聚硅酸硫酸鋁鎂的制備及其除濁試驗(yàn)研究

李天斌

(中海油(中國(guó))有限公司湛江分公司,廣東湛江524057)

陳 武,萬(wàn)用波,梅 平

(長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北荊州434023)

早期的研究發(fā)現(xiàn)聚硅酸屬陰離子型絮凝劑,有很強(qiáng)聚集能力和吸附架橋作用,主要作助凝劑,但由于其穩(wěn)定性差,只能現(xiàn)配現(xiàn)用,因此極大地限制了其應(yīng)用,不能成為獨(dú)立商品絮凝劑[1-3]。傳統(tǒng)鋁鹽和鐵鹽混凝劑屬陽(yáng)離子型混凝劑,具有靜電中和及卷掃作用,但處理低溫水效果較差。針對(duì)這種情況,人們?cè)诰酃杷峒皞鹘y(tǒng)的鋁鹽、鐵鹽等絮凝劑的基礎(chǔ)上研究制備了聚硅酸與金屬鹽的復(fù)合產(chǎn)物——聚硅酸金屬鹽混凝劑,它兼具陰離子型和陽(yáng)離子型混凝劑的特點(diǎn),既可克服各自的缺點(diǎn),又能產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)協(xié)同效應(yīng),除濁、脫色、除油等方面效果好,且易于制備,價(jià)格便宜,產(chǎn)品穩(wěn)定性好。現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外無(wú)機(jī)高分子混凝研究的一個(gè)熱點(diǎn)[4-5]。目前的研究的重點(diǎn)是向聚硅酸中引入單種金屬離子多種金屬離子的新工藝、提高產(chǎn)品的絮凝性能、穩(wěn)定性能以及聚硅酸與金屬鹽之間的相互作用和混凝機(jī)理,其發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)出高效、無(wú)毒、價(jià)廉、多功能、適合工業(yè)化生產(chǎn)的聚硅酸金屬鹽混凝劑[6-7]。下面,筆者參考聚硅酸金屬鹽絮凝劑的制備方法[8]制備聚硅酸硫酸鋁鎂 (PSAMS),并采用荊門(mén)煉油廠的含油廢水進(jìn)行絮凝試驗(yàn),研究其混凝除濁的效果,為其應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

電子天平、控溫電磁攪拌器、濁度儀、p H計(jì);硅酸鈉、硫酸鎂、硫酸鋁、硫酸等化學(xué)試劑等。

1.2 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)水樣為荊門(mén)煉油廠含油廢水,p H值為7.51,色度為21倍,濁度為178NTU。

2 聚硅酸的制備

聚硅酸是制備PSAMS的主體之一,其聚合度 (聚合時(shí)間/凝膠時(shí)間)不僅是聚硅酸溶液穩(wěn)定性的表現(xiàn),也是影響制備PSAMS的重要因素。影響硅酸鈉溶液膠凝時(shí)間的因素主要有溶液p H值、硅酸鈉濃度、聚合溫度等。為了制備方便,確定在室溫25℃下研究p H、硅酸鈉濃度 (以SiO2計(jì))對(duì)聚硅酸凝膠時(shí)間的影響。稱(chēng)取一定量的硅酸鈉溶于水中,配制成一定濃度的硅酸鈉溶液,取一定體積的硅酸鈉溶液,用NaOH和H 2SO4調(diào)節(jié)p H值,結(jié)果如表1所示。

表1 不同p H值對(duì)聚硅酸膠凝時(shí)間的影響

由表1可知,硅酸鈉溶液濃度一定時(shí),其p H越趨于中性,其凝膠時(shí)間就越短,而隨著酸度或堿度的提高,凝膠時(shí)間也就變長(zhǎng),p H=7～8時(shí),膠凝時(shí)間最短。硅酸鈉溶液pH一定時(shí),其濃度越大凝膠時(shí)間越短,原因主要是由于SiO2濃度的增大,增加了硅酸分子之間發(fā)生自聚的幾率,使得其穩(wěn)定性降低,從穩(wěn)定性考慮SiO2濃度不宜過(guò)高,因此,為便于制備PSAMS的操作,初步確定在SiO2的濃度為2%、p H為5的條件下制備PSAMS。

3 各因素對(duì)聚硅酸硫酸鋁鎂 (PSAMS)去濁效果的影響

采取共聚法[9]合成PSAMS,主要研究Si/Al摩爾比、Si/Mg摩爾比、熟化時(shí)間對(duì)制備的PSAMS去濁效果的影響。取一定量硅酸鈉溶于水中配制成含SiO2為2%的溶液,用硫酸調(diào)節(jié)p H值為5.0,加入一定摩爾比的AI2(SO4)3和MgSO4,攪拌2min,放置熟化數(shù)小時(shí)后,即可得到絮凝劑PSAMS,然后用一定量的PSAMS處理荊門(mén)煉油廠的含油廢水,快速攪拌30s,再慢攪1min,靜置30min后取上層清液測(cè)其濁度。

3.1 硅鋁摩爾比對(duì)絮凝效果的影響

PSAMS絮凝劑中鋁的含量是影響其絮凝效果的一個(gè)因素。因此,固定SiO2含量為2%、Mg/SiO2為3∶1[10],在其他條件相同的情況下,制備不同Si/Al摩爾比的PSAMS產(chǎn)品,取0.5ml的PSAMS處理50ml含油廢水,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,Si/Al摩爾比在1∶3～3∶1的范圍內(nèi),合成產(chǎn)物PSAMS絮凝效果較好,除濁率都在90%以上,說(shuō)明Al的含量變化對(duì)其絮凝效果的影響不顯著,相比之下,Si/Al比為1.5時(shí)絮凝效果最佳,達(dá)到了92.8%。

3.2 硅鎂摩爾比對(duì)絮凝效果的影響

為了研究絮凝劑中鎂的含量對(duì)絮凝效果的影響,在SiO2%含量為2%、Si/Al比為1.5,制備不同Si/Mg摩爾比的合成產(chǎn)物PSAMS,取不同量的PSAMS處理100ml含油廢水,結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,Si/Mg摩爾比為1∶2的PSAMS在5種不同加量時(shí),除濁效果均較好。100ml的含油廢水中,不同Si/Mg比的PSAMS投加量在1.0～1.5ml時(shí),都能達(dá)到很好絮凝效果,除濁率都在90%以上。

圖2 Si/Mg比對(duì)PSAMS絮凝效果的影響

圖1 Si/Al比對(duì)PSAMS絮凝效果的影響

3.3 熟化時(shí)間對(duì)PSAMS絮凝效果的影響

由于聚硅酸鹽類(lèi)絮凝劑隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生自聚現(xiàn)象,從而使其絮凝效果迅速下降。為了研究熟化時(shí)間對(duì)PSAMS絮凝效果的影響,在SiO2含量為2%、Si/Al比為1.5、Si/Mg摩爾比為1∶2的條件下制備了PSAMS,取放置熟化不同時(shí)間的PSAMS 1.5ml處理100ml含油廢水,取處理后水測(cè)定濁度,結(jié)果如表2所示。

表2 熟化時(shí)間對(duì)PSAMS絮凝效果的影響

由表2可知,聚硅酸硫酸鋁鎂絮凝劑在放置一周以后的除濁率在90%以上,放置25d后除濁率仍能達(dá)到85%以上,且無(wú)明顯聚合現(xiàn)象,穩(wěn)定性能很好。

4 制備PSAMS最佳條件的確定

為了得到制備PSAMS的最佳條件,在上述基礎(chǔ)上,選擇pH值、Si/Mg摩爾比和熟化時(shí)間,作L(33)正交試驗(yàn),結(jié)果如表3所示。從表3數(shù)據(jù)可知,鎂硅摩爾比對(duì)PSAMS濁度去除效果影響最大,其后依次是p H值、熟化時(shí)間。制備PSAMS的最佳條件為:Si/Mg摩爾比為1∶2.5、pH=4、熟化時(shí)間為5h。為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果,在此最佳條件下制備PSAMS絮凝劑并做絮凝試驗(yàn),結(jié)果表明,最佳條件下制備的PSAMS絮凝劑對(duì)含油廢水的除濁率達(dá)到95.46%。

5 PSAMS對(duì)含油廢水的最佳除濁條件

為了確定制備的PSAMS對(duì)荊門(mén)煉油廠含油廢水除濁的最佳條件,筆者選擇廢水pH值、PSAMS加量、攪拌時(shí)間作L(33)正交試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。從表4結(jié)果可知,PSAMS投加量對(duì)廢水除濁效果影響最大,其后依次是攪拌時(shí)間和廢水p H。PSAMS對(duì)含油廢水最優(yōu)除濁條件為:投加量為1.0ml/100ml、攪拌時(shí)間為90s、p H=7。為了驗(yàn)正正交試驗(yàn),在此最佳條件下用PSAMS處理含油廢水,除濁率達(dá)到了97.60%,表明此條件即為最佳絮凝條件。

表3 制備PSAMS的L(33)正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 PSAMS處理含油廢水的L(33)正交試驗(yàn)結(jié)果

在可比條件下,將合成的絮凝劑PSAMS與合成原料Al2(SO4)3、MgSO4及荊門(mén)煉油廠在用絮凝劑聚合氯化鋁 (PAC)進(jìn)行了除濁效果對(duì)比,結(jié)果如表5所示。從表5可知,PSAMS的除濁效果最佳,并且不會(huì)給原水帶去新的色度,表明PSAMS有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

表5 相同條件下的不同絮凝劑的絮凝效果對(duì)比

6 結(jié) 論

1)硅酸鈉溶液濃度一定時(shí),其p H越趨于中性,其凝膠時(shí)間就越短,而隨著酸度或堿度的提高,凝膠時(shí)間也就變長(zhǎng),pH=7～8時(shí),膠凝時(shí)間最短。硅酸鈉溶液p H一定時(shí),其濃度越大凝膠時(shí)間越短。硅酸鈉溶液含SiO2 2%、pH=5為制備PSAMS較佳條件。

2)研究了Si/Al摩爾比、Si/Mg摩爾比及熟化時(shí)間對(duì)產(chǎn)品PSAMS除濁性能的影響,結(jié)果表明,Si/Al比為1.5、Si/Mg摩爾比為1∶2,合成產(chǎn)物PSAMS的除濁率都在90%以上;將其放置1周后的除濁率在90%以上,放置25d后,除濁率仍大于85%,合成產(chǎn)物PSAMS穩(wěn)定性能很好。

3)正交試驗(yàn)結(jié)果表明,鎂硅摩爾比對(duì)PSAMS濁度去除效果影響最大,其后依次是p H值、熟化時(shí)間。制備PSAMS的最佳條件為:Si/Mg摩爾比為1∶2.5、p H=4、熟化時(shí)間為5h。最佳條件下制備的PSAMS絮凝劑對(duì)含油廢水的除濁率達(dá)到95.46%。

4)正交試驗(yàn)結(jié)果表明,PSAMS投加量對(duì)廢水除濁效果影響最大,其后依次是攪拌時(shí)間p H。PSAMS對(duì)含油廢水最優(yōu)除濁條件為:投加量為1.0ml/100ml、攪拌時(shí)間為90s、p H=7。PSAMS在最佳條件下對(duì)含油廢水的除濁率達(dá)到了97.60%。

5)除濁效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,合成絮凝劑PSAMS除濁效果優(yōu)于合成原料Al2(SO4)3、MgSO4及荊門(mén)煉油廠在用的絮凝劑PAC,表明PSAMS有很大的工業(yè)應(yīng)用前景。

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