聚硅酸氯化鋁鎂的制備及絮凝性能

王雪嬌，衣守志

（天津科技大學(xué) 材料科學(xué)與化工工程學(xué)院，天津 300457）

絮凝法是眾多廢水處理方法中應(yīng)用廣、成本低、最常用的處理方法［1］。絮凝劑的選擇關(guān)系到后續(xù)水處理效果的好壞。選擇合適的水處理藥劑，能夠降低或消除水中分散微粒的穩(wěn)定性，使分散微粒凝聚成聚集體［2］。聚硅酸鹽是近年發(fā)展起來(lái)的含聚硅酸與金屬鹽的新型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑，聚合度高，穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的凈水性能和廣泛的應(yīng)用范圍。聚硅酸鹽無(wú)機(jī)高分子絮凝劑是當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，且水處理效果優(yōu)于簡(jiǎn)單絮凝劑［3-4］。鎂鹽具有很好的輔助脫色效果，以鎂鹽作為混凝劑時(shí)，緩沖性和活性高，吸附能力強(qiáng)。在鋁鹽絮凝劑中加入適量鎂鹽可增強(qiáng)絮凝劑的混凝脫色性能，廢水處理效果更好［5-9］。

本工作制備了復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂，并用FTIR儀和SEM對(duì)其進(jìn)行了表征，考察了自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂對(duì)實(shí)際廢水的處理效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

水玻璃：工業(yè)級(jí)，模數(shù)3.22；聚合氯化鋁：工業(yè)級(jí)，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，鹽基度40%～80%；鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、硫酸鎂：分析純。

實(shí)驗(yàn)用廢水取自天津市紀(jì)莊子污水廠，廢水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 廢水水質(zhì)

pHS-25型數(shù)顯酸度計(jì)：杭州奧立龍儀器有限公司；MY3000-6M型彩屏混凝試驗(yàn)攪拌儀：武漢梅宇儀器有限公司；VERTEX 70型FTIR儀：德國(guó)布魯克光譜儀器公司；∑IGMA型SEM：德國(guó)卡爾蔡司公司；雷磁WZS-185型高濁度儀：上海精密科學(xué)儀器有限公司；MM-32790-00型COD測(cè)定儀：德國(guó)夸克公司；HQ30B型溶氧儀：美國(guó)哈希公司。

1.2 聚硅酸的制備

向52.5 g水玻璃中加入500 mL蒸餾水。在攪拌狀態(tài)下，將鹽酸倒入水玻璃溶液中調(diào)節(jié)pH為2，活化反應(yīng)150 min，制得聚硅酸。

1.3 聚硅酸氯化鋁鎂的制備

按照n（硅）∶n（鋁）∶n（鎂）=1∶3∶1的比例在燒杯中加入聚硅酸、聚合氯化鋁和硫酸鎂，攪拌30 min，靜置2 h以上，制得聚硅酸氯化鋁鎂。

1.4 絮凝實(shí)驗(yàn)

選用市售聚合氯化鋁和自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在常溫下，取100 mL廢水，用稀硫酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)廢水pH，在快速攪拌（150 r/min）的條件下加入絮凝劑，攪拌2 min后改為慢速攪拌（60 r/min），攪拌一段時(shí)間后靜置沉降，取上清液進(jìn)行測(cè)定。

1.5 分析方法

采用SEM觀察自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂的形貌；采用FTIR儀測(cè)定聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR譜圖；按照GB 11914—1989《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》［10］測(cè)定廢水COD；按照GB 7488—1987《水質(zhì) 五日生化需氧量（BOD5）的測(cè)定 稀釋與接種法》［11］測(cè)定廢水BOD5；按照GB 11839—1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》［12］測(cè)定廢水的TP；按照GB 11894—1989《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》［13］測(cè)定廢水的TN；采用濁度儀測(cè)定廢水的濁度。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚硅酸氯化鋁鎂的形貌分析

通過(guò)聚硅酸氯化鋁鎂的SEM照片可反映出金屬鹽與聚硅酸之間的相互作用以及由此帶來(lái)的聚硅酸結(jié)構(gòu)上的變化。聚硅酸氯化鋁鎂的SEM照片見(jiàn)圖1。聚硅酸氯化鋁鎂是由隨機(jī)取向的小單元聚集在一起形成枝杈狀結(jié)構(gòu)，該枝杈結(jié)構(gòu)向四面八方伸展形成交聯(lián)緊密的空間立體網(wǎng)。長(zhǎng)鏈枝杈結(jié)構(gòu)具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，有利于橋架、網(wǎng)捕吸附水中的小顆粒。聚硅酸氯化鋁鎂在絮凝過(guò)程中具有良好的絮凝吸附特性，可通過(guò)大分子的橋聯(lián)、卷掃作用將膠體和懸浮物顆粒從水中清掃下來(lái)，形成絮狀沉淀。能譜分析結(jié)果表明，制備的聚硅酸氯化鋁鎂以聚硅酸為主干，主要由硅、氯、鋁、鎂、鈉組成。

圖1 聚硅酸氯化鋁鎂的SEM照片

2.2 聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR分析

聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR譜圖見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：在3 335 cm-1處的強(qiáng)寬吸收峰是聚硅酸氯化鋁鎂分子中與鋁離子相連的—OH以及吸附的水分子中—OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰；1 638 cm-1為水分子變角振動(dòng)吸收峰［14］；1 162 cm-1為Si—O基團(tuán)伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰；979 cm-1處的弱峰為Si—O—Al彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰［15］。由此可見(jiàn)，聚鋁離子及水解絡(luò)合離子可與共存的聚硅酸聚合形成配位鍵，Si—O—Al的形成既延緩了聚硅酸的聚合速率，又增加了聚硅酸氯化鋁鎂的聚合度。

圖2 聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR譜圖

2.3 聚硅酸氯化鋁鎂加入量對(duì)廢水濁度的影響

在廢水pH為2的條件下，聚硅酸氯化鋁鎂加入量對(duì)廢水濁度的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：隨絮凝劑加入量的增加，廢水濁度降低；當(dāng)聚硅酸氯化鋁鎂加入量達(dá)40 mg/L時(shí)，廢水濁度降至5 NTU以下，低于加入聚合氯化鋁的廢水。由此可見(jiàn)，在絮凝劑加入量相同的情況下，自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂的絮凝效果優(yōu)于市售聚合氯化鋁。

圖3 聚硅酸氯化鋁鎂加入量對(duì)廢水濁度的影響

2.4 廢水pH對(duì)廢水濁度的影響

在絮凝劑加入量為40 mg/L的條件下，廢水pH對(duì)廢水濁度的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：在低廢水pH條件下，絮凝效果較差；當(dāng)廢水pH大于3時(shí)，廢水濁度降低，兩種絮凝劑的絮凝效果均較好，自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂的絮凝效果略優(yōu)于市售聚合氯化鋁。

圖4 廢水pH對(duì)廢水濁度的影響

2.5 廢水處理效果比較

在絮凝劑加入量為40 mg/L、廢水pH為3的條件下，自制聚硅酸氯化鋁鎂和市售聚合氯化鋁對(duì)廢水處理效果的比較見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂較傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑聚合氯化鋁有更好的廢水去除效果，廢水COD、BOD5、TP、TN、濁度的去除率均較高。

聚硅酸氯化鋁鎂和聚合氯化鋁均是羥基配合物的中間產(chǎn)物。在水中鋁離子經(jīng)水解—聚合—沉淀反應(yīng)生成一系列動(dòng)力學(xué)中間產(chǎn)物，如單體、二聚體、聚十三鋁及更高的聚合物等［16］。這些聚合物帶正電，與水中帶負(fù)電的顆粒物發(fā)生電中和作用，使絮團(tuán)沉淀。

表2 兩種絮凝劑廢水處理效果的比較

聚硅酸氯化鋁鎂中含有相對(duì)分子質(zhì)量較大的聚硅酸，聚硅酸在聚合過(guò)程中交聯(lián)成網(wǎng)狀，具有較大比表面積，并與鋁水解聚合產(chǎn)物相互作用生成聚合度更高的鋁硅聚合物，有利于聚硅酸氯化鋁鎂的吸附架橋和網(wǎng)捕作用，表現(xiàn)出更好的水處理效果。鎂鹽的加入可吸附廢水中的磺酸基、羧基、氨基、羥基等陰離子基團(tuán)，在去除色度、COD、TN、TP等方面具有較強(qiáng)的能力。兩種金屬鹽的加入表現(xiàn)出了良好的協(xié)同作用。

3 結(jié)論

a）自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂，它不僅有聚硅酸的吸附架橋和網(wǎng)捕作用，同時(shí)具有金屬鋁鹽的電中和作用以及鎂鹽的輔助脫色作用。兩種金屬鹽的加入表現(xiàn)出了良好的協(xié)同作用。

b）在聚硅酸氯化鋁鎂加入量為40 mg/L、廢水pH為3的條件下，廢水COD、BOD5、TP、TN、濁度的去除率均較高。自制復(fù)合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂較傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)高分子絮凝劑聚合氯化鋁具有更好的廢水處理效果。

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