǒng)的無機絮凝劑具有顯著的增效互補作用[2],由于該類絮凝劑同時具有電中和及吸附架橋作用,絮凝效果好,且易于制備,價格便宜,安全無毒,在水處理領(lǐng)域中成為一個新的熱點[3].

本文以工業(yè)水玻璃,硫酸亞鐵和硫酸鋅為原料制備了聚硅鐵鋅(PSFZn)混凝劑,它保留了聚硅酸(PS)、鋅鹽、鐵鹽各自的優(yōu)點.聚硅酸具有很強的粘結(jié)聚集能力,鋅鹽無毒[4]、成膜迅速、成本低,鐵鹽沉降速度快,形成絮體大[5],克服了聚硅酸易膠聚、不穩(wěn)定及鐵鹽的聚合物顏色過深等缺點[6].本實驗主要考察了聚硅鐵鋅的制備條件及影響混凝效果的因素.

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

儀器:Mettler分析天平 AB204-N,北京哈納pH211型氧化還原電位儀,AQ2010濁度儀(美國),HJ-4A型數(shù)顯恒溫多頭磁力攪拌器(江蘇),ZR4-6混凝試驗攪拌機(深圳),T6新世紀紫外/可見分光光度計(北京),日本島津 TOC-VCPN型TOC分析儀.

試劑:水玻璃(wSiO2=21%),模數(shù) =3.16,密度=1.36 kg/L.FeSO4·7H2O,ZnSO4·7H2O,Na-ClO3,濃硫酸,高嶺土,腐殖酸均為分析純.

1.2 聚硅鐵鋅(PSFZn)的制備

在酸性條件下制備聚硅酸(PS),將工業(yè)水玻璃稀釋到一定質(zhì)量分數(shù)(以 SiO2質(zhì)量分數(shù)計),在高速攪拌條件下緩慢加入到 20%的硫酸溶液中,室溫下聚合一定時間即制得聚硅酸,將 FeSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O溶解到水中后加入少量濃H2SO4,在適宜溫度下與 PS快速混合并加入少量NaClO3[7],攪拌均勻,熟化一定時間后稀釋到總 Fe為 20 g/L,制得透明棕黃色的液體 PSFZn.

1.3 混凝實驗

取 1 L高嶺土腐殖酸模擬水,濁度為 40 ntu左右,UV254為 0.290 cm-1左右.在快速攪拌的條件下投加混凝劑,先快攪(200 r/min)1 min,然后慢攪(40 r/min)10 min,沉降 10 min后在液面下 2 cm處取上清液為待測水樣,用濁度儀測定濁度,分光光度計測定 UV254.

2 結(jié)果與討論

2.1 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比對混凝效果的影響

n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比是影響聚硅鐵鋅混凝性能的一個重要因素,實驗首先要確定出最佳的 n(Fe)∶n(SiO2)比例.固定 Zn/SiO2的物質(zhì)的量的比為 1∶1,改變 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比依次為 4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4制備聚硅鐵鋅,用模擬水做混凝實驗,結(jié)果如圖1所示.

圖1 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比對 PSFZn除濁效果的影響

由圖1可知:當 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比為 1∶1、2∶1和 3∶1時能夠取得較好的絮凝效果,其中 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比為 2∶1時的效果最為理想.在 Fe量較少時濁度的去除率一般只有30%左右,達不到理想的效果,當 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比為 4∶1時,隨著投加量的增加,濁度的去除又呈現(xiàn)下降的趨勢,而且 Fe量過多也會增加藥劑的制備成本.

2.2 n(Zn)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比對混凝效果的影響

同 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比一樣,n(Zn)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比也是 PSFZn混凝性能的一個重要影響因素,實驗固定 n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比為 1∶1,改變 n(Zn)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比依次為 4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4制備聚硅鐵鋅,用模擬水做混凝實驗,結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知,在較高投加量時各混凝劑的效能相差不是很大,但在低投加量時可以看出各混凝劑的效能是有差別的,當 n(Zn)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比為 2∶1時,濁度的去除率可以達到 99.1%,取得良好的混凝效果,并且形成的絮體顆粒大而密實,沉降速度快,出水水質(zhì)澄清.

圖2 n(Zn)∶n(SiO 2)物質(zhì)的量的比對 PSFZn除濁效果的影響

2.3 SiO2質(zhì)量分數(shù)的確定

圖3 SiO 2質(zhì)量分數(shù)對 PSFZn濁度和 UV254去除效果的影響

改變 SiO2的質(zhì)量分數(shù)依次為 2%、3%、4%、5%和 6%制備聚硅鐵鋅,并通過混凝實驗確定合適的 SiO2質(zhì)量分數(shù),其實驗結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看出,SiO2的質(zhì)量分數(shù)對 PSFZn的除濁效果影響不大,但是當其為 4%時,UV254的去除效果良好,因此綜合考慮兩者的去除效果,選擇 4%作為 PSFZn的制備條件.

2.4 聚硅酸聚合溫度的確定

根據(jù)前面的實驗結(jié)果以 n(Fe)∶n(Fe)∶n(SiO2)物質(zhì)的量的比為 2∶2∶1,SiO2質(zhì)量分數(shù)為4%為前提,改變聚硅酸的聚合溫度分別為 20～80℃制備聚硅鐵鋅,實驗結(jié)果如圖4所示,實驗發(fā)現(xiàn)當聚合溫度在 50℃以上時聚硅鐵鋅的凝膠速度非常快不利于制備,40℃左右時為適宜溫度.

圖4 聚硅酸的聚合溫度對 PSFZn濁度和 UV254去除效果的影響

2.5 聚硅酸聚合時間的確定

聚硅酸的聚合度會隨著聚合時間的增加而增大,實驗控制聚硅酸的聚合時間分別為 15、30、60、90、120、150、180 min,通過對模擬水的混凝實驗考察 PS的聚合時間對 PSFZn混凝性能的影響,其結(jié)果如圖5所示.

由圖5的實驗結(jié)果可知,混凝效果隨著聚合時間的增加是有起伏變化的,在60min時取得最佳的濁度去除率,在 90min時取得最佳的 UV254去除率,綜合考慮除濁和 UV254的去除效果,采用聚合時間 60～120 min為宜,此時具有較好的水處理效果.

圖5 PS的聚合時間對PSFZn濁度和 UV254去除效果的影響

2.6 熟化時間對混凝性能的影響

通過混凝實驗考察了從混凝劑制備完成開始到熟化一個月時間內(nèi) PSFZn的混凝效果,實驗結(jié)果如圖6.由圖6可以看出,第 1天到第 5天中隨著熟化時間的延長,PSFZn的除濁性能越來越好,第5天以后 PSFZn的除濁性能漸漸趨于穩(wěn)定;熟化 1個月內(nèi)的 UV254去除率具有波動性,先減小后增加然后又降低,但是 5 d后的變化率較小,變化幅度不是很大,PSFZn的 UV254去除率在熟化第一天時達到最高,在第 15天時達到另一個較高值.

圖6 熟化時間對 PSFZn濁度和 UV 254去除效果的影響

3 結(jié) 論

1)實驗制備出了 PSFZn,并確定了各制備參數(shù):n(Fe)∶n(Fe)∶n(SiO2)=2∶2∶1,SiO2質(zhì)量分數(shù)為 4%,聚合溫度為 40℃,聚合時間適宜控制在 60～120 min之間,并且適當?shù)氖旎瘯r間有利于提高PSFZn的混凝性能.

2)PSFZn形成的絮體顆粒大而密實,沉降速度快,凈水效果明顯.

3)PSFZn的制備方法簡單易行,制備原料廣泛且價格低廉,具有開發(fā)應用的前景.

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