高效絮凝剂的制备及其对印染废水的处理

焦晨曦，郭雅妮，王丽贤，周明，念宁

(1西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048;2.西安市环境保护局长安分局，陕西西安710100; 3.中石化西安分公司，陕西西安710086)

高效絮凝剂的制备及其对印染废水的处理

焦晨曦1，郭雅妮1，王丽贤1，周明2，念宁3

(1西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048;2.西安市环境保护局长安分局，陕西西安710100; 3.中石化西安分公司，陕西西安710086)

利用硅酸钠、硫酸铝、硫酸锌和硼砂为原料制得高效絮凝剂PSZBAS.分析不同影响因素对PSZBAS絮凝性能的影响.确定了最佳制备工艺条件：硅酸聚合pH=3，硅酸聚合时间为45min，n (B)∶n(Si)=0.125，n(Al)∶n(Si)=2，n(Zn)∶n(Si)=1，模拟废水处理的絮凝剂投加量= 10mL/L.实验表明，用PSZBAS处理实际印染废水，电中和能力和吸附架桥能力强，絮凝效果较好，最佳投加量为25mL/L.

絮凝剂;含硼聚硅酸铝锌;脱色率;除浊率

聚硅酸盐是一类新型无机高分子絮凝剂［1-3］，该类絮凝剂同时具有电中和及吸附架桥作用［4-5］.其中聚硅酸铝锌既有硫酸铝、硫酸锌无机混凝剂的电中和作用，又具有聚硅酸絮凝剂的优点，但仍存在稳定性较差的不足.含硼聚硅酸硫酸铝锌(PSZBAS)是在聚硅酸铝的基础上引入硫酸锌和稳定助剂——硼砂，制备出的一种新型絮凝剂.该絮凝剂在混凝过程中可同时发生电中和、吸附架桥和网捕等3种功能，具有良好的絮凝效果，并且由于金属盐、稳定剂和聚硅酸的吸附络合作用，具有较好的稳定性［6-8］.

因此，本文以硫酸铝、硫酸锌、硅酸钠、硼砂为原料制备一种含硼聚硅酸硫酸铝锌，以期在较难处理的印染废水脱色处理中发挥其优势.

1 实验

1.1 仪器和试剂

1.1.1 仪器JJ-4型六连同步电动搅拌机，PHSJ-4A型实验室pH计，ESJ120-4型电子天平，V-1100型可见分光光度计，KQ5200DE型数控超声波清洗器，UV-2450型紫外分光光度计.

1.1.2 试剂硅酸钠，硫酸，硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O，氢氧化钠，硫酸锌，硼砂，活性蓝P-3R，活性艳红K-2BP，高岭土.

1.2 含硼聚硅酸铝锌制备

配制一定浓度的硅酸钠溶液，用稀硫酸和氢氧化钠调节到适宜的pH，聚合一段时间后加入一定浓度的Al2(SO4)3、ZnSO4和硼砂溶液，搅拌混合一段时间，放置陈化数小时后，即可得到PSZBAS絮凝剂.

1.3 絮凝效果实验

(1)取200mL质量浓度为50mg/L的模拟印染废水，加入一定量的PSZBAS，快速搅拌(230r/min) 2min，再慢搅(90r/min)8min，静置20min取上清液.在染料最大吸收波长下，采用分光光度法测定色度，用浊度仪测定水样浊度.

(2)计算.

其中A2为处理后的吸光度;A1为处理前的吸光度.

2 结果与讨论

2.1 pH对硅酸聚合反应的影响

在PSZBAS的制备过程中，活化硅酸钠是关键的一步.不同的pH条件下硅酸活化速率差别很大，因此改变硅酸活化的pH分别为1.5，2，4，6，8.研究pH对硅酸凝胶时间的影响.结果表明，硅酸活化pH与凝胶时间有以下特点：(1)硅酸在pH＜5.8条件下，硅酸的聚合反应速度随聚合初期的pH升高而增大，酸性越弱，聚合反应速度越快;(2)硅酸聚合时，pH为5.8～7.8时硅酸迅速凝胶，其凝胶时间仅为1～2min; (3)在pH＞7.8时，因为溶液中存在极少的H+，硅酸钠很少发生聚合反应，凝胶的速度也较慢［9］.因此，在制备活化硅酸时，pH在2～4时效果较好，最佳pH为3.

2.2 硅酸钠浓度对絮凝效果的影响

改变硅酸钠浓度分别为0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7mol/L，研究硅酸钠浓度对处理效果的影响如图1所示.由图1可知，当其他反应条件相同时，随着硅酸钠浓度的提高，硅酸聚合反应速度加快，聚合程度也越高，该絮凝剂的絮凝效果也越好.这主要是因为高聚合度的聚硅酸拥有较强的吸附架桥能力.但当硅酸钠浓度太高时，该絮凝剂的絮凝效果和稳定性有所下降;若硅酸钠浓度过低，硅酸聚合反应速度较慢不利于实际操作.因此，硅酸钠浓度为0.6mol/L最佳.

图2 硼硅摩尔比对PSZBAS絮凝效果的影响

图1 硅酸钠浓度对PSZBAS絮凝效果的影响

2.3 B/Si摩尔比对絮凝效果的影响

向废水中投加等量的不同硼硅摩尔比的PSZBAS，硼硅摩尔比对PSZBAS性能的影响如图2所示.由图2可以看出，B/Si摩尔比对处理效果的影响很大.当n(B)/n(Si)＜0.125时处理效果随摩尔比的增加而增强，而大于0.125后处理效果反而下降，所以最佳n(B)/n(Si)=0.125.这是因为硼砂加入到强酸性溶液中后，B4变成了B(OH)3，B(OH)3不但和聚硅酸胶粒表面上的硅羟基进行配位，而且还与Al(Ⅲ)，Zn(Ⅱ)水解形成的多核羟基络合物中的羟基进行反应［10-11］，使分子聚合度变大，吸附架桥作用加强，但铝盐和锌盐的电中和能力下降，只有Al/Si、Zn/Si、B/Si摩尔比合适时，综合效果最好，处理效果也最好.

2.4 锌硅摩尔比对絮凝效果的影响

絮凝剂中不同的锌含量直接影响3种硅的分布［12］，从而影响絮凝效果［13-14］.不同Zn/Si摩尔比对PSZBAS絮凝性能的影响如图3所示.由图3可以看出，当Zn/Si摩尔比小于1时随着Zn/Si摩尔比的增大，絮凝剂脱色率和除浊率逐渐提高，当Zn/Si摩尔比为1时，去除效果达到最大.这是因为随着Zn/Si摩尔比的增加，絮凝剂形成链网状结构的倾向较大，便增强了絮凝剂的性能.随着Zn/Si摩尔比的继续增大，脱色率和除浊率逐渐会降低.

图4 铝硅摩尔比对PSZBAS絮凝效果的影响

2.5 铝硅摩尔比对絮凝效果的影响

图3 锌硅摩尔比对PSZBAS絮凝效果的影响

絮凝剂中铝的含量对絮凝剂的效果有较大的影响，当絮凝剂中铝离子较少时，它的电中和能力较弱;而当絮凝剂中含有过多的铝离子时，大量的铝离子容易吸附在污水中带负电的胶粒表面使其带正电荷，与絮凝剂之间发生排斥作用不利于絮凝剂对胶粒的吸附架桥及网捕作用，同样会使絮凝剂效果降低［15］.图4为铝硅摩尔比对PSZBAS絮疑效果的影响，从图4可以看出，Al/Si摩尔比为2时絮凝剂的脱色效果最好，脱色率在66%以上，除浊效果也较好，除浊率＞99%.故选用Al/Si摩尔比为2最佳.

2.6 硅酸聚合时间比对絮凝效果的影响

改变硅酸聚合时间，制备不同聚合时间的絮凝剂，并对絮凝效果进行比较，结果表明，硅酸聚合时间对PSZBAS的脱色、除浊效果影响不大，尤其是除浊率，基本都在99%左右;当硅酸聚合时间达到85min后，脱色率略有上升，均能达到66%以上.因此，选择硅酸聚合时间为85min为宜.

2.7 PSZBAS絮凝剂适用的pH

改变水样的pH值(用硫酸和氢氧化钠调节)，在不同pH的水样中投加一定量的PSZBAS絮凝剂，絮凝效果如图5所示.由图5可以看出，随着pH的增大，处理效果明显增强.在pH为12时，PSZBAS絮凝效果最好，而对于酸性和中性的处理效果不是很好，故选择水样pH为12.

图5 不同pH水样的絮凝效果响

图6 絮凝剂加入量对絮凝效果的影

2.8 絮凝实验

取200mL活性艳红、活性蓝和咸阳市某厂实际印染废水进行絮凝实验.絮凝剂投加量对色度去除率的影响如图6所示.从图6可以看出，对于模拟的印染废水随着絮凝剂加入量的增加，去除效果也随着增强.但是当絮凝剂投加量大于2mL/200mL废水时絮凝效果的增加不是很明显.当投加量大于3mL/200mL废水时，絮凝效果略有下降.因此，在本实验中对于模拟印染废水，PSZBAS絮凝剂的最佳投加量为10mL/ L.相比之下，PSZBAS絮凝剂对活性蓝染料的去除效果要比活性艳红好.而对于实际印染废水，PSZBAS的絮凝剂的最佳投加量为25mL/L.

3 结论

(1)制备PSZBAS的最佳工艺条件为：二氧化硅的浓度为0.6mol/L，硅酸聚合时间为85min，硅酸聚合pH为3.0，n(B)∶n(Si)=0.125，n(Zn)∶n(Si)=1.0，n(Al)∶n(Si)=2.0，对于模拟印染废水絮凝剂的最佳加入量为10mL/L.

(2)模拟废水水样的pH=12，PSZBAS加入量为10mL/L时，废水的除浊率和脱色率分别达到99%和66%以上.而对实际印染废水，PSZBAS加入量为25mL/L时，废水的脱色率达到87%以上.

(3)PSZBAS絮凝剂处理单一染料配制的模拟废水时，相同浓度条件下，对活性蓝模拟废水去除效果优于活性艳红模拟废水.

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Study on the preparation of PolySilicate-Aluminum-Sulphate-Zinc containing Boron flocculants and dyeing wastewater treatment

JIAO Chen-xi1，GUO Ya-ni1，WANG Li-xian1，ZHOU Ming2，NIAN Ning3

(1.School of Environmental and Chemical Engineering，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China; 2.Changan District，Environmental Protection Bureau of Xi'an City，Xi'an 710100，China; 3.Xi'an Branch，Company of China Petroleum＆Chemical Corporation，Xi'an 710086，China)

The PolySilicate-Aluminum-Sulphate-Zinc containing Boron(PSZBAS)was prepared through sodium silicate，aluminum sulfate，zinc sulfate and borax as the raw materials.The various factors on PSZBAS flocculation performance were examined.The optimal preparation condition was the silicate polymerization pH=3，polymerization time was 45min，n(B)∶n(Si)=0.125，n(Al)∶n(Si)=2，n(Zn)∶n(Si)=1 and the flocculant dosage for simulated wastewater is 10mL/L.The experiments showed the actual dyeing wastewater treatment effect was better because of PSZBAS with charge neutralization capacity and adsorption bridging ability.The flocculant dosage for actual dyeing wastewater was 25mL/L.

flocculant;Polysilicate Aluminum Sulphate Zinc containing Boron;decolorization rate;turbidity removal rate

X 703.5

A

1674-649X(2014)01-0064-04

编辑：田莉;校对：孟超

2013-11-07

陕西省科技厅工业攻关项目(2009K06-27)

郭雅妮(1972-)，女，陕西省洛南县人，西安工程大学教授，硕士.E-mail：guoyani2002@163.com