聚硅酸鋁鐵絮凝劑的研究進(jìn)展

陳 晶，李 莉

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 16300）

聚硅酸鋁鐵絮凝劑的研究進(jìn)展

陳 晶，李 莉

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 16300）

聚硅酸鋁鐵(PSAF)作為一種新型無機(jī)高分子絮凝劑，在除濁、脫色以及去除有機(jī)物方面具有優(yōu)越的性能。文獻(xiàn)報道的濁度、色度以及有機(jī)物的最高去除率可分別達(dá)97%、98%、87%?？刂芇SAF性能及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是Al/Fe/Si的摩爾比、硅酸濃度、堿化度、熟化時間等；同時, PSAF的絮凝效果還受水體參數(shù)的影響。介紹了PSAF的制備、絮凝效果及其影響因素，最后簡要概括了當(dāng)前研究存在的問題。

聚硅酸鋁鐵；絮凝劑；無機(jī)高分子絮凝劑

1 概 述

絮凝技術(shù)是水處理中不可或缺的前置單元操作之一，也是水處理中應(yīng)用最普遍的單元操作之一。在水處理中，絮凝技術(shù)對除去水中固體懸浮物以及NOM（天然有機(jī)物）起著重要作用，它決定整個水處理中的工藝、水質(zhì)以及成本。在水處理中，絮凝劑的選擇對絮凝效果有著直接的影響?，F(xiàn)在所用的無機(jī)絮凝劑主要包括傳統(tǒng)的鋁鹽、鐵鹽以及以鋁鹽、鐵鹽為基礎(chǔ)，在其中引入Cl-、SO42-、SiO32-等陰離子的一種或幾種得到的復(fù)合型無機(jī)高分子絮凝劑。目前的研究主要集中在聚硅酸金屬鹽類絮凝劑上。鋁鹽和鐵鹽絮凝劑是目前市場上兩大主流絮凝劑產(chǎn)品，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如鐵鹽絮凝劑殘余色度高，鋁鹽絮凝劑絮體松軟以及殘余鋁含量超標(biāo)等問題。于是，聚硅酸鋁鐵成為熱門的絮凝劑研究目標(biāo)。

2 PSAF的制備

聚硅酸鋁鐵是向聚硅酸中引入Fe3+和Al3+制備而來的聚硅酸金屬鹽類聚合物。目前，實(shí)驗(yàn)室一般使用純度較高的藥品制得。在工業(yè)上，聚硅酸鋁鐵的生產(chǎn)原料來源較為廣泛，包括鋁鐵礦石以及從工業(yè)廢料中提取]。常用的制備方法有兩種：共聚法和復(fù)合法。兩者最大的區(qū)別在于是否已將金屬鹽聚合，再將其加入到聚硅酸中[1]。

2.1 共聚法

首先是將稀釋后的酸加入到一定濃度的水玻璃(Na2SiO3)溶液中，將其pH調(diào)節(jié)到某一數(shù)值，在此條件下放置一段時間使其聚合，得到一定聚合程度的聚硅酸，然后向其中引入 Al3+和 Fe3+，加入一定濃度的堿性溶液調(diào)節(jié)其堿化度，攪拌、最后經(jīng)熟化過程后得到聚硅酸鋁鐵樣品。這種方法制取的 PSAF聚合度較高，吸附架橋作用較為明顯[2]。

將鋁鹽和鐵鹽的水溶液在攪拌剪切條件下混合，進(jìn)行一定程度的聚合；接著向其中加入聚硅酸，經(jīng)熟化過程后得到聚硅酸鋁鐵[1]。這種方法制得的產(chǎn)品因?yàn)榻饘冫}已發(fā)生聚合不易與硅鏈發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品的聚合度和水解度偏低[3]。但與共聚法的產(chǎn)品相比，其電中和作用有較大提高[2]。

3 PSAF絮凝效果及影響因素

3.1 絮凝劑絮凝效果概述

目前PSAF主要應(yīng)用在污水處理方面，包括含鉻廢水、含油廢水、含磷廢水等。實(shí)驗(yàn)室一般使用配置水來評價PSAF對濁度、色度以及CODMn的去除效果。PSAF除了在絮凝方面具有很好的性能外,還具有緩蝕、殺菌、阻垢等多種功能。結(jié)合目前的研究結(jié)果，PSAF對水體的適用范圍廣，對水體的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均有較好的處理效果。

3.2 PSAF自身參數(shù)對絮凝效果的影響

3.2.1 Al/Fe/Si 摩爾比

對于Al/Fe/Si的摩爾比，理想情況是，在增加絮凝劑的分子量和提高絮凝劑的絮凝效果之間找到Al/Fe/Si 摩爾比的最佳配置比，充分發(fā)揮各元素的作用。

聚硅酸主要依靠表面羥基來吸附膠體粒子，隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，硅酸的分子量增大，聚合度增大，增強(qiáng)了吸附架橋能力，形成的絮體大且易沉降，處理效果較好。將活化后的硅酸作為助凝劑出低溫低濁水效果較好。特別是將活化硅酸作為鋁鹽的助凝劑使用，對低溫低濁水的處理有特效[3]。因?yàn)楣杷嵩谥行詶l件下穩(wěn)定性極差，所以雖然硅酸分子能夠提高PSAF的分子量，增加產(chǎn)品的吸附架橋能力，但是產(chǎn)品中硅酸的含量仍然不能過高。

在目前的世界經(jīng)濟(jì)狀況下，一國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展應(yīng)當(dāng)與整個世界的經(jīng)濟(jì)情況高度關(guān)聯(lián)，加強(qiáng)與世界各國的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，吸收外資的同時也應(yīng)該走出國門向外投資，深度融入世界經(jīng)濟(jì)體系中去?！耙粠б宦贰背h順應(yīng)了國際形勢的發(fā)展趨勢，符合國際社會的根本利益，是加強(qiáng)國際合作的新方法。而從國內(nèi)情況下來看，中國的工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施集中于我國的沿海地區(qū)，如果遇到外部的打擊，很容易失去核心的設(shè)施。與此同時，中國的邊境地區(qū)整體情況處于歷史上最佳時期，周邊的鄰國與中國加強(qiáng)合作的意愿正在普遍上升。

向聚硅酸中引入 Fe3+可以增強(qiáng)其電中和能力，同時鐵鹽絮凝劑形成的絮體密實(shí)、沉降速度快，但鐵鹽絮凝劑也存在絮體較小、水中殘余色度較高等問題[4]。在制備過程中，F(xiàn)e的聚合度有高有低，但在實(shí)際絮凝過程中，是中間形態(tài)的Fe的多羥基絡(luò)合物在起主要作用，在聚合過程中，需要控制Fe的聚合態(tài)。同時，F(xiàn)e的含量過高，會造成樣品穩(wěn)定性下降等問題。

鋁鹽絮凝劑對高濁水、低濁水、高色度以及低溫水都具有較好的絮凝效果。向聚硅酸中引入鋁鹽，聚硅酸與鋁鹽的水解產(chǎn)物相互作用，生成更大的水解絡(luò)合物，具有一定的電中和能力和吸附架橋能力，提高了色度的去除率，但是單獨(dú)使用鋁鹽絮凝劑形成的絮體松散易碎，不易處理。另外，單獨(dú)使用鋁鹽絮凝劑，水體中的殘余鋁含量較高，具有生物毒性的，與硅酸鹽作用后，能將這種毒性降低[5]。

高寶玉等[6,7]利用 PSAF處理高嶺土模擬水樣Al/Fe=10∶3，（Al+Fe）/Si=13∶2時，濁度去除率最高。謝娟[8]通過對某河流河水的處理發(fā)現(xiàn)，Al/Fe/Si= 1:1:2時，處理效果最為理想。可見對不同的水質(zhì)，需要不同的Al/Fe/Si摩爾比。同時，即使具有相同的Al/Fe/Si摩爾比，其他參數(shù)不同，也會產(chǎn)生不同的效果。

3.2.2 堿化度

堿化度是衡量產(chǎn)品堿化程度的一項(xiàng)特征參數(shù)，其化學(xué)定義為PSAF中OH-與Al3+、Fe3+的總摩爾數(shù)之比，即 B=[OH]/[Al+Fe]。一般來說，堿化度越高，PSAF對水體的濁度去除率越高，原因是在OH-濃度大的環(huán)境下，PSAF的聚合反應(yīng)較為活躍，產(chǎn)品的聚合度更大，使得絮凝劑的吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃能力有大幅度提升。但是堿化度過高，會生成鋁、鐵的水解聚合大分子，降低PSAF的穩(wěn)定性，導(dǎo)致“掛壁”以及沉淀分層現(xiàn)象的出現(xiàn)[9]。

3.2.3 熟化時間

熟化時間分別為24 h、3 d、5 d的樣品對濁度和 CODMn 的去除率相差不大[10]。但過長的熟化過程會使得PSAF的絮凝性能顯著下降，出現(xiàn)“掛壁”現(xiàn)象，這是由于熟化過程中聚硅酸持續(xù)聚合以及生成更多的鋁鐵的水解聚合大分子，一定程度上使得產(chǎn)品的電中和以及吸附架橋能力降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降[8]。

3.2.4 用量

由于PSAF的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)原料、實(shí)際生產(chǎn)條件以及水體水質(zhì)參數(shù)差異較大，使得文獻(xiàn)中得出的藥品的最佳投加量無法比較。但大量文獻(xiàn)都印證了產(chǎn)品對水體的處理效果隨著投加量的增加呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢，原因是粒子表面活性會隨著投加量的過量而減弱，絮凝效果下降。馬同森[11]使用PSAF處理印染廢水，在投加量為40 mg/L時，濁度去除率和色度去除率分別為 49.5%和45.3%，當(dāng)投加量為100 mg/L，濁度去除率和色度去除率分別提升98.3%和 85.0%，繼續(xù)提高投加量，水體的處理效果開始變差。Qiu等[12]利用PSAF處理印鈔廢水,在投加量為30.33 g/L時，色度的去除率可達(dá)到98%，繼續(xù)提高藥品投加量處理效果則無明顯提升。

3.2.5 水體pH對PSAF絮凝效果的影響

隨著水體pH的升高，PSAF對濁度的去處率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，水體pH在一定范圍內(nèi)，PSAF均具有較好的處理效果。原因是制備過程中進(jìn)行的預(yù)水解降低了 PSAF進(jìn)入水體后的水解反應(yīng)，使得PSAF對水體pH具有更廣泛的適應(yīng)性。王曉莉等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi) PSAF的絮凝效果受水體pH影響較小。 但是，當(dāng)水體pH較低時，PSAF的絮凝效果有明顯下降。水體pH對傳統(tǒng)的無機(jī)鹽類絮凝劑的效果影響較大。例如，未經(jīng)預(yù)水解的Al鹽或Fe鹽絮凝劑在pH=6左對NOM具有最佳的去除效果，所以當(dāng)水體pH偏高時，絮凝劑需進(jìn)行預(yù)酸化[14]。Canizares等[15]研究發(fā)現(xiàn)向水體中投加傳統(tǒng)無機(jī)鹽類絮凝劑會降低水體pH，最終導(dǎo)致水體處理效果不理想。

3.2.6 水體溫度對PSAF絮凝效果的影響

水體溫度是一系列絮凝過程的重要控制因素。由于絮凝劑的水解是吸熱反應(yīng)，所以適當(dāng)?shù)奶岣咚w溫度可以提高絮凝效果。如把溫度在 20℃時，COD的去除率為85%，將溫度提高到45℃, COD去除率提高到90%[16]。

4 PSAF的絮凝機(jī)理

聚硅酸帶負(fù)電荷，屬陰離子型無機(jī)高分子物質(zhì)。向聚硅酸中引入Al3+、Fe3+，Al3+、Fe3+的水解產(chǎn)物起到橋連作用，使得聚硅酸所帶電荷由負(fù)變正，PSAF對水中膠粒有電中和作用，形成較穩(wěn)定的絮體[17]。加入聚硅酸使得PSAF的分子量增大，絮凝劑的吸附架橋能力得到提升。形成大顆粒后, PSAF的網(wǎng)捕卷掃作用較為突出。特別是在懸浮顆粒物濃度較大的水體中，聚合硅酸的網(wǎng)捕卷掃作用對濁度去除率的提升有較大作用。

5 結(jié)論與展望

作為一種新型無機(jī)高分子絮凝劑的 PSAF，具有生產(chǎn)原料來源廣泛、生產(chǎn)工藝簡單、適用范圍廣、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，還具有緩蝕、殺菌消毒、阻垢等功能，同時PSAF對水體各項(xiàng)指標(biāo)的處理效果明顯尤其其它類型無機(jī)絮凝劑。但是，目前對PSAF的研究還存在一些問題：

（1）由于原料來源較多，水體水質(zhì)情況復(fù)雜，使得不同的研究結(jié)果不具有可比性。

（2）目前制備的 PSAF存在有效成分含量偏低、穩(wěn)定性差、合成過程并非完全可控等問題，同時對產(chǎn)品制備過程中的控制參數(shù)缺乏深入研究。

（3）PSAF在實(shí)際污水處理過程中取得良好的效果，但是在Al3+、Fe3+與硅酸的作用機(jī)理、產(chǎn)品中鋁鐵的形態(tài)分布以及產(chǎn)品形貌等方面，還缺乏系統(tǒng)而深入的研究，也制約PSAF的進(jìn)一步發(fā)展。

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Research Progress of Poly Silicate Aluminium Ferric Flocculant(PSAF)

CHEN Jing，LI Li
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

As a new kind of inorganic polymeric flocculant(IPF), poly silicate aluminium ferric flocculant(PSAF) has superior performance in turbidity removal, decolorization and organic matter removal. According to literatures, the maximum rates of turbidity, chrominance and organic matter are up to 97%, 98% and 87% respectively.The key points to control the performance and stability of PSAF are the mole ratio of Al/Fe/Si，silicate concentration， the alkalization degree and curing time. Meanwhile, the performance and stability of PSAF can be also affected by the water quality. In this paper, preparation of PSAF was introduced as well as its flocculation effect and influencing factors, finally the problems existing in the current study were summed up.

poly silicate aluminium ferric; flocculant；inorganic polymer flocculant

TQ 325

A

1671-0460（2016）11-2678-03

2016-10-30

陳晶（1991-），女，黑龍江省大慶市人，碩士研究生在讀，東北石油大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)，研究方向：水處理。E-m ail：chenjing19921214@126.com。

李莉（1972-），女，副教授，博士，研究方向：油田水處理。E-m ail：liltytm s@nepu.edu.cn。