混凝动力学.doc

I 聚硅硫酸铁絮凝剂的制备及性能研究 摘 要 聚硅硫酸铁是在活性硅酸 聚铁的基础上发展起来的一种较为新型的水处理剂 它 是将金属铁离子引入到活性硅酸而制得的复合型絮凝剂 以聚硅酸加强铁聚物的黏结聚 集能力 而以适量的铁离子延长聚硅酸的胶凝时间 故与聚硫酸铁 PFS 相比具有更 优良的混凝性能 如除浊 去除COD 效率高 絮体沉降速度快 稳定时间长等优点 本 文研究了无机高分子复合絮凝剂聚硅硫酸铁 PFSS 的制备与絮凝性能 采用硅酸钠 硫 酸铁 浓硫酸等为原料 先分别制备出聚硅酸 PS 和聚硫酸铁 PFS 陈化一段时间 后 将两者在适宜的条件下聚合得到聚硅硫酸铁新型无机高分子絮凝剂 通过控制变量 法 研究SiO2的浓度 Fe与Si的摩尔比 聚硅酸 PS 的活化时间 聚硅酸 PS 与聚硫 酸铁 PFS 的聚合温度 聚合pH等因素对产品絮凝性能的影响 结果表明当SiO2的浓度 1 Fe与Si的摩尔比为0 5 聚硅酸 PS 的活化时间为2h 聚硅酸 PS 与聚硫酸铁 PFS 的聚合温度为80 聚合pH为1 5时 聚硅硫酸铁对污水有最佳的絮凝效果 关键词 聚硅硫酸铁 无机高分子 复合絮凝剂 絮凝性能 影响因素 污水处理 II STUDY ON THE SYNTHESIS AND PERFORMANCE OF POLY SILICONFERRICSULFATE FLOCCULANT ABSTRACT PFSS is a relatively new type of water treatment agent which developed on the basis of the activity of silicic acid poly iron it is the composite flocculant introducing the metal iron ion into the active silicic acid Poly silicate is used to strengthen the iron polymer s ability of bonding together and the amount of iron ions is used to extend of the gel polysilicate time so compared with the poly ferric sulfate PFS it has better coagulation properties such as high efficiency of turbidity and COD removal fast floc settling velocity long stable time and so on This paper researchs the synthesis and performance of poly siliconferricsulfate flocculant PFSS Use sodium silicate ferric sulfate concentrated sulfuric acid as raw materials to prepare poly silicate PS and poly ferric sulfate PFS first after a period of aging get them together under the suitable condition to make PFSS Through the control quantity method study the concentration of SiO2 the mole ratio of Fe and Si the activation time of PS the polymerization temperature and pH of PS and PFS and other influencing factors to product flocculation performance the result shows that when the concentration of SiO2 is 1 the molar ratio of Fe and the Si is 0 5 the activation time of PS is 2h the polymerization temperature of PS and PFS is 80 and getting together pH is 2 PFSS has the best flocculation effect to the sewage KEY WOEDS poly siliconferricsulfate flocculant inorganic high polymer composite flocculant flocculation influencing factor sewage treatment III 目目 录录 中文摘要 英文摘要 1 前言 1 1 1 絮凝剂简介 1 1 2 无机絮凝剂简介 1 1 2 1 单组分无机高分子絮凝剂简介 3 1 2 1 1 阳离子型 3 1 2 1 2 阴离子型 4 1 2 2 复合型无机高分子絮凝剂简介 4 1 2 2 1 阳离子型 4 1 2 2 2 阴离子型 5 1 3 聚硅硫酸铁絮凝剂 PFSS 简 介 6 2 聚硅硫酸铁絮凝剂 PFSS 絮凝原理 6 3 实验部分 6 3 1 实验试剂与仪器 6 3 2 实验内容 7 3 2 1 聚硅硫酸铁絮凝剂的制备 7 3 2 2 探究影响聚硅硫酸铁絮凝剂絮凝性能的因素 7 3 2 3 COD 的测定 12 3 2 4 聚硅硫酸铁铝絮凝剂的制备 12 3 2 5 两种絮凝剂絮凝性能的比较 12 4 工作总结与展望 13 4 1 工作总结 13 4 2 展望 13 参考文献 13 致谢 15 IV 1 1 前 言 随着我国经济的发展 用水量急剧增加 工业废水也相应增加 无论是饮用水还是 工业废水都要经过处理才能使用或排放 而絮凝是用水和废水处理工艺中应用最普遍的 关键环节之一 它在很大程度上影响着后续流程的运行工况 最终出水质量和成本费用 因而成为环境工程中重要的科技研究开发领域 高效的絮凝技术系统应该由优异的絮凝 剂 反应器和自控投药三方面紧密结合而成 其中絮凝剂起核心作用 絮凝剂分无机 有 机 复合 微生物四大类 其中无机絮凝剂由于其价格低廉 无毒 处理效果好 易于 储运而引起中外学术界和企业界的高度重视 1 1 絮凝剂简介 根据絮凝剂的化学成分和组成一般可分为无机絮凝剂 有机絮凝剂 复合絮凝剂和 微生物絮凝剂四大类 1 其中无机絮凝剂根据分子量又可分为无机低分子絮凝剂和无机高 分子絮凝剂 有机絮凝剂根据原料来源可分为合成有机高分子絮凝剂和天然改性高分子絮 凝剂 复合絮凝剂根据其组成成分可分为无机复合型絮凝剂 包括铝铁 铝硅等复合型絮 凝剂 和无机有机复合型絮凝剂 具体分类见表1 1 表 1 1 絮凝剂分类 类型种类举例 无机絮凝剂无机低分子絮凝剂硫酸铝 氯化铝 硫酸铁 硫酸 亚铁 氯化铁 硫酸镁 无机高分子絮凝剂聚合氯化铝 聚合硫酸铝 聚合 硫酸铁 聚合氯化铝 活性硅酸 有机絮凝剂合成有机高分子絮凝剂聚乙烯吡啶盐 乙烯吡啶共聚物 聚丙烯酰胺 聚丙烯酸钠 天然改性高分子絮凝剂淀粉 木质素 单宁等的改性产 物 甲壳素的改性产物 复合絮凝剂无机复合型絮凝剂聚合氯化铝铁 聚合硅酸硫酸铝 聚合硅酸铁 聚合硅酸铁铝 无机有机复合型絮凝剂聚合铝 聚丙烯酰胺 聚合铁 聚丙烯酰胺 聚合铝 甲壳素 微生物絮凝剂直接利用微生物细胞的絮凝剂 从微生物细胞提取的絮凝剂 微 生物细胞代谢产生的絮凝剂 2 1 2 无机絮凝剂简介 无机絮凝剂的发展历史悠久 广泛应用于饮用水及工业用水的净化处理中 按其分 子量大小可分为无机低分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂 无机低分子絮凝剂主要包括硫 酸铝 氯化铝 硫酸铁 氯化铁等 其中硫酸铝一直是工业中最重要的铝盐之一 以第 一代无机混凝剂中的代表 硫酸铝为例进行讨论 2 硫酸铝Al2 SO4 3 18H20溶于水后 电 解出Al3 并结合6个配位水分子 成为水合离子 Al H20 6 3 水合离子进一步水解 形 成单羟基单核配合物 当pH 4时 水解受到抑制 水中存在的主要形式是 Al H20 6 3 当pH 4 5时 水中 有 Al OH H20 5 2 Al OH 2 H20 4 及少量 A1 OH 3 H 20 3 当pH 7 8时 水中主要 是 A1 OH 3 H 20 3 沉淀物 在某一特定pH值时 水解产物还有许多复杂的高聚物和络合 物同时存在 因为初步水解产物中的羟基OH具有桥键性质 在由 Al H20 6 3 转向 A1 OH 3 H 20 3 的中间过程中 羟基可将单核配位物通过桥键缩聚成多核络合物 这些缩聚反应 的连续进行 可使配合物变成高分子聚合物 在缩聚反应的同时 聚合物水解反应仍继 续进行 结果在水中形成多种形态的高聚物 在pH值低时 高电荷低聚合度的配合物占 多数 在pH值高时 低电荷高聚合度的高聚物占多数 从上述化学反应过程可以看出 发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物 为使硫酸 铝达到优异的混凝效果 应尽量使静电中和 吸附架桥作用都得到充分发挥 在三价铝 离子的水解缩聚趋向氢氧化铝时 应充分利用中间产物 带电聚合物降低或消除胶体的 电势 使胶体脱稳 因此 当絮凝剂投入水中 应立即进行剧烈搅拌 使带电聚合物 迅速均匀地与全部胶体杂质接触 使胶体脱稳 最后脱稳胶体在相互凝聚的同时 靠聚 合度不断增大的高聚物的吸附架桥作用 形成大的絮凝体 使混凝过程很好完成 硫酸 铝处理后的水中残余可溶性铝化合物浓度高 使它的进一步应用受到限制 无机低分子 絮凝剂聚集速度慢 形成的絮状物小 腐蚀性强 在很多场合净水效果不理想 已逐渐 被无机高分子絮凝剂所取代 无机高分子絮凝剂 IPF 是二十世纪六十年代后在传统铝盐 铁盐的基础上发展起来 的一种新型的水处理剂 3 如聚合氯化铝 PAC 聚合硫酸铝 PAS 聚合磷酸铝 PAP 聚合氯化铁 PFC 聚合硫酸铁 PFS 聚合磷酸铁 PFP 等 由于这类化合物与历来的水 处理药剂相比在很多方面都自有特色 而被称为第二代无机絮凝剂 IPF的优点反映在它 比传统混凝剂如硫酸铝 氯化铁等效能更优异 而比有机高分子絮凝剂 OPF 价格低廉 3 现在它成功地应用在给水 工业废水以及城市污水的各种流程 包括前处理 中间处理 和深度处理中 逐渐成为主流絮凝剂 目前 在日本 俄罗斯 西欧以及我国 无机高 分子絮凝剂己有相当规模的生产和应用 聚合类药剂的生产占絮凝剂总量的30 60 PAC早在三十年代就已被德 日 美等国科学家研制成功 并在工业上有小规模应用 但是 直到六十年代以后 工业废水逐渐增多 环保呼声日益强烈 聚铝的优越净水性 能才被人们重视 并且开始研究它的净水机理 聚合规律和形态结构 因为它的广泛应 用 PAC被称为七十年代划时代的絮凝剂 迄今为止 铝盐在饮用水处理中使用最广泛 产量最大 聚铁类无机高分子絮凝剂是在铝盐原料相对短缺 产品价格偏高 工艺条件要求较 高等限制条件下应运而生的 1975年国外已有液体聚合硫酸铁的报道 1976年日本首先 研制成功 八十年代投入工业性生产并应用于多种废水和工业用水的净化处理 对于聚合铁的净水机理研究 相比之下还远不及聚铝的成熟 目前大多数研究者认 为 铁和铝在水解过程中有许多相似之处 4 由于在水解及聚合过程中产生了各种不同的 络合物交联体和胶质氢氧化物的低 高聚合体 因而具有较强的吸附 粘结和沉降能力 最终达到混凝效果 相对聚铝类无机高分子絮凝剂而言 它具有价格低 pH适用范围宽 絮凝速度快 絮体密实 沉渣量少等特点 但铁盐具有腐蚀性强和造色等缺点 使它的 应用受到一定的限制 以上提到的铝盐和铁盐主要是以阳离子作为功能离子 进行电中和及其它作用 因 而称为无机阳离子絮凝剂 与无机阳离子絮凝剂相对的是以活化硅酸 ASi 和聚合硅酸 PSi 为代表的无机阴离子絮凝剂 5 它主要以阴离子的粘结 吸附架桥作用为主 去除 有机物 但由于硅酸胶凝期短的原因 至今还没有形成单独的商品用于水处理 主要用 于复合絮凝剂的开发 聚合硅酸和活化硅酸属阴离子型絮凝剂 其作用机理是靠分子链 上的阴离子活性基团与胶体微粒表面间的范德华力 氢键作用而引起的吸附架桥作用 而不具有电中和作用 目前对它的研究已经很成熟 侧重点己经转向到了其盐类的絮凝 效果的提高 即与无机盐相复合 1 2 1 单组分无机高分子絮凝剂简介 单组分型无机高分子絮凝剂主要分为阳离子型和阴离子型 1 2 1 1 阳离子型 阳离子型主要有聚合氯化铝 铁 聚合硫酸铝 铁 等 聚合氯化铝 PAC 又名碱式氯 4 化 BAC 于20世纪60年代在日本首先进入水处理实用阶段 我国在20世纪70年代初有生 产报道 实际应用表明 PAC絮凝效果为传统低分子铝Al的2 3倍 具有投加量少 对水 体pH值影响小 矾花形成速度快 适宜的投加范围广等一系列优点 在提高水处理质量 方面表现了极大的优越性 尤其是在高浊度水处理方面 PAC对水浊度和色度有很好的去 除率 对COD BOD 重金属离子和放射污染物等也有作用 但效果不是很理想 据报道 在低温下 PAC仍有良好的絮凝效果 在弱酸性条件下 羟铝比为2 4 1的PAC在低温下的 效能比在常温下好 6 传统的PAC的生产工艺一般均较复杂 从AlCl3的部分水解到聚合 需严格控制条件 同时Cl一有很强的腐蚀性 一般不能用不锈钢作反应容器 需用纯钦金 属作反应釜内衬 在正常压力下 也可以采用搪瓷反应罐 但其寿命有限 有人根据絮 凝机理和电化学过程机理 把絮凝剂的化学制备与电解絮凝作用综合运用 提出了电解 制备PAC的设想和方法 并进行了一定程度和范围的实践和应用 7 聚合硫酸铁 PFS 又称碱 式硫酸铁 BFS 1976年由日本铁矿业株式会社首次研制成功 20世纪80年代 以天津化 工研究院 北京科大为首的几家科研单位 从PFS的原料来源 氧化剂的选择方面 相继 发表了数十项PFS合成专利及研究结果 如用磁铁矿粉 硫铁矿烧渣等为原料的生产 PFS是硫酸铁在控制条件下水解一聚合一沉淀过程的中间产物 其优点为水解速度快 对 印染厂 造纸厂等工业废水的脱色 除重金属的效果较好 适宜水体pH值范围宽 4 0 11 0 最佳pH 8 2 矾花形成速度快 密集且质量大 8 但对于一定浓度的有机 废水处理 PFS中的部分铁会形成金属有机物而溶于水中 造成水处理的二次污染 因此 不宜用于饮用水处理 有报道认为 其处理高浓度有机废水的效能不如PAC 加之担心残 留Fe III 离子对水体色泽的影响 国内应用PFS不如PAC广泛 9 1 2 1 2 阴离子型 主要指活性硅酸絮凝剂 这是一种优秀净水剂 具有无毒无害 投药少 价格便宜 聚合方法简单 水处理后的残余浊度较一般净水剂低等优点 其缺点是稳定性能差 极 易自行聚合形成不溶于水的高聚物硅胶凝胶而丧失净水效力 必须在使用前临时配制 因此其实际应用受到很大限制 目前国内外都是将其作为助凝剂与絮凝剂配合使用 1 2 2 复合型无机高分子絮凝剂简介 将两种或多种单组分絮凝剂通过某些化学反应 形成高分子量的共聚复物 这样既 克服了单组分絮凝剂的不足之处 又发挥了各自的优点 聚合度大大增强 产生了显著 的增效互补作用 少数也采用多种絮凝剂 助剂混合成制剂的方法 严格说来 它应称为 5 混合型絮凝剂 近年来 研制和应用各种复合型絮凝剂已成为热点 1 2 2 1阳离子型 主要有镁铝复合型和铁铝复合型两种 镁铝复合型即铝盐溶液 Mg OH 2 MgC03等反 应制得 镁的含量为 A1203含量的 5 45 之内 这种絮凝剂有良好的除油 除磷和除 COD 等性能 对发展生物化学领域的废水处理有着重要意义 10 虽然高分子铝盐絮凝剂和高分子铁盐絮凝剂在水处理中的处理效果都较好 但由于 都存在一些缺点 因此 近年来国内外学者做了大量的工作来将铝盐和铁盐共聚合 以 达到在水处理中铝盐和铁盐协同增效的目的 并取得了一定的成果 这是一类以铝盐为 主 铁盐为辅的无机复合絮凝剂 现己研制出来的有聚合氯化铝铁 PAFC 聚合硫酸铁 铝 PFAS 聚硅酸铁铝 PSFA 聚合硫酸氯化铝铁 PAFCS 等 1 2 2 2 阴离子型 多价阴离子的存在对铝 铁 形态有明显影响 使其聚合度增大 有的还增加其正电 荷 这对凝聚是有利的 无机高分子阴离子复合型絮凝剂主要分为聚磷氯化铝 PPAC 和 聚硅酸金属盐两种 聚磷氯化铝 11 絮凝剂中PO43一不同程度参与铝络合反应 并在铝原子间架桥 在其形 态结构中增加了新的电荷更高 分子量更大的若干多核络合物 其具有更高的絮凝效能 和长期稳定性好 通过絮凝搅拌实验 PPAC对含油污水 有机废水等进行絮凝处理的结 果表明 在较少的投药量下 对浊度 油分 Cr3 产的去除率达90 以上 对可溶有机物 的去除率也达60 以上 且适应较高pH值 有利于碱性废水处理 处理后不引起水中磷的 增加 因此有广阔的应用前景 聚硅酸金属盐是近年来开发的一种通过添加高分子活性 硅酸而制得的复合型絮凝剂 与其复合的多价金属盐可以是铁 铝 镁 铜 锌 钻 钙及锡的硫酸盐或硝酸盐 其中最被人们关注的是聚硅酸铝盐 该类絮凝剂的开发和研 制在国外始于20世纪80年代末期 国内则始于20世纪90年代初期 它同时具有电中和作 用及吸附架桥作用 絮凝效果好 成本低 处理后水中的残余铝量少 12 聚硅酸对铝离子 具有一定的络合作用和吸附作用 适量铝离子可以延长聚硅酸的胶凝时间 通过应用性 能研究表明 聚硅酸铝盐絮凝剂较普通铝盐絮凝剂有更好的除浊效果和脱色率 并且处 理低温低浊水的效果更为明显 13 目前国内外制备聚硅酸铝盐絮凝剂的方法主要分为三种 1 以矿石 废矿渣 粉煤 6 灰等作原料 2 将铝盐引入到聚硅酸溶液中 3 用硅酸钠 铝酸钠和硫酸铝等作原料 在高剪切工艺条件下进行制备 1989年 加拿大Handy化学品公司首先发表了聚合硅酸铝 PASS 研制成功的报道 14 但用这些方法制备的产品往往存在稳定性差 或Si02含量过低 工艺复杂 成本高 需特殊设备等问题 从而影响这类新型絮凝剂工业化生产的实现和 在水处理中的广泛应用 1 3 聚硅硫酸铁絮凝剂简介 聚硅硫酸铁是一种较为新型的无机高分子絮凝剂 它在水溶液中存在着多种络离子 它们以OH 作为架桥形成多核络离子 从而变成较大的无机高分子化合物 它具有一些突 出特点 如优良的凝聚性能 絮体沉降速度快 有较强的去除水中的COD及重金属的能力 稳定时间长 本文主要探讨了PFSS的制备条件及其性能特性 为实现其工业化生产提供科 学依据 2 聚硅硫酸铁絮凝剂絮凝原理 传统铁盐和铝盐混凝剂主要是通过金属离子水解生成各种聚合度的络离子 对废水 中的胶粒或悬浮颗粒产生脱稳凝聚 吸附架桥和卷扫作用 15 这三种作用有时同时存在 有时以某种作用为主 在硅酸钠溶液中加入硫酸 活化得到一定聚合度的聚硅酸 然后 加人铁盐 Fe3 在水溶液中进行水解一络合 聚合一沉淀反应 生成一系列多核羟基络离 子 这些络离子带有正电荷 对水中带负电荷的胶体和悬浮物产生吸附和电中和作用 另一方面 它们中的一部分与聚硅酸的链状 环状分子端的氢氧根以及阴离子SO42 进行络 合作用和吸附作用 形成带Si一O一Fe和Fe一SO42 一Fe等键的鳌合物 这些整合物的生成 阻止了其主体成分聚硅酸胶粒之间的直接聚合 有利于聚硅酸颗粒的稳定 由于上述过 程所形成的整合物主要为混凝性能最佳的中等聚合度的形态 因此极大地改善它的混凝 性 16 3 实验部分 3 1 实验试剂与仪器 试剂 硅酸钠 Na2SOi3 9H2O 分析纯 7 硫酸铁 Fe2 SO4 3 XH20 化学纯 浓硫酸 H2SO4 p 1 84g mL 氢氧化钠 NaOH 分析纯 硫酸铝 Al2 SO4 3 分析纯 硫酸亚铁铵 FeSO4 NH4 2SO4 6H2O 分析纯 硫酸银 Ag2SO4 分析纯 重铬酸钾标准溶液 污水 取自绍兴天马纺织印染厂终水 仪器 pHB 4 便携式 pH 计 上海精制 TC 15 套式恒温器 海宁市新华医疗器械厂 85 2 数显恒温磁力搅拌器 金坛市大地自动化仪器厂 电子天平 余姚纪铭称重校验设备有限公司 WGZ 1 数字式浊度仪 上海珊科仪器厂 电子恒温不锈钢水浴锅 上海市南阳仪器有限公司 3 2 实验分析方法 1 取 65ml 的污水放入锥形瓶中 再量取 35ml 的 PFSS 絮凝剂放入瓶中 在磁力 搅拌器上搅拌混合一段时间后放入大试管内陈化数小时后 取上清液用浊度仪测其浊度 2 用重铬酸盐法测定经处理后污水的化学需氧量 CODCr 根据公式 12 0 C V V 8000 COD mg L V 计算原污水及处理后污水的 COD 值 其中公式中 C 代表硫酸亚铁铵标准滴定溶液的浓度 V1代表空白实验即蒸馏水所消耗的硫酸亚铁铵标准滴定溶液的体积 V2代表待测样品所 消耗的硫酸亚铁铵标准滴定溶液的体积 V0代表所取待测样品体积 3 3 实验内容 3 3 1 聚硅硫酸铁絮凝剂 PFSS 的制备 1 聚硅酸 PS 的制备 称取一定量的 Na2SiO3 9H2O 根据计算配制出一定 SiO2 浓度的硅酸钠溶液 控制反应 8 温度为 25 左右 边搅拌边用 3mol LH2SO4 调节 pH 值达到 2 0 在 25 放置一段时间 使硅酸有一定的聚合度 制得 PS 溶液 17 2 聚硫酸铁 PFS 的制备 以 Fe2 SO4 3为原料 加入适量蒸馏水 配成硫酸铁的溶液 加入适量浓 H2SO4 控制 Fe2 SO4 3与 H2SO4 的摩尔比为 1 0 4 把锥形瓶置于一定温度的恒温磁力搅拌仪内搅拌 溶 解完全 得低粘度 PFS 絮凝剂 17 3 聚硅酸 PS 与聚硫酸铁 PFS 的聚合 最后将制备好的聚合硅酸滴加入制备好的聚合硫酸铁溶液 使其混合均匀 用浓 H2SO4 调节 pH 值在 1 5 左右 在一定温度的恒温磁力搅拌仪中搅拌反应一段时间 静置 陈化 一段时间 得到 PFSS 聚硅硫酸铁产品 17 4 聚硅硫酸铁铝絮凝剂 PFSA 的制备 由于时间比较紧迫 粗略制备聚硅硫酸铁铝絮凝剂 取一定量的硅酸钠 用蒸馏水 配制成SiO2含量2 5 质量分数 的Na2SiO3溶液 即5 7g Na2SiO3 42mL蒸馏水 然后用 20 的硫酸酸化 调节pH值至7 静置8min左右 依次加入一定量的Al2 SO4 3 Fe2 SO4 3 加热 搅拌 陈化一定时间后 得到PSFA絮凝剂 18 3 3 2 探究影响聚硅硫酸铁絮凝剂絮凝性能的因素 1 SiO2浓度对絮凝剂絮凝性能的影响 固定Fe Si摩尔比值为0 5 聚合pH值等于1 5 于50 下活化1h 改变SiO2的浓度分 别为0 5 1 0 1 5 2 5 3 0 制备不同的聚硅硫酸铁 PFSS 絮凝剂 备用于下 一步骤的混凝实验 其结果通过制图可以客观形象地反应出PFSS絮凝剂随SiO2浓度变化其 絮凝性能的变化情况 寻找最佳的SiO2浓度 所得结果如图3 1 9 图3 1 不同SiO2浓度对PFSS絮凝剂絮凝性能效果的影响 50 60 70 80 90 00 511 522 533 5 SiO2 浊度去除率 从图3 1看出 当SiO2浓度在0 5 1 5 时 PFSS的絮凝性能较为理想 对污水的浊度 去除率可达80 以上 当SiO2浓度等于1 时为最佳浓度 而且絮体大 沉降快 SiO2浓度 高于1 5 时 除浊效果明显下降 絮体较小且不易沉降 这说明SiO2的含量会影响絮凝剂 的稳定性 2 Fe Si摩尔比值对絮凝剂絮凝性能的影响 在最佳的SiO2浓度即1 的情况下 通过改变Fe Si摩尔比分别为 0 25 0 5 1 0 1 5 2 0制备不同的聚硅硫酸铁 PFSS 絮凝剂 备用于下一步骤的 混凝实验 其结果通过制图可以客观形象地反应出PFSS絮凝剂随Fe Si摩尔比变化其絮 凝性能的变化情况 寻找最佳的Fe Si摩尔比值 所得结果如图3 2 图3 2 Fe Si摩尔比值对PFSS絮凝剂絮凝性能的影响 70 72 74 76 78 80 82 84 00 511 522 5 Fe Si摩尔比值 浊度去除率 从图3 2看出 Fe Si摩尔比对絮凝性能有明显的影响 随着Fe Si摩尔比的增大 硫酸铁加量的增大 当比值等于0 5时 污水浊度的去除率达到最大 絮凝效果最佳 比值从0 5增大到1 5过程中 去除率有明显的下降 10 3 PS的活化时间对絮凝剂絮凝性能的影响 在SiO2浓度为1 和Fe Si摩尔比为0 5的情况下 通过改变聚硅酸 PS 的活化时间 分别为1 0 2 0 3 0 5 0 10 0 24 0小时 制备不同的聚硅硫酸铁 PFSS 絮凝剂 备用于下一步骤的混凝实验 其结果通过制图可以客观形象地反应出PFSS絮凝剂随PS的 活化时间变化其絮凝性能的变化情况 寻找最佳的聚硅酸活化时间 所得结果如图3 3 图3 3 PS活化时间对PFSS絮凝性能的影响 50 55 60 65 70 75 80 85 90 051015202530 PS活化时间 h 浊度去除率 从图3 3中看出 当PS活化时间为2小时时 硅酸聚合度较高 高度聚合的硅酸有更 高强的吸附架桥能力 PFSS的絮凝效果最佳 从实验结果看 若活化聚合时间过长 24h PFSS的除浊能力反而会下降 这说明 随着硅酸聚合度增加 PFSS的稳定性降 低 因此 要控制恰当的活化时间 4 PS与PFS的聚合温度对絮凝剂絮凝性能的影响 在SiO2浓度为1 Fe Si摩尔比为0 5情况下 活化2h时间 通过改变聚硅酸 PS 和聚硫酸铁 PFS 的聚合温度分别为20 50 60 80 100 制备不同的聚 硅硫酸铁 PFSS 絮凝剂 备用于下一步骤的混凝实验 其结果通过制图可以客观形象 地反应出PFSS絮凝剂随PS和PFS的聚合时间变化其絮凝性能的变化情况 寻找最佳的PS与 PFS的聚合温度 所得结果如图3 4 11 图3 4 PS与PFS聚合温度对PFSS絮凝性能的影响 70 75 80 85 90 020406080100120 PS与PFS聚合温度 浊度去除率 从图3 4中看出 当聚合温度达到60 时 污水的浊度去除率最低 但当温度上升至 80 去除率又呈现上升的趋势 这是因为在一定反应温度条件下有利于两者聚合 但 温度过高会让一部分的聚合硫酸铁中的Fe3 更容易发生水解 形成红褐色的微小核 不利 于PFSS的制取 从而降低了PFSS的絮凝效果 故PS与PFSS聚合的最佳温度为80 5 PS与PFS的聚合pH对絮凝剂絮凝性能的影响 在SiO2浓度1 Fe Si摩尔比0 5 在80 的聚合温度下活化2h 通过改变聚硅酸 PS 和聚硫酸铁 PFS 的聚合pH分别为1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 制备不同的聚硅 硫酸铁 PFSS 絮凝剂 备用于下一步骤的混凝实验 其结果通过制图可以客观形象地 反应出PFSS絮凝剂随PS和PFS的聚合pH变化其絮凝性能的变化情况 寻找最佳的PS与PFS 的聚合pH 所得结果如图3 5 图3 5 PS与PFS的聚合pH对PFSS絮凝性能的影响 30 40 50 60 70 80 90 00 511 522 533 5 PS与PFS的聚合pH 浊度去除率 从图3 5看出 体系中最佳的pH值为1 5 6 絮凝剂投加量对絮凝性能的影响 12 在以上步骤所寻得的最佳条件下 通过改变絮凝剂的投加量分别是 100 120 130 140 160 200 260 300 340 单位 ml 絮凝剂 1L 污水 测其去除 率来比较絮凝效果 所得结果如图 3 6 图3 6 PFSS的投加量对PFSS絮凝性能的影响 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 050100150200250300350400 PFSS的投加量 ml L 浊度去除率 从图 3 6 中看出 增大 PFSS 的投加量 可以明显增加其絮凝效果 当 PFSS 的投加 量从 100ml L 增至 200ml L 时 浊度去除率从 21 61 增至 77 89 但投加量再增加时 去除率反而降低 所以其最佳 PFSS 投加量为 200ml L 7 污水 pH 对絮凝剂絮凝性能的影响 通过改变污水 pH 分别是 1 3 5 7 9 10 12 13 投入适量最佳条件下制的的 絮凝剂 测其去除率来比较絮凝效果 所得结果如图 3 7 图3 7 污水pH对PFSS絮凝性能的影响 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 02468101214 污水pH 浊度去除率 从图 3 7 看出 当污水的酸度较强时 其浊度的去除效果较差 随着溶液酸度的降 低 絮凝效果则随之增强 当污水 pH 增至 12 时 絮凝效果最佳 去除率可达 69 85 pH 在 7 13 范围时 去除率变化不大 溶液 pH 对絮凝作用的影响 主要表现在 13 对胶体颗粒表面的电位和絮凝剂水解产物的影响 19 3 3 3 CODCr的测定 在 3 2 1 步骤的基础上用重铬酸盐法测定经处理后污水的化学需氧量 CODCr 实验所得 硫酸亚铁铵标准滴定溶液的浓度 C 0 09766mol L 空白实验即蒸馏水所消耗的硫酸亚铁 铵标准滴定溶液的体积 V1 23 9ml 原污水稀释 10 倍后所消耗的硫酸亚铁铵标准滴定溶 液的体积 V2 20 8 ml 用 PFSS 处理后的污水稀释 10 倍后所消耗的硫酸亚铁铵标准滴定 溶液的体积 V2 23 0 ml 实验结果如表 3 1 所示 表 3 1 CODCr的测定 原污水 CODCr处理后污水 CODCrCODCr去除率 1210 9mg L351 6 mg L 70 96 由实验结果看出 污水中的大部分无机物可以被 PFSS 絮凝剂沉淀下来 而部分污水 中的有机物需要用其它絮凝剂来使其混凝下来 3 3 4 两种絮凝剂絮凝性能的比较 分别用以上步骤制的的两种絮凝剂来处理污水 搅拌陈化一段时间后 取其上清液 测其浊度去除率来比较絮凝效果 实验结果如表 3 1 所示 表 3 2 絮凝剂絮凝效果比较 絮凝剂浊度去除率 PFSS PSFA 85 43 93 75 由于实验时间比较紧迫 且实验主要以聚硅硫酸铁 即 PFSS 的制备及絮凝性能研 究为主 所以只通过测两者的浊度去除率来比较其絮凝效果 实验测得用 PFSS 处理后污 水的浊度去除率为 85 43 PSFA 处理后污水的浊度去除率为 93 75 絮凝效果更为理想 说明 PFSS 的制备条件还需改进 有待后续研究 4 工作总结与展望 4 1 工作总结 本论文在概括和总结了絮凝剂的分类 着重对聚硅硫酸絮凝剂 PFSS 进行了制备和最 佳条件的探索 主要工作包括以下几个方面 14 1 聚硅硫酸铁 PFSS 絮凝剂的制备 2 通过改变条件研究分析影响聚硅硫酸铁 PFSS 絮凝剂絮凝性能的因素 包括反应 原料