新型水处理药剂-絮凝剂为什么添加聚硅酸铁

 2021-02-28    4287  

铁硅复合无机高分子絮凝剂近些年来,复合无机高分子 絮凝剂的研究比较集中在聚硅酸系的改性,利用具有很强的粘结聚 集能力的阴离子型絮凝剂聚硅酸,掺入可抑制或延缓硅酸胶凝作用 的某些金属离子,以提高复合絮凝剂对胶体颗粒的“架”能力。 硅铝复合型絮凝剂是比较成功的实践,但由于水中残余铝对人体健 康可能存在不良影响,加上铁系絮凝剂使用上的优点,许多研究者 就越来越倾向于研制开发铁硅复合型无机高分子絮凝剂

①聚铁硅型复合絮凝剂的制备与性能 目前国内外报道的铁 硅混凝剂尽管缩写和名称有所不同,如聚硅酸铁PSFPSI). 聚合硅酸铁PFSiC)聚合硅酸硫酸铁PSFS)聚硅硫酸铁 PFSS)等,但基本上都是以活化硅酸为基础,加入铁盐后制成的 产品。一般的制备方法是:取一定量的水玻璃,用蒸僭水稀释至一 定浓度,用硫酸适当调节其酸度,并聚合一定时间后加入铁盐 (如硫酸铁、氯化铁等),完全溶解并熟化后得到液体混凝剂制品。

哈尔滨工业大学周定等在研究研制聚硅酸铁PSD混凝性能

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的各种制备条件的影响基础上,确定了制备聚硅酸铁的优化条件: 硅酸聚合度 小]=0.5Fb+与Si(>的摩尔比为1:1、熟化时间 IdpH值酸性等。用所研制的分子量40万左右的聚硅酸铁处理低 温低浊水。试验结果表明其除浊效果明显优于单独投加混凝剂 F%(S()4)3略优于Fe2(SO4)3加助凝剂改性活化硅酸(PS)认为 聚硅酸铁的适用pH值范围在5.814之间,试验过程中PSI形成 的絮体沉降性能好,其静止沉降时间仅为投加Fe2(SO4)3 +助凝剂 (PS)时的1/3。混凝过程体现了电中和、吸附架桥、沉淀网捕作 用等综合效应。

环境水化学国家重点实验室宋永会、栾兆坤等研究了聚硅硫酸 (PFSS)的混凝性能,并试验了其对煤矿洗涤水、矿井水以及 城市废水的混凝效果,简介如下。

a. PFSSFe/Si摩尔比对胶粒电性及混凝效果的影响 2-24Fe/Si摩尔比从0.25增大到1.0时,PFSS对模拟水样的混 凝除浊效果(PFSS浓度以SQmg-L 1),可以看出随Fe/Si 摩尔比的增大,PFSS混凝除浊效果明显增强。



浊效果和煤屑胶体颗粒了 (Zeta)电位变化情况。洗煤废水水样取 自某煤矿,呈浓黑色,浊度高达580NTU,不能自然澄清,pH 7.76。电泳测定结果表明,PFSS能不同程度地中和煤屑胶体颗 粒表面的负电荷。当投加量小于2.5mg-L''时,不同Fe/Si摩尔比 PFSS对煤屑胶粒电中和的程度没有明显的变化规律;大于2.5 mg-L I后,其电中和程度按Fe/Si摩尔比1.0, 0.25, 0.50的顺 序递减。这主要是由于PFSS中所含Fe‘+浓度不同,导致其与聚硅 酸相互作用而生成的水解产物及水解程度不同,造成了 PFSS电中 和能力不一样,即随FE”含量增加,电中和能力增强。

另外,由图2-25可见,PFSSFe/Si摩尔比增大,对洗煤废 水的混凝除浊效果明显增强。这说明对PFSS这类复合型混凝剂, 不能只用电中和能力大小来解释混凝效果,应视为是铁离子、聚硅 酸以及铁水解产物对洗煤废水中悬浊胶体颗粒的电中和、吸附架桥 和粘附卷扫作用和综合作用的结果。

b. PFSS, Fe2(SO4)3及聚硅酸(PSA)混凝效果的对比 PFSS Fe,(S()4)3PSA复合而成的,比较这三种药剂单独使用时对

洗煤废水的混凝除浊效果,并分别测定其絮体颗粒的了电位变化, 结果表明,PFSSFe2(SO4)3的混凝除浊效果明显好于PSA, 其在两者投加量较少时表现特别明显,而投加量较大时, Fe2(S()4)3的效果接近于PFSS;它们均能部分降低煤屑胶粒表面负 电荷(煤屑胶粒了电位为-38.54mV),且电中和程度与混凝除浊 效果基本一致,说明混凝剂在投加量少时,聚硅酸的吸附架桥作用 十分重要。

c. PFSS的稳定性 实验表明,常作助凝剂的聚硅酸易于胶 凝,浓度为20mg-mL 1 (以SiO?)的PSA30C下放置6~7d 后就转化成凝胶。PFSS中虽含有相同浓度的聚硅酸,但由于铁盐 的存在,减缓了硅酸的聚合速度,使PFSS稳定性提高。PFSS 定性与Fe/Si摩尔比密切相关,Fe/Si摩尔比太小或太大均不利于 PFSS的稳定,当Fe/Si摩尔比在1.0左右时,PFSS最稳定,浓度 20mg-mL 1PFSS可稳定40d不胶凝,降低PFSS浓度及储存 温度,稳定时间将会进一步延长。而且,胶凝后的PFSS尽管形成 的絮体较小,但仍有一定的混凝效果。

②聚铁硅型复合絮凝剂的形态分布特征环境水化学国家重 点实验室王东升等应用FerronSi-Mo两类逐时络合比色方法, 以及光子相关光谱法,直接与间接形态分析方法相结合,研究聚铁 硅型复合混凝剂形态分布特征,即聚合铁体系中的F%卩削和F% 的比例。

实验结果表明,聚合铁硅型复合混凝剂的形态分布随碱化度、 氧化硅种类与Si/Fe比的不同而有明显的差异,其中碱化度是决定 形态分布的主要因素。活性较大的氧化硅对形态分布有着更显著的 影响g随着。H/Fe比的增加,含量显著下降,而F%含量显著 上升,F%含量较少但也随着碱化度呈略为上升趋势。与聚合硫酸

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(PFS)相比,呈现岀相近的形态分布与转换趋势。在一定碱化 度条件下,引入不同形态组成的氧化硅,由于它们与Fe (ID) 生较强的络合作用,对Fe (D1)水解过程产生极大的影响,同时 也抑制了氧化硅的自聚过程。随着Si/Fe比的增加,导致F& F%含量上升,而F%含量显著下降,反应活性较大的氧化硅则对 三种形态含量的变化影响不大。

③聚铁硅型复合絮凝剂的应用实例

【实例1】对煤矿洗煤废水的处理,当采用Fe/Si摩尔比分别为 0.5, 1.0的聚硅铁PFSS时,分别加入1 .Omg/L, 0.5mg/L,即可 使洗煤废水浊度从580NTU降至20NTU以下,表明PFSS对洗煤 废水具有很好的混凝除浊效果。

【实例2】对煤矿矿井外排水的处理,该废水含有大量的煤屑 及微细泥沙,pH = 7.4,浊度为250NTU,很难自然沉降澄清。 Fe/Si摩尔比分别为0.25, 0.50, 1.0的聚硅铁混凝剂PFSS分别 加入2.Omg/L, 1 .Omg/L, 0.5mg/L后,即可使矿井水的浊度降 10NTU以下。

【实例3】某小河汇集了市内生活污水和工业废水,水体浑浊 且有较深的黄色,pH=7.0,采用聚硅铁PFSS混凝除浊脱色试验, 结果表明,Fe/Si摩尔比愈大,除浊率愈高;达到80%脱色率需 Fe/Si摩尔比为0.5, 1.0的聚硅铁分别为55mg/L30mg/L;使 浊度降至20NTU以下需上述聚硅铁分别为23mg/L10mg/Lo 与处理煤矿废水相比,因小河水中含有各工厂排出的大量有机污染 物,水质成分较复杂,故处理小河水所用聚硅铁的量较大。

2.3.1.5无机高分子絮凝剂的界面行为的表面化学特征

普通铝盐使用时往往会受到溶液pH值、颗粒物浓度、水流扰 动情况等的影响,而PAC由于通过预聚合,含有大量的A113聚合

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体,对水解反应有一定的惰性。PAC投入水中后,A.及其聚集体 将在一定时间内保持其原有形态并立即吸附在颗粒物表面,由于其 分子量大而且电荷值较高,其粘结架桥作用和电中和脱稳能力都大 大高于普通铝盐。无机高分子絮凝剂是多核羟基络合物的中间产 物,相对于氢氧化物沉淀是羟基不饱和的,它在颗粒物上的吸附实 际上是表面络合配位作用。多核羟基络合物吸附在颗粒物表面后, 仍会从溶液中吸取羟基,补充其表面未饱和位,继续其水解沉淀过 程,直至饱和成为氢氧化物沉淀凝胶,与颗粒物一起生成絮体。因 此无机高分子絮凝剂的絮凝机理实际上是表面络合及表面沉积 过程。

汤鸿霄、栾兆坤等测定了 PAC溶液的流动电位值(SC), 通过绘制吸附等温线及PACAlCh的凝聚-絮凝区域图,研究了 PAC在溶液中凝聚-絮凝过程界面行为的表面特征。应用表面配位 理论,以表面吸附及沉淀的计算模式处理实验数据,可以得到针对 Ain的凝聚-絮凝定量计算模式,包括以下步骤:

步骤1表面吸附,AIi3吸附到颗粒表面:

S [mOH](颗粒表面)+ WA112A1O(OH)^

步骤2电中和凝聚,Al的正电与颗粒表面负电中和并趋近 零电荷:

S [nAl12AlO(OH)24+m](w,-7n)-S [nAl12A10 (OH)24+m](m-7n)

步骤3表面沉淀,Al$结合表面及溶液中OH「而趋向氢氧化 铝沉淀:

S + nA112A1O(OH)J + j:OH_—*

S [nAl12AlO(OH)24+m ++ S [wA1(OH)3] I

步骤4颗粒絮凝,颗粒物由氢氧化铝及Ain架桥絮擬:

S CnAl12AlO(OH)24+m +J(x+m_7n)^° + S [nAl(OH)3] + nA112A1O(OH)I

这一作用机理的模式尚有待表面结构与形态鉴定的实验来证实。

2.3.2有机高分子絮凝剂

有机高分子絮凝剂与无机絮凝剂相比,具有用量少、pH值适 用范围广,受盐类及环境因素影响小,污泥量少,处理效果好等优 良性能,应用范围十分广泛,如表2-120


image.png 

有机高分子絮凝剂主要分为两大类,即合成有机高分子絮擬剂 和天然高分子絮凝剂。另外可按官能团的性质、原料类别、聚合 度、产品形态等分类。一般按官能团离子型分类,即阴离子、阳离 子、非离子型三种,现在也有两性型高分子絮凝剂的研究和应用的 报道。典型如聚丙烯酰胺PAM)类产品如图2-260

合成有机高分子絮凝剂由于分子量大,分子链官能团多的结构 特点,在市场上占绝大优势,其中以聚丙烯酰胺系列最为广泛,在 美国、日本其市场占有率达80%以上,在我国则年产数万吨。但 随着人们对环境质量的关注,特别是合成有机高分子絮凝剂由于残 留单体的毒性,限制了它在食品加工、给水处理及发酵工业等方面 的发展。天然高分子絮凝剂由于原料来源广泛,价格低廉,无毒,


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