聚鐵基改性復合絮凝劑的制備及其絮凝性能

宋艷艷，郭 睿，衛(wèi)海琴，喬 宇，王安琪

(陜西科技大學輕化工助劑化學與技術教育部重點實驗室,陜西 西安 710021)

聚硅酸硫酸鐵(PFSS)是一種高效的新型無機高分子絮凝劑，具有良好的穩(wěn)定性以及沉淀網捕作用和電性中和，壓縮雙電層的功能，可用于污水的處理和飲用水的凈化[1-5]。陰離子聚丙烯酰胺(APAM)的高分子鏈上具有活性酰胺基團和帶有負電荷的陰離子羧基官能團，可以和其他物質發(fā)生物理、化學反應。將無機高分子和有機高分子復合制備絮凝劑，結合無機絮凝劑強的電中和能力和有機絮凝劑吸附架橋作用，發(fā)揮長鏈大分子強烈的拖拉、網捕作用[6-7]，克服單一絮凝劑的不足，達到了較好的絮凝處理效果[8]。為此，筆者采用價格低廉無毒無害的PFSS與APAM復配，并用制備的復合絮凝劑對城市廢水進行處理和評價。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

硅酸鈉，分析純，北京康普匯維科技公司；丙烯酰胺，分析純，斯百全(上海)有限公司；硫酸亞鐵、過氧化氫、濃硫酸、氫氧化鈉、過硫酸鉀、亞硫酸氫鈉，分析純，國藥集團。

AquaMate Plus UV8.01型可見分光光度計，美國賽默飛世爾科技公司；GDS-3型濁度儀，上海海恒機電儀表有限公司；Nicolet PROTEGE 460型傅里葉變換紅外光譜儀，美國尼高力公司。

1.2 聚硅硫酸鐵的制備

稱取少量的硅酸鈉配制一定SiO2含量的硅酸鈉溶液，用3 mol/L H2SO4調節(jié)pH值，在室溫下放置后，得到有一定的聚合度的聚硅酸(PS)溶液。再將適量的FeSO4·7H2O用水在一定溫度下溶解，不斷攪拌下滴加少量濃硫酸和雙氧水，在25 ℃熟化4 h，得到較高鹽基度的紅褐色黏稠狀液體聚合硫酸鐵(PFS)。

將制備好的PS溶液滴加到上述PFS溶液中，攪拌使其混合均勻，用濃H2SO4調節(jié)pH值，在水浴恒溫振蕩器中反應一段時間(頻率為55次/min)，靜置、陳化3 h,得到棕紅色PFSS產物。

1.3 陰離子聚丙烯酰胺的制備

丙烯酰胺(AM)陰離子化采用前加堿法[9]，先在反應器中加入質量分數(shù)為25%的AM溶液，加入引發(fā)劑(過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉)，在溫度為25 ℃反應6 h，即得APAM。

1.4 無機-有機絮凝劑的復配

將APAM按確定配比放入已制好的PFSS中，于恒溫磁力攪拌器上加熱攪拌，待PFSS與APAM反應一定時間后即得復合絮凝劑[10]。

1.5 試驗水質

模擬廢水：將10 g硅藻土加入到1 L自來水中配制成溶液，高速攪拌均勻。水質指標為pH=7.8～8.3；電導率為0.35×10-3μs·cm；濁度為57 NTU。

實際廢水水樣：取自西安市污水處理廠，生活污水與工業(yè)廢水的體積比約為7∶3，外觀為灰色渾濁懸浮液，pH= 6.5～8.5；電導率為0.77×10-3μs·cm，濁度為169 NTU，COD為 350.3 mg/L。

1.6 應用試驗

采用燒杯試驗法對廢水進行絮凝實驗。取0.5 L水樣于燒杯中，用移液管加入預定量的絮凝劑溶液，快速攪拌2 min (220 r/min)，再低速攪拌15 min(50 r/min)，靜置20～25 min，用移液管在液面下2 cm處取清液進行分析測試。

在波長為430 nm下測定透光率，測定時以蒸餾水做空白對照；測定COD值采用重鉻酸鉀滴定法[11]；試樣濁度用GDS-3型濁度儀測定；去除率按下式計算：

去除率=(A0-A1)/A0×100%

其中，A0和A1分別為水樣處理前后的COD或濁度值。

2 結果與討論

2.1 PFSS的結構表征

在w(SiO2)=1.0%、Fe/Si摩爾比為1.0、PS活化時間4 h、聚合溫度60 ℃、聚合pH=1.5條件下合成PFSS，對其結構進行紅外表征,見圖1。

圖1 PFSS的紅外光譜

圖1中，σ/cm-1：3 386處為Si—OH鍵的伸縮振動吸收峰；1 642處為水分子的角度變形所產生的吸收峰[12]；1 117處為Fe—O或Fe—OH的振動吸收峰；978處為Fe—O—Si鍵的伸縮振動吸收峰。這說明在聚硅酸存在時，部分鐵離子及水解絡合鐵離子可與共存的聚硅酸反應生成鐵硅聚合物。

2.2 PFSS的合成條件

實驗考察了PFSS合成因素對模擬廢水的絮凝的影響，結果如表1所示。由表1可見：PFSS的最佳合成條件為：w(SiO2)=1.0%,n(Fe)∶n(Si)=1.0,PS活化時間4 h,聚合溫度60 ℃,聚合pH=1.5。在此條件下制備的聚硅硫酸鐵絮凝劑可使廢水的透光率達85.5%。

表1 各因素對PFSS絮凝劑絮凝性能的影響

2.3 PFSS-APAM的復合條件

2.3.1m(PFSS)∶m(APAM)對絮凝效果的影響

在w(SiO2)=1.0%，鐵硅摩爾比為1.0，復合絮凝劑占硅藻土(質量分數(shù)為1%)體積分數(shù)為1.0%，復合時間1 h，pH=5.0，溫度50 ℃條件下，考察m(PFSS)∶m(APAM)對絮凝效果的影響，結果見圖2。

圖2 復合配比對復合絮凝劑絮凝效果的影響

由圖2可知：當m(PFSS)∶m(APAM)=4∶1時，復合絮凝劑絮凝效果最好。這是由于APAM達到一定量時，復合絮凝劑與絮體之間不僅有架橋和網捕作用，而且發(fā)生架橋和網捕之間的高分子還能靠相互作用形成三維網狀結構的大絮團，從而有助于沉降分離,所以復合絮凝劑的最適配比為4∶1。

2.3.2溫度對絮凝效果的影響

保持其他條件不變，考察溫度對絮凝效果的影響，結果見圖3。

圖3 溫度對復合絮凝劑絮凝效果的影響

由圖3可見：溫度在60 ℃時反應產物對模擬廢水的處理效果最好，廢水的透光率高達96.4%。升高復合溫度有利于APAM的分散溶解；但溫度過高，復合溶液穩(wěn)定性差；當溫度達100 ℃時，復合溶液表面出現(xiàn)絮狀不溶物。原因是隨著溫度的升高，APAM溶脹，流動性變差所致?？梢姡m宜復合溫度為60 ℃。

2.3.3pH值對復合絮凝劑絮凝性能的影響

保持其他條件不變，考察pH值對絮凝效果的影響，結果見圖4。

圖4 復合pH值對絮凝效果的影響

由圖4可見:pH值為7時，復合絮凝劑的絮凝效果最好，使廢水的透光率可達96.5%。由于PFSS表面正電荷屬性將有助于與陰離子聚合物APAM的結合，而形成更高分子量的絮凝劑。但當pH值增大到一定程度時，會有一部分Fe3+與過多的OH-結合生成Fe(OH)3沉淀，從而導致絮凝效果下降。

2.3.4絮凝劑投加量對絮凝效果的影響

保持其他條件不變，考察絮凝劑投加量對絮凝效果的影響，結果見圖5。

圖5 絮凝劑投加量對復合絮凝性能的影響

從圖5可知：當φ(絮凝劑)=1.5%時，復合絮凝劑的絮凝效果最好。在絮凝過程中，復合絮凝劑通過電中和、架橋、網捕等作用與微粒吸附在一起。當混凝劑投加量不足或過大時都得不到很好的混凝效果，當投藥量過小，膠體離子表面沒有足夠的絮凝分子，水中雜質不能得到充分的逆反電荷而脫穩(wěn)不能凝聚結大，不能形成絮體；隨著投藥量的增加，膠體離子形成絮體而沉降；投藥量過多，粒子表面活性降低，可能會發(fā)生再穩(wěn)現(xiàn)象，絮凝效果提高幅度明顯下降。

2.3.5復合絮凝劑PFSS-APAM的表征

采用L9(34)正交表對影響復合絮凝劑的因素進行考察，確定各因素對復合絮凝劑的影響大小依次為：投加量>復合溫度>復合配比>復合pH，該無機-有機復合絮凝劑最優(yōu)復配條件為：m(PFSS)∶m(APAM)為4∶1，φ(絮凝劑)=1.5%，復合溫度50 ℃，復合pH值為7.0。對在此條件下制備的PFSS-APAM進行了紅外表征，見圖6。

圖6 PFSS-APAM的紅外光譜

圖6中，σ/cm-1：3 377處為Si—OH鍵的伸縮振動吸收峰；1 115處為Fe—O或Fe—OH振動吸收峰；1 664處為酰胺基團中羰基的伸縮振動吸收峰；3 224處為酰胺基的強吸收帶；1 664處為羧基離子吸收帶[13]；978處為Fe—O—Si鍵的伸縮振動吸收峰。以上證實了陰離子聚丙烯酰胺與聚硅硫酸鐵復配成功。

2.3.6對城市生活廢水的絮凝效果

分別在0.5 L的城市廢水水樣中投加體積分數(shù)為2.0%的PFSS和1.5%的PFSS-APAM進行分析測定，絮凝效果見表2。

表2 PFSS和PFSS-APAM對城市生活廢水的絮凝效果

由表2可知：與單獨使用PFSS相比，PFSS-APAM處理城市廢水用量少，絮凝效果更好，且處理后的水樣顏色變淺，氣味變淡，水質得到明顯改善。

3 結 論

a.合成聚硅硫酸鐵絮凝劑的最適條件為：SiO2濃度為1.0%,Fe/Si摩爾比1.0,PS活化時間4 h,聚合溫度60 ℃,聚合pH值為1.5。

b.通過陰離子聚丙烯酰胺對聚硅硫酸鐵進行了改性，制得了新型無機-有機復合絮凝劑。合成復合絮凝劑工藝條件為：m(PFSS)∶m(APAM)=4∶1,復合溫度為50 ℃,復合pH=7.0,φ(絮凝劑)=1.5%時，絮凝效果最好，用其處理后城市廢水透光率高達96.8%，COD去除率為92.7%，除濁率達92.3%。

參 考 文 獻

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