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)

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)

以硅酸鈉、硫酸鋁、硫酸鎂為原料，采用共聚法制備了無(wú)機(jī)高分子絮凝劑——聚硅酸硫酸鋁鎂(PSAMS)，首先研究了硅酸鈉濃度(以SiO2計(jì))、pH對(duì)凝膠時(shí)間的影響，確定了硅酸鈉溶液含SiO22%、pH=5為制備聚硅酸的較佳條件。然后研究了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，通過(guò)正交試驗(yàn)得到了制備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，在最佳條件下制備的PSAMS絮凝劑對(duì)含油廢水的除濁率達(dá)到95.46%；最后通過(guò)正交試驗(yàn)得到了PSAMS對(duì)含油廢水的最優(yōu)除濁條件，在最佳條件下PSAMS對(duì)含油廢水的除濁率達(dá)到了97.60%。除濁效果對(duì)比表明，合成產(chǎn)物PSAMS除濁效果優(yōu)于合成原料Al2(SO4)3、MgSO4及荊門煉油廠在用的絮凝劑PAC。

無(wú)機(jī)高分子絮凝劑；聚硅酸鋁鎂；含油廢水處理

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?，F(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、pH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)水樣為荊門煉油廠含油廢水，pH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pH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pH、硅酸鈉濃度(以SiO2計(jì))對(duì)聚硅酸凝膠時(shí)間的影響。稱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H2SO4調(diào)節(jié)pH值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同pH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pH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%、pH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)pH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1 Si/Al比對(duì)PSAMS絮凝效果的影響 圖2 Si/Mg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pH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pH。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、pH=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

表5 相同條件下的不同絮凝劑的絮凝效果對(duì)比

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。

6 結(jié) 論

1)硅酸鈉溶液濃度一定時(shí)，其pH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pH一定時(shí)，其濃度越大凝膠時(shí)間越短。硅酸鈉溶液含SiO22%、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pH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。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pH。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、pH=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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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.04.006

X791.03

A

1673-1409(2011)04-0018-03