用鐵礦石制備聚硅硫酸鐵混凝劑及其應(yīng)用研究

羅道成，劉俊峰

(湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

混凝劑在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，特別是廢水處理方面起著十分重要的作用[1,2]。因此，新型高效混凝劑的研究，已成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3-11]。聚硅硫酸鐵(PFSS)是一種復(fù)合型高效無機(jī)高分子混凝劑，兼有鐵鹽的電中和作用和聚硅酸的吸附架橋能力，且安全無毒，具有廣闊的應(yīng)用前景。鐵礦石是一種煉鐵原料，由于鐵礦石中含有許多有機(jī)雜質(zhì)，如果直接酸浸，將影響混凝劑的質(zhì)量。本文以鐵礦石為原料，將鐵礦石先進(jìn)行煅燒，然后再酸浸制備硫酸鐵；再以制備的硫酸鐵和硅酸鈉為原料，制備了無機(jī)高分子混凝劑聚硅硫酸鐵(PFSS)。研究了PFSS混凝劑制備的適宜條件，并考察了PFSS處理工業(yè)廢水效果，同時(shí)在相同條件下，與聚合硫酸鐵(PFS)處理該工業(yè)廢水效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，PFSS的混凝性能明顯優(yōu)于PFS。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器

鐵礦石取自湘潭某鋼鐵廠，經(jīng)分析，其化學(xué)組成為：TFe 63.3%，F(xiàn)eO 0.25%，F(xiàn)e2O389.94%，Al2O32.08%，SiO24.16%，CaO 0.4%，其他3.17%；硅酸鈉、硫酸、氫氧化鈉均為分析純；工業(yè)廢水，取自湖南湘潭某化工廠廢水池，COD 1021.5mg/L，濁度804.1mg/L，色度 413.9倍，pH 6.9；分析測(cè)試試劑均為分析純；配制溶液均使用蒸餾水。

DBJ-621型六聯(lián)定時(shí)攪拌機(jī)；pHS-3C型酸度計(jì)；AB204-E型電子分析天平；Tur555型濁度儀；CS-501SP型超級(jí)數(shù)量恒溫器；馬弗爐。

1.2 硫酸鐵的制備

將研磨為-200目的鐵礦粉放入馬弗爐中，在800℃溫度下煅燒一定時(shí)間，冷卻后，取出備用。在常溫常壓下，將一定比例的鐵礦粉和被稀釋過的濃硫酸置于一個(gè)帶有攪拌裝置的500ml燒瓶中，然后在100℃條件下反應(yīng)一段時(shí)間，冷卻，過濾，即得含有硫酸鐵溶液，測(cè)定其中Fe3+濃度。

1.3 PFSS混凝劑的制備

準(zhǔn)確稱取一定量的硅酸鈉，加蒸餾水配成一定濃度的溶液，用硫酸或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)其pH值，室溫下聚合一段時(shí)間后，加入一定量制備的硫酸鐵溶液，熟化后所得棕色液體即為PFSS混凝劑。

1.4 混凝實(shí)驗(yàn)

在室溫下，用量筒取500mL工業(yè)廢水于1L燒杯中，加入一定量的PFSS混凝劑，先在400r/min轉(zhuǎn)速下快速攪拌3～5min，再在60r/min轉(zhuǎn)速下慢速攪拌15min，靜置20min，取上層清液進(jìn)行分析，測(cè)定其COD、色度和濁度，并分別計(jì)算其去除率。

1.5 分析方法

COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；濁度采用濁度儀測(cè)定；色度采用稀釋倍數(shù)法測(cè)定；pH值采用酸度計(jì)測(cè)定；Fe3+濃度測(cè)定以磺基水楊酸為指示劑，采用EDTA絡(luò)合滴定法。

2 結(jié)果與討論

2.1 PFSS的制備條件對(duì)PFSS混凝性能的影響

2.1.1 S iO2含量對(duì)FFSS混凝性能的影響

在室溫下，控制硅酸活化時(shí)間為40min，硅酸活化的pH為2，PFSS溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度為300mg/L，鐵與硅摩爾比為0.50，考察了SiO2含量對(duì)PFSS混凝性能的影響，結(jié)果見表1。由表1可知，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<3%時(shí)，隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，PFSS對(duì)廢水中COD、色度、濁度去除率增大。當(dāng)SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>3%時(shí)，隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，PFSS對(duì)廢水中COD、色度、濁度的去除率反而減小。這是由于SiO2含量過高，導(dǎo)致聚合度過高，造成凝膠，影響了PFSS的混凝效果。故SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)以3%為宜。

2.1.2 硅酸活化的pH值對(duì)PFSS混凝性能的影響

在室溫下，控制SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，硅酸活化時(shí)間為40min，PFSS溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度為300mg/L，鐵與硅摩爾比為0.50，考察了硅酸活化的pH值對(duì)PFSS混凝性能的影響。結(jié)果見表2。由表2可知，當(dāng)硅酸活化的pH在1～6范圍內(nèi)，PFSS對(duì)廢水中COD、色度去除率有一定的影響。PFSS對(duì)廢水中濁度去除率影響不大。并且當(dāng)硅酸活化的pH值為2時(shí)，PFSS對(duì)廢水中COD、色度和濁度去除率達(dá)到最大。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅酸活化的pH值大于6時(shí)，PFSS溶液很快變成凝膠，無法使用。因此，選擇硅酸活化的pH值為2。

表1 SiO2含量對(duì)PFSS混凝性能的影響

表2 硅酸活化的pH值對(duì)PFSS混凝性能的影響

2.1.3 硅酸活化時(shí)間對(duì)PFSS混凝性能的影響

在室溫下，SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，硅酸活化的pH值為2，PFSS溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度為300mg/L，鐵與硅摩爾比為0.50，考察了硅酸活化時(shí)間對(duì)PFSS混凝性能的影響。結(jié)果表明，硅酸活化時(shí)間在10～60min范圍內(nèi)，PFSS對(duì)廢水中COD、色度、濁度去除率均影響不大，其中COD去除率在84.5%～86.8%之間，色度去除率在91.5%～93.2%之間，濁度去除率在94.9%～96.1%之間。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅酸活化時(shí)間為10min時(shí)，PFSS產(chǎn)品不穩(wěn)定，5d后出現(xiàn)凝膠。因此，綜合考慮，硅酸活化時(shí)間選擇40min。

2.1.4 鐵與硅摩爾比對(duì)PFSS混凝性能的影響

在室溫下，控制SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，硅酸活化時(shí)間為40min，硅酸活化的pH值為2，PFSS溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度為300mg/L，考察了鐵與硅摩爾比對(duì)PFSS混凝性能的影響，結(jié)果見表3。由表3可知，鐵與硅摩爾比對(duì)PFSS處理廢水中濁度去除率影響不大，對(duì)COD、色度去除率影響較大。當(dāng)鐵與硅摩爾比在0.25～1.0范圍時(shí)，鐵與硅摩爾比小于0.50時(shí)，隨著鐵與硅摩爾比增大，COD、色度去除率增大，當(dāng)鐵與硅摩爾比大于0.50時(shí)，隨著鐵與硅摩爾比增大，COD、色度去除率反而減小。這是因?yàn)殍F與硅摩爾比小于0.50時(shí)，隨著鐵含量的增加，PFSS水解產(chǎn)生的多核羥基化合物增加，COD、色度去除率增大；在鐵與硅摩爾比大于0.50時(shí)，由于鐵含量過高后，活性硅酸的含量下降，不利于對(duì)懸浮物的吸附架橋和卷掃聚集，使COD、色度去除率下降。因此，選擇鐵與硅摩爾比為0.50。

表3 鐵與硅摩爾比對(duì)PFSS混凝性能的影響

2.2 PFSS投加量對(duì)混凝效果的影響

在室溫下，控制PFSS溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度為300mg/L，廢水的pH值為7，考察了PFSS投加量對(duì)混凝效果的影響，結(jié)果見表4。由表4知，廢水中COD、色度、濁度去除率均隨PFSS投加量增加而提高。當(dāng)PFSS投加量增至100 ml/L時(shí)，COD、色度、濁度去除率增加變緩；當(dāng)PFSS投加量超過125 ml/L時(shí)，COD、色度、濁度去除率反而減小。這是因?yàn)樵诨炷^程中，高分子PFSS的一端首先吸附于膠粒上，而另一端隨時(shí)可以通過碰撞接觸吸附其他膠粒，起到架橋的作用。投藥量太小，膠粒表面沒有吸附足夠的PFSS分子，難以形成大的絮體，混凝效果差。而投藥量超過最佳值時(shí)，每個(gè)膠粒都吸附了多余的PFSS分子，則這種膠粒沒有空余表面，架橋作用所必須的粒子表面吸附活性點(diǎn)小了，因而架橋變得困難[12]。同時(shí)，又由于膠粒間相互排斥作用而出現(xiàn)分散穩(wěn)定現(xiàn)象，使形成的絮凝體重新變成穩(wěn)定的膠體，并產(chǎn)生Fe3+的黃色，從而導(dǎo)致COD、色度、濁度去除率減小。因此，PFSS的適宜投加量為100～125ml/L，考慮成本因素，PFSS投加量以100ml/L為宜。

2.3 廢水pH值對(duì)PFSS混凝效果的影響

在室溫下，控制PFSS溶液中Fe3+的質(zhì)量濃度為300mg/L，PFSS投加量以100ml/L，考察了廢水的pH值對(duì)PFSS混凝效果的影響，結(jié)果見表5。由表5可知，廢水的pH值對(duì)PFSS處理廢水的混凝效果影響較大。廢水的pH值在5～9之間時(shí)，PFSS對(duì)廢水中COD、色度、濁度去除率均較高，其中廢水的pH值為7時(shí)，PFSS對(duì)廢水中COD、色度、濁度去除率均達(dá)到最大值。這是因?yàn)閺U水pH值在5～9之間時(shí)，PFSS中鐵離子的水解反應(yīng)正常，分子鏈伸展，架橋作用增強(qiáng)，混凝效果較好。廢水的pH值較低，一方面對(duì)PFSS中鐵離子水解不利，對(duì)最終形成Fe(OH)3不利；另一方面，會(huì)抑制PFSS中多核羥基陽離子配合物等以O(shè)H-作為架橋形成多核正電配離子的過程，高分子鏈卷曲，架橋距離縮短，從而影響混凝效果。廢水中pH值過高，多鐵核羥基配合物就變成氫氧化鐵溶膠，導(dǎo)致分子鏈卷曲，架橋作用減弱，使絮凝效果下降。因此，廢水的pH值以7為宜。

表4 PFSS不同投加量對(duì)其混凝效果的影響

表5 廢水pH值對(duì)PFSS混凝效果的影響

2.4 PFSS與PFS處理工業(yè)廢水效果比較

分別用含F(xiàn)e3+的質(zhì)量濃度為300mg/L的PFSS、PFS混凝劑，在投加量分別為100ml/L時(shí)，在相同條件下處理同一工業(yè)廢水，結(jié)果見表6。由表6可知，在相同條件下，PFSS處理工業(yè)廢水效果明顯優(yōu)于PFS處理工業(yè)廢水效果。

表6 PFSS與PFS處理工業(yè)廢水效果比較

3 結(jié) 論

(1) 以鐵礦石為原料，將鐵礦石先進(jìn)行煅燒然，后再酸浸制備硫酸鐵，再以制備的硫酸鐵和硅酸鈉為原料，制備PFSS混凝劑的適宜工藝條件為：SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，硅酸活化時(shí)間為40min，硅酸活化的pH值為2，鐵與硅摩爾比為0.50。

(2) 用PFSS混凝劑處理工業(yè)廢水，不僅用量少，pH值使用范圍寬，而且形成礬花大，沉降速度快。PFSS在混凝過程中兼有金屬離子的電中和作用和高分子的吸附架橋作用，COD、色度、濁度去除率較高，無毒無害，明顯優(yōu)于PFS的處理效果。

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