聚硅酸铝铁絮凝剂的研究进展

陈 晶，李 莉

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 16300）

聚硅酸铝铁絮凝剂的研究进展

陈 晶，李 莉

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 16300）

聚硅酸铝铁(PSAF)作为一种新型无机高分子絮凝剂，在除浊、脱色以及去除有机物方面具有优越的性能。文献报道的浊度、色度以及有机物的最高去除率可分别达97%、98%、87%。控制PSAF性能及稳定性的关键因素是Al/Fe/Si的摩尔比、硅酸浓度、碱化度、熟化时间等；同时, PSAF的絮凝效果还受水体参数的影响。介绍了PSAF的制备、絮凝效果及其影响因素，最后简要概括了当前研究存在的问题。

聚硅酸铝铁；絮凝剂；无机高分子絮凝剂

1 概 述

絮凝技术是水处理中不可或缺的前置单元操作之一，也是水处理中应用最普遍的单元操作之一。在水处理中，絮凝技术对除去水中固体悬浮物以及NOM（天然有机物）起着重要作用，它决定整个水处理中的工艺、水质以及成本。在水处理中，絮凝剂的选择对絮凝效果有着直接的影响。现在所用的无机絮凝剂主要包括传统的铝盐、铁盐以及以铝盐、铁盐为基础，在其中引入Cl-、SO42-、SiO32-等阴离子的一种或几种得到的复合型无机高分子絮凝剂。目前的研究主要集中在聚硅酸金属盐类絮凝剂上。铝盐和铁盐絮凝剂是目前市场上两大主流絮凝剂产品，都有各自的优缺点，如铁盐絮凝剂残余色度高，铝盐絮凝剂絮体松软以及残余铝含量超标等问题。于是，聚硅酸铝铁成为热门的絮凝剂研究目标。

2 PSAF的制备

聚硅酸铝铁是向聚硅酸中引入Fe3+和Al3+制备而来的聚硅酸金属盐类聚合物。目前，实验室一般使用纯度较高的药品制得。在工业上，聚硅酸铝铁的生产原料来源较为广泛，包括铝铁矿石以及从工业废料中提取]。常用的制备方法有两种：共聚法和复合法。两者最大的区别在于是否已将金属盐聚合，再将其加入到聚硅酸中[1]。

2.1 共聚法

首先是将稀释后的酸加入到一定浓度的水玻璃(Na2SiO3)溶液中，将其pH调节到某一数值，在此条件下放置一段时间使其聚合，得到一定聚合程度的聚硅酸，然后向其中引入 Al3+和 Fe3+，加入一定浓度的碱性溶液调节其碱化度，搅拌、最后经熟化过程后得到聚硅酸铝铁样品。这种方法制取的 PSAF聚合度较高，吸附架桥作用较为明显[2]。

将铝盐和铁盐的水溶液在搅拌剪切条件下混合，进行一定程度的聚合；接着向其中加入聚硅酸，经熟化过程后得到聚硅酸铝铁[1]。这种方法制得的产品因为金属盐已发生聚合不易与硅链发生反应，导致产品的聚合度和水解度偏低[3]。但与共聚法的产品相比，其电中和作用有较大提高[2]。

3 PSAF絮凝效果及影响因素

3.1 絮凝剂絮凝效果概述

目前PSAF主要应用在污水处理方面，包括含铬废水、含油废水、含磷废水等。实验室一般使用配置水来评价PSAF对浊度、色度以及CODMn的去除效果。PSAF除了在絮凝方面具有很好的性能外,还具有缓蚀、杀菌、阻垢等多种功能。结合目前的研究结果，PSAF对水体的适用范围广，对水体的各项指标参数均有较好的处理效果。

3.2 PSAF自身参数对絮凝效果的影响

3.2.1 Al/Fe/Si 摩尔比

对于Al/Fe/Si的摩尔比，理想情况是，在增加絮凝剂的分子量和提高絮凝剂的絮凝效果之间找到Al/Fe/Si 摩尔比的最佳配置比，充分发挥各元素的作用。

聚硅酸主要依靠表面羟基来吸附胶体粒子，随着聚合反应的进行，硅酸的分子量增大，聚合度增大，增强了吸附架桥能力，形成的絮体大且易沉降，处理效果较好。将活化后的硅酸作为助凝剂出低温低浊水效果较好。特别是将活化硅酸作为铝盐的助凝剂使用，对低温低浊水的处理有特效[3]。因为硅酸在中性条件下稳定性极差，所以虽然硅酸分子能够提高PSAF的分子量，增加产品的吸附架桥能力，但是产品中硅酸的含量仍然不能过高。

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向聚硅酸中引入 Fe3+可以增强其电中和能力，同时铁盐絮凝剂形成的絮体密实、沉降速度快，但铁盐絮凝剂也存在絮体较小、水中残余色度较高等问题[4]。在制备过程中，Fe的聚合度有高有低，但在实际絮凝过程中，是中间形态的Fe的多羟基络合物在起主要作用，在聚合过程中，需要控制Fe的聚合态。同时，Fe的含量过高，会造成样品稳定性下降等问题。

铝盐絮凝剂对高浊水、低浊水、高色度以及低温水都具有较好的絮凝效果。向聚硅酸中引入铝盐，聚硅酸与铝盐的水解产物相互作用，生成更大的水解络合物，具有一定的电中和能力和吸附架桥能力，提高了色度的去除率，但是单独使用铝盐絮凝剂形成的絮体松散易碎，不易处理。另外，单独使用铝盐絮凝剂，水体中的残余铝含量较高，具有生物毒性的，与硅酸盐作用后，能将这种毒性降低[5]。

高宝玉等[6,7]利用 PSAF处理高岭土模拟水样Al/Fe=10∶3，（Al+Fe）/Si=13∶2时，浊度去除率最高。谢娟[8]通过对某河流河水的处理发现，Al/Fe/Si= 1:1:2时，处理效果最为理想。可见对不同的水质，需要不同的Al/Fe/Si摩尔比。同时，即使具有相同的Al/Fe/Si摩尔比，其他参数不同，也会产生不同的效果。

3.2.2 碱化度

碱化度是衡量产品碱化程度的一项特征参数，其化学定义为PSAF中OH-与Al3+、Fe3+的总摩尔数之比，即 B=[OH]/[Al+Fe]。一般来说，碱化度越高，PSAF对水体的浊度去除率越高，原因是在OH-浓度大的环境下，PSAF的聚合反应较为活跃，产品的聚合度更大，使得絮凝剂的吸附架桥和网捕卷扫能力有大幅度提升。但是碱化度过高，会生成铝、铁的水解聚合大分子，降低PSAF的稳定性，导致“挂壁”以及沉淀分层现象的出现[9]。

3.2.3 熟化时间

熟化时间分别为24 h、3 d、5 d的样品对浊度和 CODMn 的去除率相差不大[10]。但过长的熟化过程会使得PSAF的絮凝性能显著下降，出现“挂壁”现象，这是由于熟化过程中聚硅酸持续聚合以及生成更多的铝铁的水解聚合大分子，一定程度上使得产品的电中和以及吸附架桥能力降低，最终导致产品性能下降[8]。

3.2.4 用量

由于PSAF的生产工艺、生产原料、实际生产条件以及水体水质参数差异较大，使得文献中得出的药品的最佳投加量无法比较。但大量文献都印证了产品对水体的处理效果随着投加量的增加呈现出先增强后减弱的趋势，原因是粒子表面活性会随着投加量的过量而减弱，絮凝效果下降。马同森[11]使用PSAF处理印染废水，在投加量为40 mg/L时，浊度去除率和色度去除率分别为 49.5%和45.3%，当投加量为100 mg/L，浊度去除率和色度去除率分别提升98.3%和 85.0%，继续提高投加量，水体的处理效果开始变差。Qiu等[12]利用PSAF处理印钞废水,在投加量为30.33 g/L时，色度的去除率可达到98%，继续提高药品投加量处理效果则无明显提升。

3.2.5 水体pH对PSAF絮凝效果的影响

随着水体pH的升高，PSAF对浊度的去处率呈现出先增大后减小的趋势，水体pH在一定范围内，PSAF均具有较好的处理效果。原因是制备过程中进行的预水解降低了 PSAF进入水体后的水解反应，使得PSAF对水体pH具有更广泛的适应性。王晓莉等[13]通过试验发现，在一定范围内 PSAF的絮凝效果受水体pH影响较小。 但是，当水体pH较低时，PSAF的絮凝效果有明显下降。水体pH对传统的无机盐类絮凝剂的效果影响较大。例如，未经预水解的Al盐或Fe盐絮凝剂在pH=6左对NOM具有最佳的去除效果，所以当水体pH偏高时，絮凝剂需进行预酸化[14]。Canizares等[15]研究发现向水体中投加传统无机盐类絮凝剂会降低水体pH，最终导致水体处理效果不理想。

3.2.6 水体温度对PSAF絮凝效果的影响

水体温度是一系列絮凝过程的重要控制因素。由于絮凝剂的水解是吸热反应，所以适当的提高水体温度可以提高絮凝效果。如把温度在 20℃时，COD的去除率为85%，将温度提高到45℃, COD去除率提高到90%[16]。

4 PSAF的絮凝机理

聚硅酸带负电荷，属阴离子型无机高分子物质。向聚硅酸中引入Al3+、Fe3+，Al3+、Fe3+的水解产物起到桥连作用，使得聚硅酸所带电荷由负变正，PSAF对水中胶粒有电中和作用，形成较稳定的絮体[17]。加入聚硅酸使得PSAF的分子量增大，絮凝剂的吸附架桥能力得到提升。形成大颗粒后, PSAF的网捕卷扫作用较为突出。特别是在悬浮颗粒物浓度较大的水体中，聚合硅酸的网捕卷扫作用对浊度去除率的提升有较大作用。

5 结论与展望

作为一种新型无机高分子絮凝剂的 PSAF，具有生产原料来源广泛、生产工艺简单、适用范围广、价格低廉等优点，还具有缓蚀、杀菌消毒、阻垢等功能，同时PSAF对水体各项指标的处理效果明显尤其其它类型无机絮凝剂。但是，目前对PSAF的研究还存在一些问题：

（1）由于原料来源较多，水体水质情况复杂，使得不同的研究结果不具有可比性。

（2）目前制备的 PSAF存在有效成分含量偏低、稳定性差、合成过程并非完全可控等问题，同时对产品制备过程中的控制参数缺乏深入研究。

（3）PSAF在实际污水处理过程中取得良好的效果，但是在Al3+、Fe3+与硅酸的作用机理、产品中铝铁的形态分布以及产品形貌等方面，还缺乏系统而深入的研究，也制约PSAF的进一步发展。

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Research Progress of Poly Silicate Aluminium Ferric Flocculant(PSAF)

CHEN Jing，LI Li
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

As a new kind of inorganic polymeric flocculant(IPF), poly silicate aluminium ferric flocculant(PSAF) has superior performance in turbidity removal, decolorization and organic matter removal. According to literatures, the maximum rates of turbidity, chrominance and organic matter are up to 97%, 98% and 87% respectively.The key points to control the performance and stability of PSAF are the mole ratio of Al/Fe/Si，silicate concentration， the alkalization degree and curing time. Meanwhile, the performance and stability of PSAF can be also affected by the water quality. In this paper, preparation of PSAF was introduced as well as its flocculation effect and influencing factors, finally the problems existing in the current study were summed up.

poly silicate aluminium ferric; flocculant；inorganic polymer flocculant

TQ 325

A

1671-0460（2016）11-2678-03

2016-10-30

陈晶（1991-），女，黑龙江省大庆市人，硕士研究生在读，东北石油大学化学工程与技术专业，研究方向：水处理。E-m ail：chenjing19921214@126.com。

李莉（1972-），女，副教授，博士，研究方向：油田水处理。E-m ail：liltytm s@nepu.edu.cn。