基于循环经济理念下的净水剂生产实践研究

2013-10-15张希琳杨斌清

环境与可持续发展 2013年5期

张希琳杨斌清

(1.华侨大学化工学院，福建厦门 361000;2.江西理工大学应用科学学院，江西赣州 341000)

1 引言

研发既具有优良性能又安全可靠的新型絮凝剂成为水处理研究的重要课题［1］。聚硅酸作为絮凝剂助剂，具有来源广、无毒、成本低和聚合方法简单的优点，对悬浮物具有加速沉降的作用［2］。但是聚硅酸的稳定性和贮存性较差，易于形成硅酸凝胶而失去活性，在水处理中要求现配现用，这限制了它的使用。90年代初期，加拿大汉迪化学品公司以水玻璃、硫酸铝和铝酸钠为原料制备了碱式聚硅酸铝［3］。该新型絮凝剂与硫酸铝相比，在处理低温低浊原水时有矾花大、沉降速度快的优点，适用自来水原水的处理。但其制备工艺比较复杂，且SiO2含量低，聚硅酸分子的吸附架桥作用没有得到充分发挥。为此，本厂自主研发了新一代净水剂——聚硅双酸铝铁(PAFCS)。

聚硅双酸铝铁(PAFCS)，其化学式为:AlA(OH)FeB(Cl)C(SO4)D(SiOX)E(H2O)F，它是聚合硅酸硫酸铝的更新换代产品。在造纸工业中，由于它酸性小，不腐蚀设备，即可以用于中性或碱性施胶，还可以增加阳离子淀粉或碳酸钙的滞留能力，同时提供大量的填充物Al2O3和SiO2，提高纸浆白度和施胶度。在纸厂的给排水中，则可望利用其可能的静电中和和架桥卷扫作用作为低浊生产和生活用水的净化剂，及纸机白水、制浆中段废水或综合废水的混凝剂。因此，这种聚硅双酸铝铁(PAFCS)在造纸中的应用潜力极大。但除了有关聚合硅酸硫酸铝应用的零星文献之外，未见对其结构特征、结构形态、动电特性及水解特性等基础研究方面的公开报道，甚至对其应用方面的系统研究也很少。为此，本研究主要从制备聚硅双酸铝铁的原料选择、添加剂的确定、聚硅双酸铝铁结构特征以及工艺稳定性等方面进行了研究，并进行了规模化生产，产品得到用户和水处理专家好评。

2 聚硅双酸铝铁实验研究以及生产实践

2.1 实验研究

2.1.1 原料的选择对比试验

分别采用中性泡化碱进行聚合老化再加入固体硫酸铝传统工艺、稀释的硫酸以及清洗玻璃所产生的硫酸废液，再溶入计量好的三水铝石粉三种原料进行比对试验，发现采用稀释的硫酸和清洗玻璃所产生的硫酸废液作原料获得的产品，其产品性能相当，故选择清洗玻璃所产生的硫酸废液为原料，既能“变废为宝”，又使生产成本降低。

2.1.2 制备工艺氯化亚铁液体浓度的比对试验

将清洗玻璃所产生的硫酸废液，再溶入计量好的三水铝石粉，熟化后再慢慢加入一定浓度的氯化亚铁液体搅拌，分别选择了浓度为4%、6%、8%、10%四种氯化亚铁液体进行对比试验，当氯化亚铁液体浓度为8%时，产品性能稳定。

2.1.3 制备工艺流程添加剂的选择试验

慢慢加入少量8%浓度氯化亚铁液体，进入搅拌池搅拌均匀，最后加入添加剂A及添加剂B，对于添加剂A及添加剂B的选择进行了多种添加剂的对比试验，最后选定成本低、性能稳定的添加剂A及添加剂B。

2.1.4 聚硅双酸铝铁的结构特征研究

以低浊度污水为例，研究聚硅双酸铝铁中的Al、Fe、Si物质的量比对其性能的影响。不同 n(M)/n(SiO2)的聚硅酸铝铁对低浊水污水有不同的除浊效果，将 n(M)/n(SiO2)分别为0.5、1.0和1.5时的聚硅酸铝铁投入到低浊度污水中进行絮凝实验，当金属与硅的物质的量比为1.0，即 n(M)/n(SiO2)=1.0左右时，絮凝剂能取得较好的污染物絮凝效果。然后，在确定金属与硅的物质的量比定为1.0，即 n(M)/n(SiO2)=1.0时，改变AI、Fe物质的量比处理低浊水污水，将n(A1)/n(Fe)分别为2.0、3.0和4.0时的聚硅酸铝铁投入到低浊度污水中进行絮凝实验，并观察n(Al)/n(Fe)的变化对处理效果的影响，当 n(A1)/n(Fe)=3.0时，处理效果较好。当n(A1)/n(Fe)=3.0时，不同n(M)/n(SiO2)的聚硅酸铝铁对浊水有不同的除浊效果，絮凝剂n(M)/n(SiO2)=0.7～1.3时除浊效果可达 90%以上。根据实验结果最后确定聚硅双酸铝铁的结构为n(M)/n(SiO2)=0.7 ～1.3，n(A1)/n(Fe)=2.5 ～ 3.5。并依据试验结果确定生产工艺流程。

2.2 生产实践

2.2.1 生产工艺流程

在前面试验的基础上，生产聚硅双酸铝铁生产工艺流程改变以往用中性泡化碱进行聚合老化再加入固体硫酸铝的传统工艺，而采用清洗玻璃所产生的硫酸废液，再溶入计量好的三水铝石粉，熟化后再慢慢加入少量的氯化亚铁液体，搅拌均匀，最后加入添加剂A及添加剂B，生产工艺流程见图1。

图1 聚硅双酸铝铁生产工艺流程

2.2.2 产品的质量标准

按照聚硅双酸铝铁生产工艺流程，生产获得的产品质量稳定，按照产品的质量标准(见表1)进行产品的过程检验和交付产品的检验。

2.3 聚硅双酸铝铁净水效果的对比试验

经有关水处理专家检测评定，并选择具有代表性的五种混凝剂:液体聚硅双酸铝铁(PAFCS)、固体聚合氯化铝铁(PASS)、固体聚合铝、液体硫酸铝、液体硫酸铁进行净水效果的比较试验。

表1 产品的质量标准

由图2可知，各混凝剂的投加量有效成分的含量均为15mg/L时，污染物的去除率相对稳定。此时混凝处理后水的COD如表2所示。相比之下聚硅双酸铝铁(PAFCS)混凝性相对较好，其中液态的更佳，其投加量为70mg/L(有效成分的含量为7mg/L)即可达到一定的效果。

图2 混凝剂的投加量对去除污水的悬浮物的影响

由表2、图2的结果和试验观察可知:

(1)与硫酸铝相比，聚硅双酸铝铁(PAFCS)相对形成絮体快，沉淀颗粒大，沉降速度快，在投放量相同的情况下，COD去除率明显高于硫酸铝。同时，聚硅双酸铝铁(PAFCS)的混凝性明显好于硫酸铝。相比之下，硫酸铝的储存性较差，而聚硅双酸铝铁(PAFCS)PH腐蚀性小，更适于存储。

(2)与聚合氯化铝相比，在同样水利条件下，用量少。聚硅双酸铝铁(PAFCS)的平均耗药量相当于聚合氯化铝的80%左右。聚硅双酸铝铁(PAFCS)形成的絮凝体大、密实，沉淀度快，对高浊度污水具有很好的去除效果。同时，聚硅双酸铝铁(PAFCS)对PH影响小。

(3)与聚合硫酸铁相比，聚硅双酸铝铁(PAFCS)脱色能力较强。浊度去除率较强。而且无太大腐蚀性。对低浊度和高浊度的水质严重变化和脱色难的水处理难题，可达到聚合硫酸铁无法解决的净化要求。

(4)与聚合氯化铁相比，聚硅双酸铝铁(PAFCS)除净水效果好、用量低外，还具有不容易吸湿，包装、储存和运输方便的优点。同时，产品无腐蚀性，无需要另加设备进行防腐处理，人员使用也较方便。

与这些传统的水处理产品(即固体聚合氯化铝铁(PASS)、固体聚合铝、液体硫酸铝、液体硫酸铁)相比，聚硅双酸铝铁(PAFCS)使用量可大幅减少，成本投入降低。特别是对低浊度和高浊度的水质严重变化和脱色难的水处理难题，可以实现传统净水剂无法达到的净化要求。同时，聚硅双酸铝铁(PAFCS)在与有机高分子絮凝剂复合使用效果也好于传统水处理产品:聚硅双酸铝铁(PAFCS)在与有机高分子絮凝剂复合使用时，不仅用量减少、产生的污泥量减少，而且沉淀颗粒大、凝聚速度快，对污染物的去除率更高、剩余悬浮物及总磷都相对降低。