聚硅铁锌(PSFZn)混凝剂的制备及性能研究

王冬光,于水利,许 霞,吴 超

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨 150090;2.江苏工业学院 环境与安全工程学院,江苏 常州 213164)

聚硅酸金属盐类混凝剂是在传统铝盐、铁盐的基础上发展起来的新一代无机高分子混凝剂[1],它具有更大的分子质量、更强的絮凝架桥能力和选择性吸附特性,较之传统的无机絮凝剂具有显著的增效互补作用[2],由于该类絮凝剂同时具有电中和及吸附架桥作用,絮凝效果好,且易于制备,价格便宜,安全无毒,在水处理领域中成为一个新的热点[3].

本文以工业水玻璃,硫酸亚铁和硫酸锌为原料制备了聚硅铁锌(PSFZn)混凝剂,它保留了聚硅酸(PS)、锌盐、铁盐各自的优点.聚硅酸具有很强的粘结聚集能力,锌盐无毒[4]、成膜迅速、成本低,铁盐沉降速度快,形成絮体大[5],克服了聚硅酸易胶聚、不稳定及铁盐的聚合物颜色过深等缺点[6].本实验主要考察了聚硅铁锌的制备条件及影响混凝效果的因素.

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

仪器:Mettler分析天平 AB204-N,北京哈纳pH211型氧化还原电位仪,AQ2010浊度仪(美国),HJ-4A型数显恒温多头磁力搅拌器(江苏),ZR4-6混凝试验搅拌机(深圳),T6新世纪紫外/可见分光光度计(北京),日本岛津 TOC-VCPN型TOC分析仪.

试剂:水玻璃(wSiO2=21%),模数 =3.16,密度=1.36 kg/L.FeSO4·7H2O,ZnSO4·7H2O,Na-ClO3,浓硫酸,高岭土,腐殖酸均为分析纯.

1.2 聚硅铁锌(PSFZn)的制备

在酸性条件下制备聚硅酸(PS),将工业水玻璃稀释到一定质量分数(以 SiO2质量分数计),在高速搅拌条件下缓慢加入到 20%的硫酸溶液中,室温下聚合一定时间即制得聚硅酸,将 FeSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O溶解到水中后加入少量浓H2SO4,在适宜温度下与 PS快速混合并加入少量NaClO3[7],搅拌均匀,熟化一定时间后稀释到总 Fe为 20 g/L,制得透明棕黄色的液体 PSFZn.

1.3 混凝实验

取 1 L高岭土腐殖酸模拟水,浊度为 40 ntu左右,UV254为 0.290 cm-1左右.在快速搅拌的条件下投加混凝剂,先快搅(200 r/min)1 min,然后慢搅(40 r/min)10 min,沉降 10 min后在液面下 2 cm处取上清液为待测水样,用浊度仪测定浊度,分光光度计测定 UV254.

2 结果与讨论

2.1 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比对混凝效果的影响

n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比是影响聚硅铁锌混凝性能的一个重要因素,实验首先要确定出最佳的 n(Fe)∶n(SiO2)比例.固定 Zn/SiO2的物质的量的比为 1∶1,改变 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比依次为 4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4制备聚硅铁锌,用模拟水做混凝实验,结果如图1所示.

图1 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比对 PSFZn除浊效果的影响

由图1可知:当 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比为 1∶1、2∶1和 3∶1时能够取得较好的絮凝效果,其中 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比为 2∶1时的效果最为理想.在 Fe量较少时浊度的去除率一般只有30%左右,达不到理想的效果,当 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比为 4∶1时,随着投加量的增加,浊度的去除又呈现下降的趋势,而且 Fe量过多也会增加药剂的制备成本.

2.2 n(Zn)∶n(SiO2)物质的量的比对混凝效果的影响

同 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比一样,n(Zn)∶n(SiO2)物质的量的比也是 PSFZn混凝性能的一个重要影响因素,实验固定 n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比为 1∶1,改变 n(Zn)∶n(SiO2)物质的量的比依次为 4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4制备聚硅铁锌,用模拟水做混凝实验,结果如图2所示.

由图2可知,在较高投加量时各混凝剂的效能相差不是很大,但在低投加量时可以看出各混凝剂的效能是有差别的,当 n(Zn)∶n(SiO2)物质的量的比为 2∶1时,浊度的去除率可以达到 99.1%,取得良好的混凝效果,并且形成的絮体颗粒大而密实,沉降速度快,出水水质澄清.

图2 n(Zn)∶n(SiO 2)物质的量的比对 PSFZn除浊效果的影响

2.3 SiO2质量分数的确定

图3 SiO 2质量分数对 PSFZn浊度和 UV254去除效果的影响

改变 SiO2的质量分数依次为 2%、3%、4%、5%和 6%制备聚硅铁锌,并通过混凝实验确定合适的 SiO2质量分数,其实验结果如图3所示.从图3中可以看出,SiO2的质量分数对 PSFZn的除浊效果影响不大,但是当其为 4%时,UV254的去除效果良好,因此综合考虑两者的去除效果,选择 4%作为 PSFZn的制备条件.

2.4 聚硅酸聚合温度的确定

根据前面的实验结果以 n(Fe)∶n(Fe)∶n(SiO2)物质的量的比为 2∶2∶1,SiO2质量分数为4%为前提,改变聚硅酸的聚合温度分别为 20～80℃制备聚硅铁锌,实验结果如图4所示,实验发现当聚合温度在 50℃以上时聚硅铁锌的凝胶速度非常快不利于制备,40℃左右时为适宜温度.

图4 聚硅酸的聚合温度对 PSFZn浊度和 UV254去除效果的影响

2.5 聚硅酸聚合时间的确定

聚硅酸的聚合度会随着聚合时间的增加而增大,实验控制聚硅酸的聚合时间分别为 15、30、60、90、120、150、180 min,通过对模拟水的混凝实验考察 PS的聚合时间对 PSFZn混凝性能的影响,其结果如图5所示.

由图5的实验结果可知,混凝效果随着聚合时间的增加是有起伏变化的,在60min时取得最佳的浊度去除率,在 90min时取得最佳的 UV254去除率,综合考虑除浊和 UV254的去除效果,采用聚合时间 60～120 min为宜,此时具有较好的水处理效果.

图5 PS的聚合时间对PSFZn浊度和 UV254去除效果的影响

2.6 熟化时间对混凝性能的影响

通过混凝实验考察了从混凝剂制备完成开始到熟化一个月时间内 PSFZn的混凝效果,实验结果如图6.由图6可以看出,第 1天到第 5天中随着熟化时间的延长,PSFZn的除浊性能越来越好,第5天以后 PSFZn的除浊性能渐渐趋于稳定;熟化 1个月内的 UV254去除率具有波动性,先减小后增加然后又降低,但是 5 d后的变化率较小,变化幅度不是很大,PSFZn的 UV254去除率在熟化第一天时达到最高,在第 15天时达到另一个较高值.

图6 熟化时间对 PSFZn浊度和 UV 254去除效果的影响

3 结 论

1)实验制备出了 PSFZn,并确定了各制备参数:n(Fe)∶n(Fe)∶n(SiO2)=2∶2∶1,SiO2质量分数为 4%,聚合温度为 40℃,聚合时间适宜控制在 60～120 min之间,并且适当的熟化时间有利于提高PSFZn的混凝性能.

2)PSFZn形成的絮体颗粒大而密实,沉降速度快,净水效果明显.

3)PSFZn的制备方法简单易行,制备原料广泛且价格低廉,具有开发应用的前景.

[1] ASEGAWA T,HSAHIMOTO T,ONITSUKA T.Characteristics of metal-polysilicate coagulants[J].Water Sci.Technol.,1991,23:1223-1713.

[2] 邵 俊.聚硅酸金属盐的絮凝性、稳定性和絮凝机理的研究[D].武汉:武汉科技大学,2007:14.

[3] 杜 杰,张 诚,王 婷,等.含硼聚硅酸硫酸铁锌复合絮凝剂的制备及性能[J].城市环境与城市生态,2005,18(6):13～15.

[4] 吴彦瑜,陈文纳.聚合氯化铝锌絮凝剂的研制和性能评定[J].工业用水与废水,2008,39(1):78-80.

[5] 丁来保.无机高分子混凝剂技术现状及新进展[J].江苏造纸,2006,3:14-20.

[6] 甘 莉,孟召平.絮凝剂聚硅酸锌铁(PZFSiC)的研制和性能[J].安全与环境学报,2006,6(4):14-17.

[7] FU Y,YU S L.Characterization and coagulation performance of solid poly-silicic–ferric(PSF)coagulant[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2007,353:2206-2213.