聚硅酸硫酸铝镁的制备及其除浊试验研究

李天斌

(中海油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江524057)

陈 武,万用波,梅 平

(长江大学化学与环境工程学院,湖北荆州434023)

早期的研究发现聚硅酸属阴离子型絮凝剂,有很强聚集能力和吸附架桥作用,主要作助凝剂,但由于其稳定性差,只能现配现用,因此极大地限制了其应用,不能成为独立商品絮凝剂[1-3]。传统铝盐和铁盐混凝剂属阳离子型混凝剂,具有静电中和及卷扫作用,但处理低温水效果较差。针对这种情况,人们在聚硅酸及传统的铝盐、铁盐等絮凝剂的基础上研究制备了聚硅酸与金属盐的复合产物——聚硅酸金属盐混凝剂,它兼具阴离子型和阳离子型混凝剂的特点,既可克服各自的缺点,又能产生优势互补协同效应,除浊、脱色、除油等方面效果好,且易于制备,价格便宜,产品稳定性好。现已成为国内外无机高分子混凝研究的一个热点[4-5]。目前的研究的重点是向聚硅酸中引入单种金属离子多种金属离子的新工艺、提高产品的絮凝性能、稳定性能以及聚硅酸与金属盐之间的相互作用和混凝机理,其发展方向是开发出高效、无毒、价廉、多功能、适合工业化生产的聚硅酸金属盐混凝剂[6-7]。下面,笔者参考聚硅酸金属盐絮凝剂的制备方法[8]制备聚硅酸硫酸铝镁 (PSAMS),并采用荆门炼油厂的含油废水进行絮凝试验,研究其混凝除浊的效果,为其应用和工业生产提供试验依据。

1 试验部分

1.1 主要仪器和试剂

电子天平、控温电磁搅拌器、浊度仪、p H计;硅酸钠、硫酸镁、硫酸铝、硫酸等化学试剂等。

1.2 试验水样

试验水样为荆门炼油厂含油废水,p H值为7.51,色度为21倍,浊度为178NTU。

2 聚硅酸的制备

聚硅酸是制备PSAMS的主体之一,其聚合度 (聚合时间/凝胶时间)不仅是聚硅酸溶液稳定性的表现,也是影响制备PSAMS的重要因素。影响硅酸钠溶液胶凝时间的因素主要有溶液p H值、硅酸钠浓度、聚合温度等。为了制备方便,确定在室温25℃下研究p H、硅酸钠浓度 (以SiO2计)对聚硅酸凝胶时间的影响。称取一定量的硅酸钠溶于水中,配制成一定浓度的硅酸钠溶液,取一定体积的硅酸钠溶液,用NaOH和H 2SO4调节p H值,结果如表1所示。

表1 不同p H值对聚硅酸胶凝时间的影响

由表1可知,硅酸钠溶液浓度一定时,其p H越趋于中性,其凝胶时间就越短,而随着酸度或碱度的提高,凝胶时间也就变长,p H=7～8时,胶凝时间最短。硅酸钠溶液pH一定时,其浓度越大凝胶时间越短,原因主要是由于SiO2浓度的增大,增加了硅酸分子之间发生自聚的几率,使得其稳定性降低,从稳定性考虑SiO2浓度不宜过高,因此,为便于制备PSAMS的操作,初步确定在SiO2的浓度为2%、p H为5的条件下制备PSAMS。

3 各因素对聚硅酸硫酸铝镁 (PSAMS)去浊效果的影响

采取共聚法[9]合成PSAMS,主要研究Si/Al摩尔比、Si/Mg摩尔比、熟化时间对制备的PSAMS去浊效果的影响。取一定量硅酸钠溶于水中配制成含SiO2为2%的溶液,用硫酸调节p H值为5.0,加入一定摩尔比的AI2(SO4)3和MgSO4,搅拌2min,放置熟化数小时后,即可得到絮凝剂PSAMS,然后用一定量的PSAMS处理荆门炼油厂的含油废水,快速搅拌30s,再慢搅1min,静置30min后取上层清液测其浊度。

3.1 硅铝摩尔比对絮凝效果的影响

PSAMS絮凝剂中铝的含量是影响其絮凝效果的一个因素。因此,固定SiO2含量为2%、Mg/SiO2为3∶1[10],在其他条件相同的情况下,制备不同Si/Al摩尔比的PSAMS产品,取0.5ml的PSAMS处理50ml含油废水,结果如图1所示。由图1可知,Si/Al摩尔比在1∶3～3∶1的范围内,合成产物PSAMS絮凝效果较好,除浊率都在90%以上,说明Al的含量变化对其絮凝效果的影响不显著,相比之下,Si/Al比为1.5时絮凝效果最佳,达到了92.8%。

3.2 硅镁摩尔比对絮凝效果的影响

为了研究絮凝剂中镁的含量对絮凝效果的影响,在SiO2%含量为2%、Si/Al比为1.5,制备不同Si/Mg摩尔比的合成产物PSAMS,取不同量的PSAMS处理100ml含油废水,结果如图2所示。

由图2可知,Si/Mg摩尔比为1∶2的PSAMS在5种不同加量时,除浊效果均较好。100ml的含油废水中,不同Si/Mg比的PSAMS投加量在1.0～1.5ml时,都能达到很好絮凝效果,除浊率都在90%以上。

图2 Si/Mg比对PSAMS絮凝效果的影响

图1 Si/Al比对PSAMS絮凝效果的影响

3.3 熟化时间对PSAMS絮凝效果的影响

由于聚硅酸盐类絮凝剂随着时间的延长会产生自聚现象,从而使其絮凝效果迅速下降。为了研究熟化时间对PSAMS絮凝效果的影响,在SiO2含量为2%、Si/Al比为1.5、Si/Mg摩尔比为1∶2的条件下制备了PSAMS,取放置熟化不同时间的PSAMS 1.5ml处理100ml含油废水,取处理后水测定浊度,结果如表2所示。

表2 熟化时间对PSAMS絮凝效果的影响

由表2可知,聚硅酸硫酸铝镁絮凝剂在放置一周以后的除浊率在90%以上,放置25d后除浊率仍能达到85%以上,且无明显聚合现象,稳定性能很好。

4 制备PSAMS最佳条件的确定

为了得到制备PSAMS的最佳条件,在上述基础上,选择pH值、Si/Mg摩尔比和熟化时间,作L(33)正交试验,结果如表3所示。从表3数据可知,镁硅摩尔比对PSAMS浊度去除效果影响最大,其后依次是p H值、熟化时间。制备PSAMS的最佳条件为:Si/Mg摩尔比为1∶2.5、pH=4、熟化时间为5h。为了验证正交试验结果,在此最佳条件下制备PSAMS絮凝剂并做絮凝试验,结果表明,最佳条件下制备的PSAMS絮凝剂对含油废水的除浊率达到95.46%。

5 PSAMS对含油废水的最佳除浊条件

为了确定制备的PSAMS对荆门炼油厂含油废水除浊的最佳条件,笔者选择废水pH值、PSAMS加量、搅拌时间作L(33)正交试验,结果如表4所示。从表4结果可知,PSAMS投加量对废水除浊效果影响最大,其后依次是搅拌时间和废水p H。PSAMS对含油废水最优除浊条件为:投加量为1.0ml/100ml、搅拌时间为90s、p H=7。为了验正正交试验,在此最佳条件下用PSAMS处理含油废水,除浊率达到了97.60%,表明此条件即为最佳絮凝条件。

表3 制备PSAMS的L(33)正交试验结果

表4 PSAMS处理含油废水的L(33)正交试验结果

在可比条件下,将合成的絮凝剂PSAMS与合成原料Al2(SO4)3、MgSO4及荆门炼油厂在用絮凝剂聚合氯化铝 (PAC)进行了除浊效果对比,结果如表5所示。从表5可知,PSAMS的除浊效果最佳,并且不会给原水带去新的色度,表明PSAMS有很好的工业应用前景。

表5 相同条件下的不同絮凝剂的絮凝效果对比

6 结 论

1)硅酸钠溶液浓度一定时,其p H越趋于中性,其凝胶时间就越短,而随着酸度或碱度的提高,凝胶时间也就变长,pH=7～8时,胶凝时间最短。硅酸钠溶液p H一定时,其浓度越大凝胶时间越短。硅酸钠溶液含SiO2 2%、pH=5为制备PSAMS较佳条件。

2)研究了Si/Al摩尔比、Si/Mg摩尔比及熟化时间对产品PSAMS除浊性能的影响,结果表明,Si/Al比为1.5、Si/Mg摩尔比为1∶2,合成产物PSAMS的除浊率都在90%以上;将其放置1周后的除浊率在90%以上,放置25d后,除浊率仍大于85%,合成产物PSAMS稳定性能很好。

3)正交试验结果表明,镁硅摩尔比对PSAMS浊度去除效果影响最大,其后依次是p H值、熟化时间。制备PSAMS的最佳条件为:Si/Mg摩尔比为1∶2.5、p H=4、熟化时间为5h。最佳条件下制备的PSAMS絮凝剂对含油废水的除浊率达到95.46%。

4)正交试验结果表明,PSAMS投加量对废水除浊效果影响最大,其后依次是搅拌时间p H。PSAMS对含油废水最优除浊条件为:投加量为1.0ml/100ml、搅拌时间为90s、p H=7。PSAMS在最佳条件下对含油废水的除浊率达到了97.60%。

5)除浊效果对比实验表明,合成絮凝剂PSAMS除浊效果优于合成原料Al2(SO4)3、MgSO4及荆门炼油厂在用的絮凝剂PAC,表明PSAMS有很大的工业应用前景。

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