聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復合絮凝劑的制備和絮凝性能

趙 飛，李學峰

（許昌學院化學化工學院，河南 許昌 461000）

目前，水處理的主要方法包括吸附、過濾、膜分離、生物處理、絮凝沉淀等。其中，絮凝法具有操作簡單而有效的優點，成為水處理的重要手段[1]。在給水與廢水處理中，絮凝技術得到廣泛的應用，其中最關鍵的是絮凝劑的開發。我國目前使用的絮凝劑主要有無機、有機、微生物和復合四大類[2]。

自從20世紀60年代，聚合氯化鋁（PAC）問世以來，以其優于傳統無機絮凝劑如硫酸鋁、氯化鐵的性能而得到廣泛應用，隨之發展了一系列改進品種，如聚合氯化鋁鐵、聚合硅酸鋁鐵、聚合硅酸鋅鐵等。但是，它們的相對分子質量和粒度大小以及絮凝、架橋能力仍比有機絮凝劑差。因此，將無機、有機絮凝劑各自優勢結合的復合絮凝劑應運而生[3]。

劉明華等以鐵鹽和鋁鹽及有機胺等為原料，研制出一種兩性復合絮凝劑F-1。該絮凝劑在用量為 300 mol·L-1時，對制藥廢水 COD、SS、色度的去除率分別達到了69.7%、96.4%、87.5%，性能明顯優于PAM、PAC等單一絮凝劑[4]。湯心虎等用無機高分子絮凝劑AF2GO與陰離子PAM復合后處理活性艷紅K-2BP廢水，當投加量為750 mol·L-1時，脫色率達 99%，上清液基本無色[5]。 總之，無機-有機復合絮凝劑改善了上述單一絮凝劑的不足，強化了電中和、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合，制備有機-無機復合絮凝劑，通過模擬水樣和幾種廢水的絮凝實驗，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應用提供理論依據和技術支持。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

BS224S電子天平（北京塞多利斯儀器系統有限公司）；HJ-1型磁力攪拌器（上海浦東榮豐科學儀器有限公司）；VIS-721分光光度計 （北京第二光學儀器廠）；PHS-3C精密pH計（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，北京化學試劑三廠）；Na2SiO3·9H2O（分析純，天津市福晨化學試劑廠）；H2SO4（分析純，天津市華東試劑廠）；高嶺土（國藥集團化學試劑有限公司）；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，控制反應時間進行聚合，便得到活化硅酸，當聚合到一定程度（呈現淡藍色）時，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，就得到了預定復配比例的復合絮凝劑[3-4]。

1.3 模擬水樣的配制

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

1.4 絮凝實驗

由于膠體顆粒對光會發生散射，不同濃度的膠體會產生不同的吸光度，且在一定范圍內，吸光度與濃度（濁度）呈正比關系，利用此原理測定濁度，并折算出脫色率[5]。

量取高嶺土模擬水樣或真實工業廢水水樣于燒杯中，調節至所需pH值，加入一定量的絮凝劑，在轉速為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，用分光光度計測定上清液吸光率值，然后用下式計算脫色率(Decoloring ratio)。

式中A為投加絮凝劑后水樣澄清液的吸光度，A0為未投加絮凝劑時水樣的吸光度。

2 結果與討論

2.1 聚丙烯酰胺絮凝劑對模擬水樣的絮凝效果

2.1.1 pH值對模擬水樣脫色率的影響

取100 mL模擬水樣，調節至一定的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，測其吸光度并計算脫色率。

圖1 pH與模擬水樣脫色率的關系

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

2.1.2 絮凝劑投加量對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150 mL燒杯中，調節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，測其吸光度并計算脫色率。

從圖2中不同pH下投加量對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，隨著絮凝劑投加量的增加，脫色率明顯增大，當投加量為0.17 mL時，脫色率達到最大（87.66%），此時絮凝效果最好。當絮凝劑投加量繼續增加時，效果明顯降低，主要是因為絮凝劑增多也導致pH值增加，使溶液重新變成穩定的膠體所致。同時，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。說明pH值增大均可導致絮凝效果降低。

圖2 不同pH下PAM投加量與模擬水樣脫色率的關系

2.2 聚硅酸鋅絮凝劑對模擬水樣的絮凝效果

2.2.1 pH值對模擬水樣脫色率的影響

取100 mL高嶺土模擬水樣，調節至一定的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，測其吸光度并計算脫色率，結果見圖3。

由圖3可以看出，隨著pH的升高，脫色率逐漸上升，當pH達到10左右時，脫色率達到最大為89.78%，絮凝效果最好（pH=9時，脫色率 =88.95%）。當pH繼續上升時，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系

圖4 不同pH下投加量與模擬水樣脫色率的關系

2.2.2 不同pH下絮凝劑投加量對模擬水樣脫色率的影響

分別量取100 mL模擬水樣置于6個150 mL燒杯中，調節 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，測其吸光度并計算脫色率。

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

2.3 聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復合絮凝劑對模擬水樣的絮凝效果

2.3.1 pH值對模擬水樣脫色率的影響

取200 mL模擬水樣，調節pH值，加入復配比例為V(PAM)/V(PSZ)=1的復合絮凝劑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，測其吸光度并計算脫色率。

由圖5可以看出，當pH在8左右時，復合絮凝劑對模擬水樣的絮凝效果最好，脫色率達到最大為91.2%。模擬水樣的pH在7～11這個范圍時，pH的改變對絮凝效果的影響不大，復合絮凝劑受pH的影響較小，適用的pH范圍較寬。

2.3.2 不同復配比例下絮凝劑投加量對模擬水樣脫色率的影響

圖5 pH與模擬水樣脫色率的關系

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 種不同復配比例的復合絮凝劑。然后，分別量取100 mL模擬水樣置于6個150 mL燒杯中，調節pH值后，依次加入0、0.08、0.10、0.12、0.14 和 0.16 mL 的復合絮凝劑，在轉速為 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，測其吸光度并計算脫色，結果見圖6。

圖6 不同復配比例下絮凝劑投加量與模擬水樣脫色率的關系

由圖6可以看出，當復合絮凝劑的復配比例為V(PAM)/V(PSZ)=1.0，投加量為0.10 mL時，對模擬水樣的處理效果最佳（脫色率達91.2%）。

從上述三種絮凝劑的絮凝效果來看，PAMPSZ復合絮凝劑的絮凝效果要優于PAM和PSZ，且用量較少，說明絮凝劑復合后協同增效，提高了絮凝性能。

2.4 三種絮凝劑對廢水水樣的絮凝效果

圖7 三種絮凝劑對不同類型廢水的處理脫色率

圖7給出了三種絮凝劑應用于印染廢水、油脂廢水、煙草廢水、化工廢水的脫色處理結果。聚丙烯酰胺和聚硅酸鋅對四種廢水的脫色率基本保持在77%左右，而聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復合絮凝劑的脫色率則均提高到80%以上。說明復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合后發生了協同作用的緣故。

3 結論

(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，對高嶺土模擬水樣的絮凝效果最好，脫色率達到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，對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-聚硅酸鋅復合絮凝劑在復配比例為V(PAM)/V(PSZ)=1、投加量為0.10 mL、水樣pH在8左右時，對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，這種復合絮凝劑受pH影響較小，pH的適用范圍較寬。

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

(5)上述三種絮凝劑應用于印染廢水、油脂廢水、煙草廢水、化工廢水的脫色處理結果表明，聚丙烯酰胺-聚硅酸鋅復合絮凝劑的脫色率均比單一絮凝劑要高，說明單一絮凝劑復合后發生了協同作用，具有進一步開發和推廣的前景。

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