聚硅酸鋁鐵絮凝劑的研究進展

陳 晶，李 莉

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 16300）

聚硅酸鋁鐵絮凝劑的研究進展

陳 晶，李 莉

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 16300）

聚硅酸鋁鐵(PSAF)作為一種新型無機高分子絮凝劑，在除濁、脫色以及去除有機物方面具有優越的性能。文獻報道的濁度、色度以及有機物的最高去除率可分別達97%、98%、87%。控制PSAF性能及穩定性的關鍵因素是Al/Fe/Si的摩爾比、硅酸濃度、堿化度、熟化時間等；同時, PSAF的絮凝效果還受水體參數的影響。介紹了PSAF的制備、絮凝效果及其影響因素，最后簡要概括了當前研究存在的問題。

聚硅酸鋁鐵；絮凝劑；無機高分子絮凝劑

1 概 述

絮凝技術是水處理中不可或缺的前置單元操作之一，也是水處理中應用最普遍的單元操作之一。在水處理中，絮凝技術對除去水中固體懸浮物以及NOM（天然有機物）起著重要作用，它決定整個水處理中的工藝、水質以及成本。在水處理中，絮凝劑的選擇對絮凝效果有著直接的影響。現在所用的無機絮凝劑主要包括傳統的鋁鹽、鐵鹽以及以鋁鹽、鐵鹽為基礎，在其中引入Cl-、SO42-、SiO32-等陰離子的一種或幾種得到的復合型無機高分子絮凝劑。目前的研究主要集中在聚硅酸金屬鹽類絮凝劑上。鋁鹽和鐵鹽絮凝劑是目前市場上兩大主流絮凝劑產品，都有各自的優缺點，如鐵鹽絮凝劑殘余色度高，鋁鹽絮凝劑絮體松軟以及殘余鋁含量超標等問題。于是，聚硅酸鋁鐵成為熱門的絮凝劑研究目標。

2 PSAF的制備

聚硅酸鋁鐵是向聚硅酸中引入Fe3+和Al3+制備而來的聚硅酸金屬鹽類聚合物。目前，實驗室一般使用純度較高的藥品制得。在工業上，聚硅酸鋁鐵的生產原料來源較為廣泛，包括鋁鐵礦石以及從工業廢料中提取]。常用的制備方法有兩種：共聚法和復合法。兩者最大的區別在于是否已將金屬鹽聚合，再將其加入到聚硅酸中[1]。

2.1 共聚法

首先是將稀釋后的酸加入到一定濃度的水玻璃(Na2SiO3)溶液中，將其pH調節到某一數值，在此條件下放置一段時間使其聚合，得到一定聚合程度的聚硅酸，然后向其中引入 Al3+和 Fe3+，加入一定濃度的堿性溶液調節其堿化度，攪拌、最后經熟化過程后得到聚硅酸鋁鐵樣品。這種方法制取的 PSAF聚合度較高，吸附架橋作用較為明顯[2]。

將鋁鹽和鐵鹽的水溶液在攪拌剪切條件下混合，進行一定程度的聚合；接著向其中加入聚硅酸，經熟化過程后得到聚硅酸鋁鐵[1]。這種方法制得的產品因為金屬鹽已發生聚合不易與硅鏈發生反應，導致產品的聚合度和水解度偏低[3]。但與共聚法的產品相比，其電中和作用有較大提高[2]。

3 PSAF絮凝效果及影響因素

3.1 絮凝劑絮凝效果概述

目前PSAF主要應用在污水處理方面，包括含鉻廢水、含油廢水、含磷廢水等。實驗室一般使用配置水來評價PSAF對濁度、色度以及CODMn的去除效果。PSAF除了在絮凝方面具有很好的性能外,還具有緩蝕、殺菌、阻垢等多種功能。結合目前的研究結果，PSAF對水體的適用范圍廣，對水體的各項指標參數均有較好的處理效果。

3.2 PSAF自身參數對絮凝效果的影響

3.2.1 Al/Fe/Si 摩爾比

對于Al/Fe/Si的摩爾比，理想情況是，在增加絮凝劑的分子量和提高絮凝劑的絮凝效果之間找到Al/Fe/Si 摩爾比的最佳配置比，充分發揮各元素的作用。

聚硅酸主要依靠表面羥基來吸附膠體粒子，隨著聚合反應的進行，硅酸的分子量增大，聚合度增大，增強了吸附架橋能力，形成的絮體大且易沉降，處理效果較好。將活化后的硅酸作為助凝劑出低溫低濁水效果較好。特別是將活化硅酸作為鋁鹽的助凝劑使用，對低溫低濁水的處理有特效[3]。因為硅酸在中性條件下穩定性極差，所以雖然硅酸分子能夠提高PSAF的分子量，增加產品的吸附架橋能力，但是產品中硅酸的含量仍然不能過高。

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向聚硅酸中引入 Fe3+可以增強其電中和能力，同時鐵鹽絮凝劑形成的絮體密實、沉降速度快，但鐵鹽絮凝劑也存在絮體較小、水中殘余色度較高等問題[4]。在制備過程中，Fe的聚合度有高有低，但在實際絮凝過程中，是中間形態的Fe的多羥基絡合物在起主要作用，在聚合過程中，需要控制Fe的聚合態。同時，Fe的含量過高，會造成樣品穩定性下降等問題。

鋁鹽絮凝劑對高濁水、低濁水、高色度以及低溫水都具有較好的絮凝效果。向聚硅酸中引入鋁鹽，聚硅酸與鋁鹽的水解產物相互作用，生成更大的水解絡合物，具有一定的電中和能力和吸附架橋能力，提高了色度的去除率，但是單獨使用鋁鹽絮凝劑形成的絮體松散易碎，不易處理。另外，單獨使用鋁鹽絮凝劑，水體中的殘余鋁含量較高，具有生物毒性的，與硅酸鹽作用后，能將這種毒性降低[5]。

高寶玉等[6,7]利用 PSAF處理高嶺土模擬水樣Al/Fe=10∶3，（Al+Fe）/Si=13∶2時，濁度去除率最高。謝娟[8]通過對某河流河水的處理發現，Al/Fe/Si= 1:1:2時，處理效果最為理想?？梢妼Σ煌乃|，需要不同的Al/Fe/Si摩爾比。同時，即使具有相同的Al/Fe/Si摩爾比，其他參數不同，也會產生不同的效果。

3.2.2 堿化度

堿化度是衡量產品堿化程度的一項特征參數，其化學定義為PSAF中OH-與Al3+、Fe3+的總摩爾數之比，即 B=[OH]/[Al+Fe]。一般來說，堿化度越高，PSAF對水體的濁度去除率越高，原因是在OH-濃度大的環境下，PSAF的聚合反應較為活躍，產品的聚合度更大，使得絮凝劑的吸附架橋和網捕卷掃能力有大幅度提升。但是堿化度過高，會生成鋁、鐵的水解聚合大分子，降低PSAF的穩定性，導致“掛壁”以及沉淀分層現象的出現[9]。

3.2.3 熟化時間

熟化時間分別為24 h、3 d、5 d的樣品對濁度和 CODMn 的去除率相差不大[10]。但過長的熟化過程會使得PSAF的絮凝性能顯著下降，出現“掛壁”現象，這是由于熟化過程中聚硅酸持續聚合以及生成更多的鋁鐵的水解聚合大分子，一定程度上使得產品的電中和以及吸附架橋能力降低，最終導致產品性能下降[8]。

3.2.4 用量

由于PSAF的生產工藝、生產原料、實際生產條件以及水體水質參數差異較大，使得文獻中得出的藥品的最佳投加量無法比較。但大量文獻都印證了產品對水體的處理效果隨著投加量的增加呈現出先增強后減弱的趨勢，原因是粒子表面活性會隨著投加量的過量而減弱，絮凝效果下降。馬同森[11]使用PSAF處理印染廢水，在投加量為40 mg/L時，濁度去除率和色度去除率分別為 49.5%和45.3%，當投加量為100 mg/L，濁度去除率和色度去除率分別提升98.3%和 85.0%，繼續提高投加量，水體的處理效果開始變差。Qiu等[12]利用PSAF處理印鈔廢水,在投加量為30.33 g/L時，色度的去除率可達到98%，繼續提高藥品投加量處理效果則無明顯提升。

3.2.5 水體pH對PSAF絮凝效果的影響

隨著水體pH的升高，PSAF對濁度的去處率呈現出先增大后減小的趨勢，水體pH在一定范圍內，PSAF均具有較好的處理效果。原因是制備過程中進行的預水解降低了 PSAF進入水體后的水解反應，使得PSAF對水體pH具有更廣泛的適應性。王曉莉等[13]通過試驗發現，在一定范圍內 PSAF的絮凝效果受水體pH影響較小。 但是，當水體pH較低時，PSAF的絮凝效果有明顯下降。水體pH對傳統的無機鹽類絮凝劑的效果影響較大。例如，未經預水解的Al鹽或Fe鹽絮凝劑在pH=6左對NOM具有最佳的去除效果，所以當水體pH偏高時，絮凝劑需進行預酸化[14]。Canizares等[15]研究發現向水體中投加傳統無機鹽類絮凝劑會降低水體pH，最終導致水體處理效果不理想。

3.2.6 水體溫度對PSAF絮凝效果的影響

水體溫度是一系列絮凝過程的重要控制因素。由于絮凝劑的水解是吸熱反應，所以適當的提高水體溫度可以提高絮凝效果。如把溫度在 20℃時，COD的去除率為85%，將溫度提高到45℃, COD去除率提高到90%[16]。

4 PSAF的絮凝機理

聚硅酸帶負電荷，屬陰離子型無機高分子物質。向聚硅酸中引入Al3+、Fe3+，Al3+、Fe3+的水解產物起到橋連作用，使得聚硅酸所帶電荷由負變正，PSAF對水中膠粒有電中和作用，形成較穩定的絮體[17]。加入聚硅酸使得PSAF的分子量增大，絮凝劑的吸附架橋能力得到提升。形成大顆粒后, PSAF的網捕卷掃作用較為突出。特別是在懸浮顆粒物濃度較大的水體中，聚合硅酸的網捕卷掃作用對濁度去除率的提升有較大作用。

5 結論與展望

作為一種新型無機高分子絮凝劑的 PSAF，具有生產原料來源廣泛、生產工藝簡單、適用范圍廣、價格低廉等優點，還具有緩蝕、殺菌消毒、阻垢等功能，同時PSAF對水體各項指標的處理效果明顯尤其其它類型無機絮凝劑。但是，目前對PSAF的研究還存在一些問題：

（1）由于原料來源較多，水體水質情況復雜，使得不同的研究結果不具有可比性。

（2）目前制備的 PSAF存在有效成分含量偏低、穩定性差、合成過程并非完全可控等問題，同時對產品制備過程中的控制參數缺乏深入研究。

（3）PSAF在實際污水處理過程中取得良好的效果，但是在Al3+、Fe3+與硅酸的作用機理、產品中鋁鐵的形態分布以及產品形貌等方面，還缺乏系統而深入的研究，也制約PSAF的進一步發展。

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Research Progress of Poly Silicate Aluminium Ferric Flocculant(PSAF)

CHEN Jing，LI Li
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

As a new kind of inorganic polymeric flocculant(IPF), poly silicate aluminium ferric flocculant(PSAF) has superior performance in turbidity removal, decolorization and organic matter removal. According to literatures, the maximum rates of turbidity, chrominance and organic matter are up to 97%, 98% and 87% respectively.The key points to control the performance and stability of PSAF are the mole ratio of Al/Fe/Si，silicate concentration， the alkalization degree and curing time. Meanwhile, the performance and stability of PSAF can be also affected by the water quality. In this paper, preparation of PSAF was introduced as well as its flocculation effect and influencing factors, finally the problems existing in the current study were summed up.

poly silicate aluminium ferric; flocculant；inorganic polymer flocculant

TQ 325

A

1671-0460（2016）11-2678-03

2016-10-30

陳晶（1991-），女，黑龍江省大慶市人，碩士研究生在讀，東北石油大學化學工程與技術專業，研究方向：水處理。E-m ail：chenjing19921214@126.com。

李莉（1972-），女，副教授，博士，研究方向：油田水處理。E-m ail：liltytm s@nepu.edu.cn。