由膨润土制备聚硅酸硫酸铝复合絮凝剂

赵 景 涛, 马 红 超

( 大连工业大学 化工与材料学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

膨润土在自然界中储藏丰富,其化学成分主要是SiO2与Al2O3,适合作为复合絮凝剂原料,且成本较低。聚硅酸硫酸铝絮凝剂是一种同时具有电中和作用和吸附架桥能力的阳离子无机高分子絮凝剂[1],作为一种新型的无机高分子水处理剂,其絮凝能力比起最初的硫酸铝、聚合铝有了很大的提高,用量更少,除可用于处理各种污水外,还可用于处理饮用水,处理后残余铝含量低,尤其在低温低浊水处理中,具有很高的除浊效率[2-4],近年来成为国内外絮凝剂的研究热点之一[5]。

目前,利用膨润土的吸附性能,将其应用于各种废水处理已取得较大成果,但对其絮凝性能的研究较少。本文以膨润土为原料制备聚硅酸硫酸铝无机高分子絮凝剂,并考察了制备条件对聚硅酸硫酸铝絮凝剂絮凝效果的影响。

1 实 验

1.1 主要仪器及试剂

WGZ-1型数字式浊度仪,上海第三光学仪器厂；UV-Vis8500紫外可见分光光度计,上海分析仪器厂。

活性艳蓝KN-R、氢氧化钠、硫酸铵、硫酸铝,均为分析纯,天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 原料及处理

采用的膨润土为辽宁黑山膨润土,属于钙基膨润土。

将硫酸铵与膨润土按m(硫酸铵)∶m(膨润土)=2.5∶1,于480 ℃热处理2 h后水溶过滤得到Al2(SO4)3溶液[6]；滤渣加NaOH溶液m(NaOH)∶m(膨润土)=7∶5在100 ℃加热反应1 h制得水玻璃。Al2(SO4)3与Na2SiO3溶液备用。

1.3 PASS的制备

将Al2(SO4)3水溶液缓慢加入Na2SiO3溶液中,滴加硫酸,并随时用pH计测量,控制所需pH。恒温搅拌,反应结束后熟化一定时间,所得即为聚硅酸硫酸铝溶液(质量分数1.5%～2.0%)。

1.4 絮凝实验

1.4.1 污水去浊实验

采用自制质量分数1%硅藻土浑浊液作为模拟水样。取100 mL模拟水样,加入定量的聚硅酸硫酸铝, 在500 r/min下快速搅拌5 min,然后在50 r/min下搅拌15 min,静止沉降30 min,取上清液测定剩余浊度,原溶液浊度定为100 NTU。

1.4.2 染料废水脱色实验

用活性艳蓝KN-R染料配成浓度为200 mg/L的水溶液,用KH2PO3/K2HPO3缓冲溶液控制pH为6.5左右,加入0.1 mol/L的Na2SO4作为支持电解质。即在一系列烧杯中加入100 mL上述废水,然后分别加入聚硅酸硫酸铝,强力搅拌1 h后静置,取上层清液在592 nm下用分光光度计测定残余染料的吸光度,计算脱色率。

2 结果与讨论

2.1 聚合pH对聚硅酸硫酸铝絮凝性能的影响

聚合pH直接影响着溶液的碱化度。而碱化度则影响聚合物中各元素的水解存在形态[7]。pH过低,具有一定碱化度的铝组分失去凝集作用,复合程度较差；当pH逐渐升高到一定值时,溶液中铝组分以低聚物为主,此时的活性最强,可同时发挥电中和与吸附架桥双重作用；当pH继续升高,铝组分水解形态逐渐变成低电荷氢氧化物凝胶,导致复合效果差。当混凝pH控制在最佳范围时,酸碱平衡达到最佳组合,则能充分发挥其絮凝效果。由图1可得,pH为4时制得的聚合硅酸硫酸铝脱色与去浊效果最佳。

2.2 硅铝比对聚硅酸硫酸铝絮凝性能的影响

由图2可知,当n(Si)/n(Al)过高或过低絮凝效果均不理想,只有在n(Si)/n(Al)为1∶1时表现出最优的絮凝效果。因为聚硅酸属阴离子型絮凝剂,它的絮凝作用是由于分子链上的阴离子活性基团与胶体微粒表面间的范德华引力和氢键作用而引起的,并不具有对水中胶体的电荷中和作用[1]。聚硅酸溶液中加入铝离子时,将改变了其电荷电位,使聚合物具有电荷中和作用。铝离子较少时,中和能力较弱,絮凝效果不明显。相反,当引入铝离子过多时,过量的铝离子附着在胶粒上,使胶粒带正电荷,胶粒和PASS阳离子絮凝剂之间发生排斥作用,不利于吸附架桥作用,絮凝效果也不好。通过实验发现只有当n(Si)/n(Al)为1∶1时,PASS才能同时发挥良好的电荷中和作用和吸附架桥作用[8],具有良好的絮凝性能。

图2 硅铝比对絮凝性能的影响

Fig.2 Effect of Al/Si mass ratio on the flocculation of PASS

2.3 聚合时间对聚硅酸硫酸铝絮凝性能的影响

由图3可知,随着聚合时间的增加,PASS对模拟废水的除浊能力与脱色效果明显的增强。当达到一个峰值后,继续增加时间,除浊能力与脱色效果反会下降。这是因为随着絮凝剂聚合时间的增加,絮凝剂聚合度与分子量增大,提高了其絮凝能力。但时间太长就会导致聚合度过高,而出现

图3 时间对絮凝性能的影响

凝胶现象,失去了絮凝活性,反而降低了絮凝效果。因此确定最佳聚合时间为1 h。

2.4 复合温度对聚硅酸硫酸铝絮凝性能的影响

由图4可以看出,不论脱色率或去浊率,均随聚合温度的升高,先增大又下降。当聚合反应温度为60 ℃时,制得聚硅酸硫酸铝的絮凝效果最好；温度继续升高,絮凝能力反而下降。这是由于温度较高硅酸聚合速度变快,发生强烈的缩聚反应,转化成为高分子硅酸凝胶,絮凝活性降低,且与铝盐配合程度变差。因此,最佳聚合温度选为60 ℃。

图4 温度对絮凝性能的影响

2.5 老化时间对聚硅酸硫酸铝絮凝性能的影响

在制备PASS过程中,控制加入阻聚物质的时间即为聚硅酸老化时间,它直接影响着PASS的絮凝性能。由于硅酸溶胶具有强烈的缩聚趋势,使得分子量不断增大,最终转化成高分子的凝胶,从而失去其絮凝活性。所以,活性硅酸不能长期放置,必须在有效的稳定期内加入铝离子阻止或延缓其缩聚。由图5可知,PASS对模拟废水的除浊脱色效果随着陈化时间的延长先增加后降低,在24 h左右,絮凝效果最明显。

图5 老化时间对絮凝性能的影响

2.6 聚硅酸硫酸铝投加量对絮凝性能的影响

由图6可见,随着投加量的增加,除浊率和脱色率都呈现先增大后减小的趋势,且当PASS的投加量为5 g/L时对模拟废水的去浊与脱色效果最好,分别达到83.3%和57.1%。这是因为PASS在絮凝过程中,因兼有铝盐的性质,随絮凝剂的增加,粒子表面电位下降直至为零,发生沉降,若絮凝剂过多则会使粒子表面电位反号,对聚沉不利。

图6 投加量对絮凝性能的影响

3 结 论

通过实验确定了以膨润土为原料,制备聚硅酸硫酸铝最佳制备工艺:物料硅铝比为1、聚合温度为60 ℃、反应时间为1 h、聚合pH为4和老化时间为24 h。以最佳工艺制备的聚合硅酸硫酸铝处理模拟水样,于投加量为5 g/L条件下,对模拟废水的脱色与去浊分别达到了57.1%和83.3%。

[1] 袁斌,吕松,袁世平,等. 聚硅硫酸铝絮凝剂的研制及性能研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2001, 33(4):562-565.

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(LIU Yi-dou, MA Hong-chao, FU Ying-huan, et al. The activation of bentonite using ammonium sulfate as activator[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2010, 29(2):116-118.)

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