稀土在制備水處理絮凝劑中應(yīng)用

廖柳芳

(佛山市高明區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所,廣東佛山528500)

稀土在制備水處理絮凝劑中應(yīng)用

廖柳芳

(佛山市高明區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所,廣東佛山528500)

介紹了稀土元素的化學(xué)性質(zhì),在制備水處理絮凝劑方面的研究和應(yīng)用情況。

稀土;絮凝劑;應(yīng)用

水處理中常用的絮凝技術(shù),是一種處理效率高,經(jīng)濟(jì)而又簡(jiǎn)便的物化處理技術(shù),它既可以去除原水的濁度和色度等感官指標(biāo),又可以去除各種有毒有害污染物。絮凝的主要對(duì)象是廢水中細(xì)小的懸浮顆粒和膠體顆粒,這些顆粒很難用自然沉淀方法使之沉淀,進(jìn)而從水中分離出去。絮凝技術(shù)是通過向廢水中投加化學(xué)藥劑,使水中膠體顆粒和懸浮顆粒脫穩(wěn),形成易于分離的絮狀物質(zhì)。絮凝劑是重要的環(huán)境保護(hù)材料,在合理用水和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用[1]。

目前,絮凝劑正趨向高效、低毒、無公害、多功能、復(fù)合化的綠色產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展。為了更好地按照可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求,推動(dòng)我國水處理藥劑的發(fā)展,充分發(fā)揮我國稀土資源的優(yōu)勢(shì),近年來,我國已對(duì)稀土無機(jī)物、稀土有機(jī)物復(fù)合絮凝劑進(jìn)行了研究。

1 稀土元素的性質(zhì)

稀土元素(REE)指周期表中ⅢB族中的鑭系元素(La～Lu)和同族的鈧(Sc)、釔(Y)元素。稀土元素是典型的金屬元素,它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素,而比其它金屬元素活潑。在17個(gè)稀土元素當(dāng)中,按金屬的活潑次序排列,由鈧、釔、鑭遞增,由鑭到镥遞減,鑭元素最活潑。

由于稀土元素原子有特殊的電子層結(jié)構(gòu),使它們的化合價(jià)出現(xiàn)了變價(jià),而不同價(jià)態(tài)的稀土比正常價(jià)態(tài)稀土具有特殊的性能和用途,這引起了科學(xué)家對(duì)稀土元素越來越大的研究興趣。稀土元素的各原子極易與其它元素的原子形成化合物,能形成穩(wěn)定的氧化物、鹵化物、硫化物,且易溶于鹽酸、硫酸和硝酸中。

近年來,我國科技工作者應(yīng)用稀土特有的性質(zhì)制備各種催化劑、稀土型吸附劑和混凝劑等水處理材料,在處理各類工業(yè)廢水中取得了較好的效果。稀土在制備水處理絮凝劑中的應(yīng)用研究,越來越得到重視。

2 稀土復(fù)合絮凝劑的研究與應(yīng)用

2.1 稀土-甲殼素復(fù)合絮凝劑的研究

甲殼素作為新型絮凝劑,在處理食品加工廠的廢水,回收蛋白質(zhì)作為飼料方面已被大量采用。為了提高甲殼素的絮凝效果,減少用量,降低成本,楊萬政等[2]對(duì)稀土-甲殼素復(fù)合絮凝劑進(jìn)行了研究。從絮凝機(jī)理可知,甲殼素的絮凝主要是網(wǎng)捕作用和吸附架橋作用,而無機(jī)金屬離子的絮凝機(jī)理則主要是壓縮雙電層作用和吸附電中和作用。之所以把稀土和甲殼素進(jìn)行復(fù)配,就是為了使它們發(fā)揮協(xié)同作用,最大限度地起到絮凝的效果。

先將一部分的甲殼素在冰醋酸溶液中溶解,配成1g/L的甲殼素溶液。將混合稀土(LaC13(30%)Ce-Cl3(70%))和甲殼素按質(zhì)量比為200∶1的比例復(fù)配,其所產(chǎn)生的絮凝效果最好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明稀土-甲殼素復(fù)合絮凝劑對(duì)水中懸浮物有較好的去除效果,去濁率能達(dá)到97.93%以上,是一種優(yōu)良的絮凝劑。另外,稀土化合物與甲殼素復(fù)配之后,稀土和甲殼素發(fā)生了協(xié)同作用和復(fù)配增效的作用,具有較好的絮凝效果,可節(jié)省絮凝劑的用量,由此可以大大節(jié)省水處理的成本。

2.2 稀土復(fù)合混凝劑(PACRES)

賀忠翔等[3]研制的稀土復(fù)合混凝劑是一種以聚合氯化鋁為主要成分,并含有稀土、硫等元素的復(fù)合混凝劑。將AlCl3·6H2O配成水溶液,在室溫下加入稀土碳酸鹽粉末(工業(yè)稀土碳酸鹽混合物,主要成分為Sm2(CO3)3和Gd2(CO3)3),不斷攪拌下分批加入一定量的CaO調(diào)整鹽基度,攪拌1h后抽濾得液體,待它熟化3h,得到的產(chǎn)品是稀土復(fù)合混凝劑(PACRES)。

稀土離子存在于PAC溶液中,促進(jìn)了聚鋁的水解聚合,使其分子更大,帶正電荷更多,增強(qiáng)了對(duì)負(fù)電膠體的電中和及架橋能力,濁度去除率增大。故稀土復(fù)合混凝劑(PACRES)較PAC具有明顯的優(yōu)勢(shì),COD去除效果好于PAC,特別是在處理城市污水中去除總磷時(shí),用量較PAC大大降低;在低投藥量下,PACRES的濁度去除率也有了很大地提高,去除率較PAC提高近1倍;稀土復(fù)合混凝劑穩(wěn)定性好,可長期貯存,由于稀土占整個(gè)混凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低,其生產(chǎn)成本僅比PAC增加10%左右,而其用量降低30%～50%,使廢水處理費(fèi)用下降[4]。

2.3 稀土渣絮凝劑

馮秀娟等[5]采用稀土廢渣制備絮凝劑,處理印染廢水取到了很好的絮凝脫色效果。影響絮凝劑脫色效果的最主要因素是鹽酸濃度,改性稀土渣與聚羥基溶液體積比的影響次之,酸改性時(shí)間的影響最小。首先對(duì)稀土廢渣進(jìn)行改性處理,采用的鹽酸濃度為15%,酸改性時(shí)間為10h。與原稀土渣相比,經(jīng)改性處理而制備的絮凝劑,稀土廢渣的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,由較密實(shí)的片狀變成了疏松的中空纖維膠狀。另外,該絮凝劑表面還有膠凝物附著,經(jīng)分析該物質(zhì)是由鎂鹽、鋁鹽等形成的復(fù)合羥鍵膠凝物,是絮凝劑的有效絮凝成分。

取一定量的改性稀土渣,按體積比為1∶5加入聚羥基鋁離子溶液,充分?jǐn)嚢杌旌戏磻?yīng)后,濾出液體并烘干、破碎、篩分而制得成品。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),稀土渣絮凝劑的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在兩方面:一是改性稀土渣與聚合羥基鋁離子發(fā)生反應(yīng)后所生成絡(luò)合物的羥基吸附作用;二是多羥基膠狀物復(fù)合鹽(以鋁鹽、鎂鹽、鐵鹽、鈣鹽為主)的絮凝作用。其中,加入稀土渣絮凝劑的水樣中,形成礬花的速度快,礬花大,沉降時(shí)間短,去濁率高,有較好的脫色效果,脫色率高達(dá)96%。

2.4 稀土硝酸鹽催化型聚氯化硫酸鐵

鄺鉅熾[6]用稀土硝酸鹽與聚合氯化硫酸鐵(PFSC)制備了一種新型高效的稀土催化型聚氯化硫酸鐵絮凝劑(RE-PFSC),稀土硝酸鹽對(duì)PFSC有一定助凝作用(RE-PFSC),而對(duì)PFSC聚合反應(yīng)所起的催化作用更為顯著,形成的聚合物REPFSC絮凝性能有較大提高。當(dāng)稀土硝酸鹽/PFSC=1.2～2.2時(shí),絮體生成快,顆粒密度大,沉降速度快,COD去除率高,處理印染廢水效果優(yōu)于PFSC。

3 稀土復(fù)合絮凝劑的混凝機(jī)理

稀土復(fù)合絮凝劑具有絮凝劑的混凝特性[7],即能以其較穩(wěn)定的線狀或分枝狀長鏈結(jié)構(gòu)網(wǎng)直接吸附顆粒物,并進(jìn)行電中和反應(yīng)及粘結(jié)架橋的混凝作用,使膠粒凝聚為大的混凝體。而稀土離子的加入,增加陽電荷數(shù),強(qiáng)烈吸附負(fù)電荷膠粒,中和部分電荷,減少靜電斥力,容易吸附顆粒,促進(jìn)混凝體的生成使水解完全。稀土與絮凝劑的聚合體發(fā)生水解或配聚時(shí),使聚合體分子變大,同時(shí)可連接聚合體與稀土聚合體起到協(xié)同混凝作用,增加了正電荷量,增強(qiáng)了靜電粘附能力和吸附架橋能力;稀土離子生成無定形新生態(tài)的沉淀體,形成更大的絮凝核心和巨大的網(wǎng)狀表面結(jié)構(gòu),膠體顆粒物更易被粘附網(wǎng)捕在沉淀物中而迅速卷掃沉淀。

從稀土元素結(jié)構(gòu)與性質(zhì)可看出:水溶性稀土化合物如氯化稀土等具有無機(jī)鹽混凝劑基本特征,所以單獨(dú)使用稀土處理廢水具有較好的混凝效果。在鋁系絮凝劑或鐵系絮凝劑中加人極少量稀土可以改善性能,促進(jìn)水解聚合,起到助凝作用和協(xié)同混凝作用,絮凝效果更佳。

4 結(jié)語

絮凝劑是生活用水與廢水處理中一種不可缺少的化學(xué)藥劑,在為城鎮(zhèn)居民提供安全衛(wèi)生的生活用水和廢水處理中起著重要作用。稀土與金屬鹽復(fù)配得到的化合物,是一類新型無機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑,如稀土-甲殼素的復(fù)合絮凝劑、稀土復(fù)合混凝劑(PACRES)、稀土渣絮凝劑、稀土硝酸鹽催化型聚氯化硫酸鐵。該類絮凝劑分子量高、絮凝性能優(yōu)異、成本低,可有效處理難降解有機(jī)物,可以廣泛應(yīng)用于各種廢水處理。因此,隨著環(huán)境污染治理力度的加大,為適應(yīng)各類水質(zhì)凈化處理需求,稀土復(fù)合型絮凝劑的研制已成為熱點(diǎn),將是非常有發(fā)展前景的水處理藥劑。

[1]姚重華.混凝劑與絮凝劑[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1991.

[2]楊萬政,蒲維維,王捷.稀土—甲殼素的復(fù)合絮凝劑的研究[J].稀土,2005,26(3).

[3]賀忠翔,狄曉威.稀土復(fù)合混凝劑的制備及其在城市污水處理中的應(yīng)用[J].稀土,2007,28(4).

[4]魏玉娟,朱俊萍,尹云芳,等.稀土復(fù)合混凝劑的制備與應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,24(2).

[5]馮秀娟,朱易春,匡敬忠,等.稀土渣絮凝劑的制備及其在印染廢水中的應(yīng)用[J].中國給水排水,2008,24(23).

[6]鄺鉅熾.稀土硝酸鹽催化型聚氯化硫酸鐵的絮凝實(shí)驗(yàn)研究[J].稀土,2007,28(1).

[7]M.S.Tsai.The study of formation colloidal silica via sodium sili2 cate[J].Materials Science and Engineering,2004,106(3).

Application of Rare Earth on Preparation of Water Treatment Flocculants

L IAO Liu-fang
(Gaoming District Environmental Protection Research Institute of Foshan City,Foshan Guangdong 528500 China)

The chemical properties of rare earth element are introduced,and the preparation of water treatment flocculants by using the rare earth is summarized.

rare earth;flocculant;application

X703

A

1673-9655(2010)03-0012-03

2009-12-31

廖柳芳(1976-),女,廣東高明人,佛山市高明區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究所工程師,研究方向:環(huán)境污染治理與評(píng)價(jià)。