黄磷炉渣制污水絮凝剂及其应用研究*

马潇闪，张 琼，李国斌，苏 毅

(昆明理工大学 化工学院，云南 昆明 650500)

絮凝剂是处理各种污水的一种重要水处理剂，可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂2大类，其中无机絮凝剂又包括无机凝聚剂和无机高分子絮凝剂；无机高分子絮凝剂由于具有毒副性较小，价格便宜，电中和能力强，用量小，絮凝能力强等优点，广泛应用于各种污水处理领域。

活化硅酸是一种带负电荷的无机高分子絮凝剂，通常采用中和法即水玻璃(主要成分为硅酸钠)加酸活化而成，游离出来的中性SiO2(以H4SiO4形式存在)逐渐缩聚，经羟基和氧基桥联形成阴离子型的无机高分子[1-3]，净水中起作用的是活化过程中某一阶段的中间产物聚硅酸，其分子结构中含有很多羟基，利用这些羟基的氢键作用吸附溶液中污染物分子，从而达到絮凝的效果[4-5]。实验以黄磷炉渣为原料，硝酸为浸取剂，通过正交实验设计确定制备活化硅酸处理云南滇池水絮凝效果的最佳条件，并测定絮凝处理后的浊度和COD去除率。

1 实验部分

1.1 实验仪器

HH-S4数显恒温水浴锅：江苏省金坛市晶玻实验仪器厂；精密电动搅拌器：江苏省金坛市大地自动化仪器厂；85-2恒温磁力搅拌器：常州澳华仪器有限公司；721B型分光光度计：上海第三分析仪器厂生产。

1.2 实验药品及原料

黄磷炉渣取自云南澄江磷化学工业公司，主要成分见表1[6-7]；硝酸：分析纯，重庆川东化工(集团)有限公司化工试剂厂。

表1 黄磷炉渣的化学成分

水样取自云南滇池呈贡区，外观呈黄绿色、原水温度约20 ℃、pH≈6.4、水质浊度约93.76度、COD≈80.36 mg/L。

1.3 实验方法

1.3.1 活化硅酸的合成

将20g黄磷炉渣加到质量分数10%～35%的硝酸溶液中，在20～95 ℃的水浴锅中以350 r/min的搅拌速度反应10～110 min，保持液固质量比在10∶1～35∶1，控制反应终点物料pH=1～2，反应完成后，再将物料在50 ℃下恒温静置活化1.5 h，即得灰色粘稠状聚合活化硅酸液体。

1.3.2 絮凝实验

取滇池污染水样200 mL，加入10 mL活化硅酸，在恒温磁力搅拌器上先快速搅拌1 min(约300 r/min)，然后中速搅拌1 min(约120 r/min)，再慢速搅拌10 min(约50 r/min)，最后静置30 min后，在液下1.5 cm处取清液测定浊度和COD。

1.4 检测方法

浊度采用分光光度法(GB13200—91)测定，COD采用重铬酸钾法(GB11914—89)测定。

2 结果与讨论

2.1 正交实验

探索实验表明，浸取温度、浸取时间、液固质量比和w(HNO3)对活化硅酸处理滇池污染水的絮凝效果影响明显，选取这4个因素进行正交实验，各因素取4水平，以浊度和COD去除率为指标且指标越大越好。因此，选用L16(45)正交表，因素水平确定见表2，实验方案和实验结果见表3，极差分析结果见表4。

表2 L16(45)正交实验因素水平表

表3 L16(45)正交实验结果

表4 L16(45)正交实验结果极差分析

续表

2.2 结果分析

从表4可知，影响浊度去除率的因素依次为：D>A>C>B，优方案为D3A4C4B4；影响COD去除率的因素依次为：D>B>A>C，优方案为D1B3A3C4。

由上述分析可知，各因素对不同指标的影响程度不同，为了得到同时影响2项指标的优方案，采用综合平衡法寻找实验优方案，具体分析如下。

因素A：对于浊度去除率指标，因素A是第2影响因素，而在COD去除率指标中为第3影响因素，综合考虑，选取A4。

因素B：因素B在浊度去除率指标中为第4影响因素，在COD去除率指标中是第2影响因素，综合平衡选取B3。

因素C：对于浊度去除率指标，因素C是第3影响因素，在COD去除率指标中为第4影响因素，且可以认为均为次要影响因素，综合平衡选取C4。

因素D：对于考察的2个指标，因素D都是主要影响因素，但优水平不相同，浊度去除率指标为D3，COD去除率指标为D1，综合考虑实验处理成本及操作安全性等因素，平衡后选取D3。

所以，通过综合平衡法可以得出最终的优方案为A4B3C4D3，即合成温度70 ℃，合成时间70 min，液固质量比18∶1，w(HNO3)=15%。

2.3 验证性实验

为确证该工艺的优劣和稳定性，根据所筛选的最佳条件验证3组实验，结果见表5。

表5 验证实验结果

由表5可知，在优方案A4B3C4D3下，验证实验表明，所筛选的制备工艺条件基本稳定,实验结果重现性很好，浊度去除率和COD去除率分别达98%和75%。

3 结 论

(1) 以黄磷炉渣为硅源，硝酸为浸取剂，经分解、聚合、活化可制得灰色粘稠状的无机高分子活化硅酸絮凝剂，既充分利用了黄磷炉渣，又显著降低了活化硅酸絮凝剂的生产成本，具有良好的经济效益和社会效益。

(2) 通过正交实验设计，运用极差分析方法确定制取活化硅酸的最优条件为：浸取温度70 ℃，浸取时间70 min，液固比18∶1，w(HNO3)=15%，并精确地估计各因素对实验结果影响是否重要及估计了误差的大小。验证实验表明，实验结果重现性很好

(3) 制备的活化硅酸絮凝剂对云南滇池水具有较好的浊度和COD去除率，分别达98%和75%。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 潘海祥,任基成,熊珍奎.活化硅酸在低温、低浊水库水处理中的应用[J].水处理技术,2008,34(6):59-61.

[2] Weiying Xu,Baoyu Gao,Yan Wang,et al.Influences of polysilicic acid in Al13 species on floc properties and membrane fouling in coagulation/ultrafiltration hybrid process[J].Chemical Engineering Journal,2011,11(107):407-415.

[3] Shuqin Bai,Yoshihiro Okaue,Takushi Yokoyama.Depolymerization of polysilicic acid by tiron[J].Polymer Degradation and Stability,2009,6(006):1795-1799.

[4] 石键,张阳光,周海峰,等.不同温度下活性硅酸三种形态的变化特点[J].南通大学学报(自然科学版),2009,8(3):51-54.

[5] Martin Dietzel.Dissolution of silicates and the stability of polysilicic acid[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2000,64(19):3275-3281.

[6] 苏毅,李国斌,夏举佩,等.黄磷炉渣资源化的试验研究[J].矿 冶,2008,17(1):26-29.

[7] 马艳丽,苏 毅,康新颖,等.黄磷炉渣制取硫酸钙的实验研究[J].化学工程,2011,39(3)：99-102.