聚硅酸铝铁处理皂素废水的实验研究

李 琛，王康萍，吴 雷

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西 汉中 723001）

皂素是生产甾体激素类药物的重要医药化工原料, 皂素的提取工艺会产生大量高浓度、高色度的酸性废水[1]，具有可生化性差、糖分含量高、污染负荷重、处理难度大等特点。皂素生产是陕南地区的重要产业之一，会产生大量的皂素废水。据统计，生产1t皂素所产生的废水高达500~1000m3[2]，对环境造成严重的污染。而陕南是南水北调中线工程的水源地，因此，对皂素生产废水的治理关系到水源地水质安全和生态环境的保护[3]。

聚硅酸铝铁是近年来发展起来的一类新型的无机高分子絮凝剂，用于废水处理时，与常规的絮凝剂相比[4~5]具有制备工艺简单、价格低廉、处理效果高、矾花大、沉降速度快、污泥体积小、脱色和破乳效果较好等特点，具有广泛的应用前景。本文探讨了聚硅酸铝铁处理皂素废水的影响因素，找出最佳处理条件。

1 实验部分

1.1 主要的试剂与仪器

硅酸钠，硫酸铁，硫酸铝，氢氧化钠，硫酸等(均为分析纯)。

电热恒温水浴锅，JJ-4六联搅拌器，101-1型电热鼓吹干燥箱，754型分光光度计。

1.2 聚硅酸铝铁的制备

以硫酸铁、硫酸铝、硅酸钠为原料, 对影响聚硅酸铝铁絮凝性能的诸因素进行了研究, 制备出了高效的聚硅酸铝铁无机高分子絮凝剂。聚硅酸铝铁无机高分子絮凝剂的最佳制备条件为：Fe/Al/SiO2摩尔比为 1∶1∶1，pH 为6，浓度为50mg·L-1。具体制备条件如下：

（1）将6.4%的硅酸钠溶液用20%的硫酸调节pH值到6，在此期间用玻璃棒迅速搅拌，最终形成硅酸胶体，颜色微微发蓝（切记不能使其冻结），静置30min。

（2）称取一定量的硫酸铁和硫酸铝分别溶解，然后调节pH到6，静置一段时间。

（3）将（2）中的硫酸铝溶液和硫酸铁溶液同时加到（1）中所制的硅酸溶液中，搅拌使之混合均匀，然后放入水浴锅中，在60℃下熟化3h。

1.3 聚硅酸铝铁处理皂素废水

皂素废水取自汉中市某皂素生产厂，废水呈深褐色，pH 值约为 1，CODCr为 43400mg·L-1。

实验时取50mL皂素废水若干份，用氢氧化钠调节pH值，投加一定量的吸附剂，用一定的搅拌速度搅拌一定的时间，静置取上层清液测定其CODCr和吸光度。

实验对絮凝剂投加量、pH值和搅拌时间3个反应条件进行单因素实验和正交实验，找出各反应条件的最佳值。

1.4 皂素废水脱色率计算公式

文中色度用溶液的吸光度值表示。皂素废水脱色率计算公式如式（1）：

式中：A0—皂素废水脱色前的吸光度；

A—皂素废水脱色后的吸光度。

1.5 皂素废水中COD Cr 的下降率计算公式

CODCr的测定采用重铬酸钾法[6]。皂素废水中CODCr的下降率计算公式如式（2）：

式中：E—CODCr下降率；

C0—吸附前溶液中CODCr的浓度，mg·L-1；

C1—吸附平衡后溶液中CODCr的浓度，mg·L-1。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

（1）投加量对絮凝效果的影响

准确量取50mL皂素废水5份，依次放入5个洁净干燥的烧杯中，分别加入0.5mL，1.0mL，1.5mL，2.0mL，2.5mL聚硅酸铝铁，调节体系pH值为7.0，在室温下以200r·min-1的转速搅拌30min，取上清液测定CODCr和色度，考察聚硅酸铝铁用量对CODCr和色度下降率的影响，结果见图1。当聚硅酸铝铁投加量超过1mL时，增加投加量会抑制CODCr和色度的去除。

图1 聚硅酸铝铁投加量对去除效率的影响

（2）溶液pH值对絮凝效果的影响

准确量取50mL皂素废水5份，依次放入5个洁净干燥的烧杯中，分别调节pH值为5.0、6.0、7.0、8.0和9.0后，各自加入1mL聚硅酸铝铁，在室温下以200r·min-1的转速搅拌30min，取上清液测定CODCr和色度，考察溶液pH对CODCr和色度下降率的影响，结果见图2。可以看出，偏碱性条件更有利于CODCr和色度的去除。

（3）吸附时间对絮凝效果的影响

准确量取50mL皂素废水5份，依次放入5个洁净干燥的烧杯中，分别调节pH值为8.0，各自加入1mL聚硅酸铝铁，在室温下以200r·min-1的转速分别搅拌 15 min、30 min、45 min、60 min、75min，取上清液测定CODCr和色度，考察溶液吸附时间对CODCr和色度下降率的影响，结果见图3。搅拌时间在30~60min，CODCr和色度的去除效果较好。

图2 pH对去除效率的影响

图3 吸附时间对去除效率的影响

由图1、图2和图3的单因素实验结果可以看出，单一实验条件的控制对色度的去除效率很高，但对CODCr的去除效果不太好。

2.2 正交实验

依据单因素实验结果分别对pH值、聚硅酸铝铁的投加量和吸附时间3个因素取3个水平，套用L9(33)正交表，以CODCr和色度去除率为考察对象，通过极差分析找出处理废水的最佳方案。正交实验分析结果如表1所示。

由表1可知,根据k值确定的去除皂素废水中CODCr和浊度的最佳实验条件为：聚硅酸铝铁的投加量为20mL·L-1，pH值为8，吸附时间为45min。根据R值可知搅拌时间对去除率的影响程度较小，投加量影响最大，pH值影响居中。

表1 L9(33)正交实验分析结果

3 结论

（1） 正交实验得出絮凝的最优条件：聚硅酸铝铁投加量为20 mL·L-1，pH为7~8，搅拌时间为45min，此时，CODCr和色度的下降率分别为68.76%和97.31%。聚硅酸铝铁的投加量和pH值是影响处理效果的关键因素。

（2）聚硅酸铝铁混凝剂在皂素废水处理方面具有可行性。

[1] 葛红光，郭小华，李丽华，等.皂素废水化学预处理研究[J].化学工程师，2006（4）：17-18.

[2] 吕嘉枥，谭新敏.黄姜生产皂素废水综合利用研究进展[J].水处理技术，2008，34（1）：19-21.

[3] 张涛，王燕，任昭，等.三种絮凝剂对皂素废水的处理效果研究[J].科技信息，2010（1）：384-385.

[4] 严瑞宣.水处理剂应用手册[M].北京：化学工业出版社，2003.47-48.

[5] 张育新，康勇.絮凝剂的研究现状及发展趋势[J].化工进展，2002，21（11）：799-804.

[6] 奚旦立，张裕生，刘秀英.环境监测[M].北京：高等教育出版社，2004.83-562.