聚硅酸氯化铝镁的制备及絮凝性能

2013-10-12王雪娇衣守志

化工环保 2013年2期

王雪娇，衣守志

（天津科技大学材料科学与化工工程学院，天津 300457）

絮凝法是众多废水处理方法中应用广、成本低、最常用的处理方法［1］。絮凝剂的选择关系到后续水处理效果的好坏。选择合适的水处理药剂，能够降低或消除水中分散微粒的稳定性，使分散微粒凝聚成聚集体［2］。聚硅酸盐是近年发展起来的含聚硅酸与金属盐的新型无机高分子絮凝剂，聚合度高，稳定性好，具有优良的净水性能和广泛的应用范围。聚硅酸盐无机高分子絮凝剂是当前研究开发的热点，且水处理效果优于简单絮凝剂［3-4］。镁盐具有很好的辅助脱色效果，以镁盐作为混凝剂时，缓冲性和活性高，吸附能力强。在铝盐絮凝剂中加入适量镁盐可增强絮凝剂的混凝脱色性能，废水处理效果更好［5-9］。

本工作制备了复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁，并用FTIR仪和SEM对其进行了表征，考察了自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁对实际废水的处理效果。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

水玻璃：工业级，模数3.22；聚合氯化铝：工业级，Al2O3质量分数10%，盐基度40%～80%；盐酸、硫酸、氢氧化钠、硫酸镁：分析纯。

实验用废水取自天津市纪庄子污水厂，废水水质见表1。

表1 废水水质

pHS-25型数显酸度计：杭州奥立龙仪器有限公司；MY3000-6M型彩屏混凝试验搅拌仪：武汉梅宇仪器有限公司；VERTEX 70型FTIR仪：德国布鲁克光谱仪器公司；∑IGMA型SEM：德国卡尔蔡司公司；雷磁WZS-185型高浊度仪：上海精密科学仪器有限公司；MM-32790-00型COD测定仪：德国夸克公司；HQ30B型溶氧仪：美国哈希公司。

1.2 聚硅酸的制备

向52.5 g水玻璃中加入500 mL蒸馏水。在搅拌状态下，将盐酸倒入水玻璃溶液中调节pH为2，活化反应150 min，制得聚硅酸。

1.3 聚硅酸氯化铝镁的制备

按照n（硅）∶n（铝）∶n（镁）=1∶3∶1的比例在烧杯中加入聚硅酸、聚合氯化铝和硫酸镁，搅拌30 min，静置2 h以上，制得聚硅酸氯化铝镁。

1.4 絮凝实验

选用市售聚合氯化铝和自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁进行对比实验。在常温下，取100 mL废水，用稀硫酸和氢氧化钠溶液调节废水pH，在快速搅拌（150 r/min）的条件下加入絮凝剂，搅拌2 min后改为慢速搅拌（60 r/min），搅拌一段时间后静置沉降，取上清液进行测定。

1.5 分析方法

采用SEM观察自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁的形貌；采用FTIR仪测定聚硅酸氯化铝镁的FTIR谱图；按照GB 11914—1989《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》［10］测定废水COD；按照GB 7488—1987《水质五日生化需氧量（BOD5）的测定稀释与接种法》［11］测定废水BOD5；按照GB 11839—1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》［12］测定废水的TP；按照GB 11894—1989《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》［13］测定废水的TN；采用浊度仪测定废水的浊度。

2 结果与讨论

2.1 聚硅酸氯化铝镁的形貌分析

通过聚硅酸氯化铝镁的SEM照片可反映出金属盐与聚硅酸之间的相互作用以及由此带来的聚硅酸结构上的变化。聚硅酸氯化铝镁的SEM照片见图1。聚硅酸氯化铝镁是由随机取向的小单元聚集在一起形成枝杈状结构，该枝杈结构向四面八方伸展形成交联紧密的空间立体网。长链枝杈结构具有比表面积大、吸附能力强的特点，有利于桥架、网捕吸附水中的小颗粒。聚硅酸氯化铝镁在絮凝过程中具有良好的絮凝吸附特性，可通过大分子的桥联、卷扫作用将胶体和悬浮物颗粒从水中清扫下来，形成絮状沉淀。能谱分析结果表明，制备的聚硅酸氯化铝镁以聚硅酸为主干，主要由硅、氯、铝、镁、钠组成。

图1 聚硅酸氯化铝镁的SEM照片

2.2 聚硅酸氯化铝镁的FTIR分析

聚硅酸氯化铝镁的FTIR谱图见图2。由图2可见：在3 335 cm-1处的强宽吸收峰是聚硅酸氯化铝镁分子中与铝离子相连的—OH以及吸附的水分子中—OH基团的伸缩振动产生的吸收峰；1 638 cm-1为水分子变角振动吸收峰［14］；1 162 cm-1为Si—O基团伸缩振动产生的吸收峰；979 cm-1处的弱峰为Si—O—Al弯曲振动产生的吸收峰［15］。由此可见，聚铝离子及水解络合离子可与共存的聚硅酸聚合形成配位键，Si—O—Al的形成既延缓了聚硅酸的聚合速率，又增加了聚硅酸氯化铝镁的聚合度。

图2 聚硅酸氯化铝镁的FTIR谱图

2.3 聚硅酸氯化铝镁加入量对废水浊度的影响

在废水pH为2的条件下，聚硅酸氯化铝镁加入量对废水浊度的影响见图3。由图3可见：随絮凝剂加入量的增加，废水浊度降低；当聚硅酸氯化铝镁加入量达40 mg/L时，废水浊度降至5 NTU以下，低于加入聚合氯化铝的废水。由此可见，在絮凝剂加入量相同的情况下，自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁的絮凝效果优于市售聚合氯化铝。

图3 聚硅酸氯化铝镁加入量对废水浊度的影响

2.4 废水pH对废水浊度的影响

在絮凝剂加入量为40 mg/L的条件下，废水pH对废水浊度的影响见图4。由图4可见：在低废水pH条件下，絮凝效果较差；当废水pH大于3时，废水浊度降低，两种絮凝剂的絮凝效果均较好，自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁的絮凝效果略优于市售聚合氯化铝。

图4 废水pH对废水浊度的影响

2.5 废水处理效果比较

在絮凝剂加入量为40 mg/L、废水pH为3的条件下，自制聚硅酸氯化铝镁和市售聚合氯化铝对废水处理效果的比较见表2。由表2可见，自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁较传统的无机高分子絮凝剂聚合氯化铝有更好的废水去除效果，废水COD、BOD5、TP、TN、浊度的去除率均较高。

聚硅酸氯化铝镁和聚合氯化铝均是羟基配合物的中间产物。在水中铝离子经水解—聚合—沉淀反应生成一系列动力学中间产物，如单体、二聚体、聚十三铝及更高的聚合物等［16］。这些聚合物带正电，与水中带负电的颗粒物发生电中和作用，使絮团沉淀。

表2 两种絮凝剂废水处理效果的比较

聚硅酸氯化铝镁中含有相对分子质量较大的聚硅酸，聚硅酸在聚合过程中交联成网状，具有较大比表面积，并与铝水解聚合产物相互作用生成聚合度更高的铝硅聚合物，有利于聚硅酸氯化铝镁的吸附架桥和网捕作用，表现出更好的水处理效果。镁盐的加入可吸附废水中的磺酸基、羧基、氨基、羟基等阴离子基团，在去除色度、COD、TN、TP等方面具有较强的能力。两种金属盐的加入表现出了良好的协同作用。

3 结论

a）自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁，它不仅有聚硅酸的吸附架桥和网捕作用，同时具有金属铝盐的电中和作用以及镁盐的辅助脱色作用。两种金属盐的加入表现出了良好的协同作用。

b）在聚硅酸氯化铝镁加入量为40 mg/L、废水pH为3的条件下，废水COD、BOD5、TP、TN、浊度的去除率均较高。自制复合絮凝剂聚硅酸氯化铝镁较传统的无机高分子絮凝剂聚合氯化铝具有更好的废水处理效果。

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