聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及其絮凝性能

1、四川理工学院毕业论文 聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及絮凝性能学 生：杨 雨学 号：07031010322专 业：化学工程与工艺班 级：07级3班指导教师：向 群 四川理工学院材料与化学工程系二O一一年六月I四川理工学院毕业论文 中文摘要聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及絮凝性能摘要聚硅酸铝铁是一种无机高分子絮凝剂，因其高效的混凝性能，使用条件宽，药剂用量小，残留浓度低而受广泛关注。通过加入硅酸钠Na2SiO3溶液和硫酸的量控制pH值，制得聚硅酸溶液；然后控制加入AlCl3 ·6H2O、FeCl3·7H2O的量来测定不同条件对PASF混凝能力的影响，实验结果表明最佳条件为：室温、SiO2浓度

2、为2.5%、（Al+Fe）/Si为3:1、Al/Fe比为1:1.用此条件下合成的PASF处理运河水、色度、CODcr浊度的去除率分别为98.8%，81.5%，98.3%，PASF的絮凝效果明显好于市售聚合氯化铝。关键词 聚硅酸铝铁，絮凝剂，混凝，污水处理四川理工学院毕业论文 英文摘要Preparation and Application of Polysilcatte Aluminum Ferric AbstractThe novel ionrganic ionflocculant polysilate alum inum ferric(PSAF) flcculan ts is prepare

3、d from sod ium silicate, ferious sulfate and aluminum chloride. Optinum reaction conditions are inbestigated and found that the polymerization temperature is room temperature, the concertration of SiO2% is 2.5,theoptinum molar ratio of （Al+Fe）to Si and Fe to Al is 3 and 1, respectively.The applicati

4、on of PSAF in the process of dying waste water treatn ent was studied experinentally. As the results that PSAF has the advabtages of better flocculation effect and cheaper price comparing with other inorganic polymer flocculants.Key words: polysilcate，alum，inum，ferric，PSAF，flocculation，wastewater， t

5、reatment.四川理工学院毕业论文 目录摘要I第1章 绪论11.1絮凝剂的概述11.1.1絮凝剂定义11.1.2絮凝剂的分类21.2絮凝剂的发展现状21.2.1无机絮凝剂21.2.2有机絮凝剂31.2.3微生物絮凝剂31.3聚硅酸类絮凝剂41.3.1 聚硅酸铁盐的研究进展41.3.2 聚硅酸中引入不同的金属离子51.4 本课题的研究目的、内容7第2章 聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及其絮凝性能82.1 实验试剂及仪器82.1.1实验试剂82.1.2实验仪器82.2 聚硅酸铝铁絮凝剂的制备92.2.1实验原理92.2.2实验分析10第3章 结果与分析133.1 pH值对聚硅酸聚合过程的影响133.2

6、 SiO2质量浓度对硅酸聚合时间的影响143.3 铁铝摩尔比对聚硅酸铝铁絮凝剂稳定性的影响143.4 正交实验对聚硅酸铝铁絮凝剂的制备条件进行优化153.5聚硅酸絮凝剂的絮凝性能173.5.1 聚硅酸铝铁絮凝剂对处理后水的pH值影响173.5.2 不同絮凝剂性能对比17第4章 结论191 结论192 建议19致 谢20参考文献21a四川理工学院毕业论文 绪论第1章 绪论 进入21世纪，随着全球化进程的加剧，人类面临着日益严重的全球性环境污染和资源枯竭的重大问题，而水将成为石油危机之后的下一个危机。水是生命之源，是人类生存和经济发展的物质基础。全世界有100多个国家缺水。全球将有30亿人生活在缺

7、水地区。这已成为大多数国家经济发展的制约因素。中国是水资源短缺的国家，全国660座城市中又400多座缺水，110多座严重缺水，此外还有2000多万农村人口饮水困难。近年来我国在经济高速发展的同时，水污染问题也在加剧。目前，国内外广泛应用的水处理方法大致上可以分为物理法、化学法和生物法三种。而絮凝法作为一种物理、化学处理方法，由于工艺简单、效率高、费用低等优点被广泛应用。絮凝能有效脱除80%95%的悬浮物质和65%95%的胶体物质，对降低水中的COD值有重要作用。同时，絮凝对除去水中的细菌、病毒效果稳定。通过絮凝净化，一般能把水中90%以上的微生物与病毒一并转入污泥，使后续消毒杀菌变得更加容易。

8、此外，水体富营养化、废水脱色、污泥脱水等问题用絮凝法也能得到较好的处理效果。国内外的湿法冶金、石化、造纸、印染、酿造、制革、纺织、钢铁等多种行业的废水，使用絮凝法处理的比例约占55%75%，而来自水工业几乎100%使用絮凝法作为净化手段【1】。高效能的絮凝沉降过程，关键在于恰当地选择和投加性能优良的絮凝剂，因此絮凝法得到广泛应用的同时，絮凝剂也得到了广泛的研究和应用。1.1絮凝剂的概述1.1.1絮凝剂定义 目前，对于絮凝剂概念及絮凝剂的提法与命名并不统一。有的把絮凝剂称为混凝剂、聚凝剂、凝结剂、聚合电解质；有的把无机絮凝剂称为凝聚剂，把有机絮凝剂称为絮凝剂。虽然他们的提法不一致，实质上所指的物

9、质是相同的。其含义是向水中加入化学药品，使其产生絮状沉淀。这样有利于用过滤、沉降、上浮等方法来分离以达到水质净化的目的，因此称为絮凝剂较为恰当。在此把絮凝剂定义为：凡是用来将水中溶液中的溶质胶体或悬浮颗粒产生絮状沉淀的物质都叫做絮凝剂。将絮凝剂这种净化水质的作用称为絮凝作用，而这一水质净化过程即为絮凝过程。如果一种絮凝剂含有两种或两种以上的物质发挥絮凝作用，就把这种絮凝剂称为复合絮凝剂。1.1.2絮凝剂的分类根据絮凝剂的组成及性质一般将絮凝剂分为无机絮凝剂、有机絮凝剂和生物絮凝剂。再根据他们分子量的高低、官能团的特性及离解后所带电荷的性质，进一步将他们分为高分子、低分子、阳离子、阴离子和非离子

10、型絮凝剂。如图1.1所示。图1.1 絮凝剂的分类1.2絮凝剂的发展现状1.2.1无机絮凝剂我国对无机絮凝剂的研究起步较早，与发达国家一样，我国无机絮凝剂的发展经历了从单一品种到多品种，从低分子的铝（铁）盐到高分子的聚合铝（铁），从单一向多元的发展过程。其目的是高药剂的分子量，提高电解质的离子电荷数以及利用符合药剂中不同组分共存的“协同效应”作用，提高絮凝效果。无机高分子絮凝剂是二十世纪六七十年代后在传统铝（铁）盐的基础上发展起来的一类新型水处理剂。由于其分子量大，具有多核络离子结构，与低分子相比，具有吸附电中和能力强、沉降快、药剂用量少等优点，已基本取代低分子药剂。目前使用较多的物价高分子絮凝

11、剂是聚合氯化铝（PAC）和聚合硫酸铁（PFS）。PAC是继明矾，硫酸铝之后絮凝性能较好、适用范围较广的一种无机高分子絮凝剂，我国大部分炼油厂使用PAC作为处理含油废水的絮凝剂【2】。PAC的主要缺点是形成的絮体沉降速度慢，在低温、低浊水絮凝处理中易造成“跑矾”现象。而且在适用过程中还会给环境带来二次污染，进出管线、溶气缸等结垢严重，很难清除。PFS具有絮凝能力强、矾花大、沉降速度快、适用范围广等特点，但因生产工艺复杂面成本高和在水中残余色度高等缺点，其应用范围和市场分额仍不能和PAC抗衡，除了PAC、PFS外，铝、铁改性产品也不断涌现，如聚硫氯化铝（PACS）、聚硫氯化铁（PFCS）、聚磷硫酸

12、铁（PFPS），由于高聚物分子结构中SO42-、PO43-代替了部分羟基（-OH），其聚合度增加，“架桥”能力增强，从而使出游、去除COD、脱色等多种性能都优于聚合氯化铝、聚合硫酸铁【3】【4】【5】【6】.1.2.2有机絮凝剂 有机絮凝剂主要分为有机高分子化合物，通常分为人工合成有极高分子絮凝剂和天然有极高分子改性絮凝剂。人工合成的有机高分子絮凝剂是分子量从数千到千万级的水溶性线状化合物。分子中有许多极性基，能吸附水中悬浮着的固体颗粒上，形成颗粒间的架桥，并形成粗大絮体作用的物质。可以根据需要调节主链长度，还可以引进不同的官能团以加强与待处理颗粒间的吸附作用。所生成的絮体沉降速度快，溶解速度

13、慢，且成本较高。人工合成有机高分子絮凝剂虽然发展很快，但还存在着生物降解难、残留单体有毒等问题，应用受到限制。近年来 ，美、英、法、日和印度等国结合本国的天然高分子资源，重视化学改性有机高分子絮凝剂的研究。大多数的天然有机高分子絮凝剂都是与其它带有特殊官能团的化合物接枝共聚后的产物。经改性后的天然有机高分子絮凝剂与人工合成的高分子絮凝剂相比，具有无毒、易生物降解、原料来源广、价格低等优点，越来越受到人们的重视。1.2.3微生物絮凝剂无机和人工合成有机高分子絮凝剂的开发和应用已经取得了长足的进展，但其使用过程中的不安全性和给环境带来的污染不得不引起人们的重视。为此，开发安全无毒的絮凝剂，已越来越

14、引起各国科研工作者的重视。微生物絮凝剂是利用生物技术，通过微生物发酵、油提、精炼而得到的一种具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的水处理剂。在70年代，日本学者在研究酞酸酯生物降解过程中发现了具有絮凝作用的培养液，80年代后期制成了命名为NOC1的第一种微生物絮凝剂，它是目前发现的做好的微生物絮凝剂。除此之外，科学家们已经发现了许多微生物能产生絮凝物质，其中研究得比较透彻的有酱油曲霉、拟青霉素、红平红球菌等。1.3聚硅酸类絮凝剂1.3.1 聚硅酸铁盐的研究进展聚硅酸铁盐的研究制始于20世纪90年代，我国和日本的研究较多，且多以专利形式报道。国内外研究聚硅酸铁盐絮凝剂的方法，按所用原料的不同

15、可分为三种方法：（1） 以水玻璃、氯化铁作为原料进行研制。 1995年，李明【7】利用此法，制备了聚合硅酸氯化铁（PFSC）絮凝剂，并将该絮凝剂应用于工业印染废水和化纤废水处理中，收到了满意的效果。1997年，栾兆坤和王东生等人，也先后报道了聚合硅酸氯化铁（PFSC）的制备，并对高岭土和腐植酸及硅藻土人工液分别进行了除浊和脱色的絮凝实验。2002年，杜冬云等人利用此法制备的硅铁复合絮凝剂对江水具有良好的除浊效果。（2） 以硅酸钠、硫酸铁作为原料进行研制 1997年，环境水化学国家重点实验室宋永会、栾兆坤等人首先制备了聚合硅酸硫酸铁（PFSS），并与硫酸铁（FS）和聚硅酸(PSA)对比，进行开洗

16、煤废水和城市废水的混凝处理研究，实验结果表明，PFSS的性能明显高于FS和PSA，研究结果表明，在Fe/Si摩尔比为1:1时，PFSS的稳定性最佳。高宝玉等人以硅酸钠、硫酸铁、硫酸作为原料，制备了PFSS絮凝剂。研究结果表明：Fe/SiO2摩尔比不仅与絮凝效果、最佳除浊pH值范围有关，而且对水解产物的电位有较大的影响。1999年，胡翔等人制备了PFSS，并用粘度法测定其分子量大于40万道尔顿，探讨了聚合硅酸盐类絮凝过程的动力学机理。Watanabe等人【13】制备了Fe/SiO2摩尔比在范围1:1至1:5之间，分子量为20到50万道尔顿的聚合硅酸铁，并将该产品应用于市政废水和水藻处理中，与PA

17、C作除藻对比实验，结果表明：聚合硅酸铁比PAC具有显著的除藻性能，除藻率大于98%。日本学者Katsushi和Katsuyuki等人对上述制备方法进行了改进，他们将含有三价铁离子的酸性溶液加到硅酸钠溶液中，在pH为2.5到5.5条件下，聚合制得了聚硅酸硫酸铁溶液，使该法缩短了制备时间。2003年，徐天有等人利用此法制备聚硅酸硫酸铁，研究结果表明，Fe/Si摩尔比对PFSS净水性能有较大影响，当Fe/Si摩尔比为0.5时，其絮凝效果最佳，在pH值为1到6范围内具有较好的絮凝效果，絮体形成速度快，沉降性能好，具有较好的储存稳定性。（3） 以水玻璃、聚合铁为原料进行制备。 李和平等人利用上述方法，制

18、得聚合硅酸聚合硫酸铁（PSPFS）絮凝剂，研究结果表明，当Fe/SiO2摩尔比在1.0到1.5之间，PSPFS絮凝剂的稳定性（保存期3至12个月）和除浊性能最好，并与聚合硫酸铁(PFS)对比进行了絮凝实验，结果表明，PSPFS絮凝效果明显优于PFS。PSPFS红外光谱研究表明：具体额离子与火星硅酸离子之间存在的作用使它们各自在交替中的自由度降低，表现出非离子性键合；聚铁离子中起架桥作用的-OH与聚合硅酸中的Si-O之间进一步形成氢键，在原有的链状结构中还会生成支链，从而使它们的的自由度降低。PSPFS这种特殊的结构更增加了聚合分子的分子量，利于絮凝沉降，也就改善了絮凝剂的絮凝性能和效果。刘红等

19、人将PFS和聚合氯化铁(PFC)分别于聚硅酸在一定的条件下复合后，制得了PSPFS和PSPFC絮凝剂，对乳化油的破乳实验表明，除油性能大到小次序是：PSPFS>PSPFC>PPFC（聚合磷酸氯化铁）>PFS,进一步研究表明：在PFS中引入PS，能形成性能优异的五级阴阳复合型絮凝剂，二者之间有协同增效作用，且PS稳定性可大幅度提高。2003年，郑怀礼等人利用上述方法制得聚硅酸硫酸铁，研究结果表明：SiO2浓度、Fe/Si摩尔比、聚硅酸硫酸铁的酸度等对聚硅酸硫酸铁的絮凝性能有较大的影响。1.3.2 聚硅酸中引入不同的金属离子聚硅酸金属盐是一类新型无机高分子絮凝剂，是在聚硅酸（即活

20、化硅酸）及传统的铝盐、铁盐等絮凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与金属盐的复合产物。由于该类絮凝剂同时具有电中和及吸附桥架作用，絮凝效果好，因而引起了水处理界的极大关注，现已成为国内外无机高分子絮凝剂研究的一个热点。目前研究较多的有：（1）聚硅酸中引入单种金属离子（Al或Fe）；（2）聚硅酸中引入两种金属离子（Al和Fe）；（3）聚硅酸中引入多种金属离子（Al、Fe、Ca和Mg等）【8】. （1）聚硅酸中引入单种金属离子（Al或Fe）聚硅酸铝盐的开发研制在国外始于上世纪80年代末期，国内始于90年代初期。常见的制备方法主要有三种：（1）以矿石、废矿渣、粉煤灰等作为原料进行研制【9】；(2)将铝盐引入

21、到聚硅酸溶液中进行研制。高宝玉等应用核磁共振技术及透射电镜研究了铝离子与聚硅酸之间的相互作用情况，表明聚硅酸对Al3+具有一定的螯合（络合）和吸附作用，作用量随Al3+量的增加而增加，但不存在定量关系【10】【11】。电镜摄象观察证明了Al3+和SO42-均参加了聚合反应，与聚硅酸生成了无定型高聚物。目前复合絮凝剂在中国已有很大的发展，其研究在国际上可以出于前沿地位。特别是对聚硅酸铝盐研制工艺及结构形态的研究已比较完善，但是对聚硅酸硫酸铁的研究还是偏重于制备工艺及絮凝效果方面，对其结构形态的研究较少，从而影响力此类絮凝剂向更高阶段的发展。（2）聚硅酸中引入两种金属离子（Al和Fe）众所周知，铝

22、盐絮凝剂的特点是形成的絮体大、有较好的脱色作用，但絮体松散易碎、沉降速度慢；铁盐絮凝剂的特点是形成的絮体密实、沉降速度快，但絮体小、卷扫作用差、处理后水的色度较深。若能在聚硅酸中同时引入这两种金属离子，便能充分发挥铝、铁絮凝剂的优点，克服彼此的缺点。因为铝盐、铁盐具有相似的化学性质，上述想法理论上是可行的。利用铁铝的共聚性和硅酸的盐效应机制和协同增效的原理把铁盐引入聚硅酸铝中而制成聚硅酸铝铁。关于聚硅酸铝铁絮凝剂，在一些综述性文献中曾提及，极少见有专门的研究报道。在制备过程中应首先要考虑到铝和铁在聚合反应中反应速度的差异，铁具有极强的亲OH-能力，能以非常快的速度聚合形成多核聚合物；而铝的亲O

23、H-能力较弱，聚合反应进行缓慢，为使铁盐和铝盐能交叉共聚，制备过程中应先引入聚合铝，而后再引入铁。在PFAS水解产物形态分布测定方面，目前尚未找到满意的测定方法。为粗略评价聚硅酸铁的絮凝效果，曾采用Ferron定时比色法将铁分成Fe（a）、Fe（b）和Fe（c）三种形态的实验方法，其中Fe（a）、Fe（b）为活性成分，尤其是Fe（b）是絮凝过程中最有效的组分，Fe（c）为化学反应惰性，絮凝效果差，这种方法大致表明Fe的形态分布，与实验结果符合较好。而在进行PFAS中铝的形态测定时，由于大量铁的存在有干扰，目前尚无法进行。此外，PFASS的絮凝机理、带电特性、应用条件及范围等都需要做深入的研究探

24、讨。（3）聚硅酸中引入多种金属离子（Al、Fe、Ca和Mg等）党酋胜【12】等以Al（OH）3、FeCl3、MgCl2、HCl为原料制备了适合于印染废水的新型高分子絮凝剂FMA，其最佳投加量在50ml/L70ml/L。印染废水经生化处理并投加絮凝剂FMA，出水水质可达印染行业排放标准。张关德以矿石、废矿渣或一些工业合成中的非产品为原料，制备出含有多种金属离子的聚硅酸盐絮凝剂。该絮凝剂以高分子聚合态碱式氯化铝为主要成分，同时含有高分子聚合态的铁、钙、镁化合物，并且特别含有活性硅酸成分。实验表明，其他成分含量的改变，可改变某些方面的处理性能，使其在处理某些特定的废水中更强的针对性。例如，提高原料中

25、的铝钒上用量，增加絮凝剂中镁的成分含量，则对处理印染、花扦废水有利，可达到减少用量而提高效果的目的。此项研究，以废为宝、变废为宝，不但具有很好的推广应用价值，而且为合成性能优异的含多种金属离子的聚硅酸絮凝剂以启示。因此很值得进行深入的研究探讨，以便开发出效果好、成本低、适用性强的新产品。1.4 本课题的研究目的、内容目前，国内外对聚硅酸絮凝剂的研究还处于实验室阶段，国内研究者以硅酸钠、氯化铝、氯化铁为原料，采用将铝盐、铁盐引入到聚硅酸溶液中的方法，制备出了具有不同Al/Fe/SiO2摩尔比的聚硅酸硫酸絮凝剂(PAFS)，研究结果表明，Al/Fe/SiO2摩尔比是影响絮凝效果的主要因素。由于铝盐

26、水解产物的絮凝作用，以铝盐作为主要成分的各种絮凝剂被广泛应用于饮水处理工艺中。由于聚硅酸盐絮凝剂的制备过程影响因素众多，如硅酸钠浓度，硅酸钠与金属盐类的摩尔比，酸化pH值等，这给其制备及性能研究带啦了困难。聚硅酸金属盐类絮凝剂现阶段只要是提高产品的稳定性问题。可以通过提高硅酸的聚合度来提高产品的稳定性。本实验拟用正交化实验方法，确定了制备聚硅酸钠的最佳条件，该方法大大减少了实验次数，提高了结果的可靠性。复合型絮凝剂分子量大，结果复杂，且由于原料、浓度、溶液的pH值及组成、温度、反应时间等等不同，造成此类絮凝剂的形态复杂多变，重复性差，其形态的确切鉴定仍是难题之一，目前对聚硅酸铝铁的研究多偏重于

27、制备和絮凝性能的方面，对其结构形态研究则尚显不足。絮凝剂作用机理的解释归结起来主要有三种：压缩双电层与电中和作用、吸附架桥作用絮体的卷扫沉淀作用，单身化学絮凝剂机理至今仍未能完全清楚。综上所述，本实验拟开展的主要工作有：（1） 硅酸溶液pH值、硅酸浓度对硅酸胶凝时间影响的研究（2） 聚硅酸铝铁的制备、最佳条件的确定以及对实际废水的处理结果21四川理工学院毕业论文 第二章聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及絮凝性能第2章 聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及絮凝性能聚硅酸铝铁絮凝剂是在聚硅酸和传统铝盐、铁盐絮凝剂的基础上发展起来的新型复合型五级高分子絮凝剂。是以硅酸钠、氯化铝、氯化铁为原料，采用将铝盐、铁盐引入到聚硅酸

28、溶液中的方法制备而成。该絮凝剂综合了聚硅酸粘结聚集、吸附加桥效能和铝盐絮凝剂絮体大，脱色性能好、铁盐絮凝剂絮体密实、沉降速度快等特点。本文就聚硅酸铝铁絮凝剂的制备及其絮凝性能进行了初步的研究和探讨，目的是能够开发出一种制备简便、原料廉价易得、絮凝效果好、产品性能稳定的高效新型水处理剂。并采用正交实验的方法寻求制备的配方和工艺条件。2.1 实验试剂及仪器2.1.1实验试剂 表2.1 实验试剂试剂名称 纯度 厂名硅酸钠（Na2SiO3·9H2O） 分析纯 成都金山化学试剂有限公司 氯化铁（FeCl3·7H2O） 分析纯 成都金山化学试剂有限公司氯化铝 （AlCl3 ·

29、6H2O） 分析纯 西安化学试剂厂氢氧化钠（NaOH） 分析纯 广东汕头市西陇化工厂聚合氯化铝 分析纯 广东汕头市西陇化工厂双氧水（H2O2） 分析纯 天津市化学试剂厂浓硫酸（H2SO4） 分析纯 西安化学试剂厂重铬酸钾 分析纯 西安化学试剂厂试亚铁灵指示液 分析纯 西安化学试剂厂硫酸亚铁铵 分析纯 天津登峰化学试剂厂实验用水均为二次蒸馏水。2.1.2实验仪器 表2.2实验仪器仪器名称 型号 厂名分析天平 DTG160 上海精科天平厂多更能搅拌器 D8401 天津市华兴科学仪器厂分光光度计 721 上海第三分析仪器厂电热恒温水浴锅 HHS2 北京科伟永鑫实验仪器设备厂PH计 DELTA320

30、梅特勒-托利多仪器有限公司2.2 聚硅酸铝铁絮凝剂的制备2.2.1实验原理 硅溶液是二氧化硅在水中的分散体系。以m SiO2·nH2O表示。25，,01Mpa时单硅酸的解离方程式如下； H2SiO3H+ HSiO3- K1=1.6×10-19 （2.1） HSiO3-H+SiO32- K2=7.4×10-13 （2.2）其溶解过程符合一级动力学反应工程式； dc/dt=K2S（Ce-C） （2.3）式中C为时间t时的瞬时浓度，Ce为一定温度、压力下的平衡的浓度，S为单位体积溶液中固体二氧化硅的表面积，K2为溶解的速度常数。由（2.3）式可以看出，小粒子二氧化硅溶解

31、度大，而块状体溶解度小。溶解的二氧化硅通过聚合作用，形成分散的粒子。在一定的条件下，分散的粒子再结合成链状和网状结构。该过程表示如下：（1） 在酸性或有絮凝盐类存在的溶液中，粒子聚集成链状结构形成胶凝。（2） 在碱性溶液中粒子长大，但粒子数目减少。由于SiOSi键倾向于尽可能大，而形成SiOH键尽可能小，单硅酸变成低聚物后形成三元环、四元环结构。这些环状结构成为粒子长大的核心。在碱性液中并无盐类存在时，粒子会逐渐凝聚成链状结构而形成凝胶，但在形成凝胶之前有一段聚合时间（即以硅溶液形成存在），在形成凝胶的过程中其粘度逐渐增大。 聚硅酸是由相邻分子上羟基间的脱水聚合形成具有硅氧键的聚合物，硅原子模

32、型是四面体，硅分子可以向各个方向进行聚合，形成带支链的、环状的、网状的三维立体结构聚合物，最终形成硅酸凝胶，当在硅酸聚合过程的某一时间引入Al3+、Fe3+后，由于Al3+、Fe3+与聚硅酸的链状、环状分子端的氢氧根进行络合作用和吸附作用，阻断了聚硅酸的凝胶化。Fe3+具有极强的亲OH-能力，络合反应速度快。Al3+亲OH-能力较弱，络合反应速度缓慢，为使铁盐、铝盐能交叉共聚，在制备中，先引入Al3+，然后再引入Fe3+。 取一定量的硅酸钠溶于水中，在反应瓶中加入一定量的硫酸（6mol/L），在快速搅拌下把溶解的硅酸钠慢慢加入反应瓶中，通过加硫酸和硅酸钠溶液来控制pH值在6左右并不断搅拌让硅酸

33、钠聚合，直至溶液有胶状并出现淡蓝色时加入适量硫酸，控制pH值在12之间停止聚合。取一定SiO2%含量的聚硅酸钠溶液，在快速搅拌条件下分别加入三氯化铁和氯化铝溶液，聚合一定的时间，在熟化24h备用。合成工艺流程见图2.2. 图2.1 合成工艺流程图2.2.2实验分析（1）浊度分析在1.0L污水里加入1.0mL的聚合絮凝剂，快速搅拌30s，满搅拌5min，沉淀30min测定上清液的浊度和CODcr，算出浊度、CODcr和色度的去除率0 的计算公式： 浊度=（污水浊度上清液浊度）/污水浊度×100 CODcr=（污水CODcr上清液CODcr）/污水CODcr×100 色度=（污

34、水色度上清液色度）/污水色度×100 浊度仪用标准校准后直接测定，根据重铬酸钾法测定水和废水CODcr。 采用重铬酸钾(K2Cr2O7)作为氧化剂测定出的化学耗氧量表示为CODcr。 （2） COD分析 COD是Chemical Oxygen Demand，化学耗氧量。 化学耗氧量(chemical oxygen demand) 亦称“化学需氧量”，简称“耗氧量”。用化学氧化剂(如高锰酸钾、重铬酸钾)氧化水中需氧污染物质时所消耗的氧气量，常以符号COD表示。计量单位为mgL。是评定水质污染程度的重要综合指标之一。 COD的数值越大，则水体污染越严重。一般洁净饮用水的COD值为几至十几

35、mgL。 CODcr的测定原理是在强酸性 溶液中，用重铬酸钾氧化水中的还原性物质，过量的重铬酸钾以试亚铁灵为指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液回滴，根据其用计算水中还原性物质的含量，结果以氧的mg/L来表示。测定步骤是：水样20ml（原样或经稀释）置于锥形瓶中(硫酸汞0.4g消除cl离子干扰) 混匀（0.25mol/l重铬酸钾10ml） 混匀，加沸石数粒，接上回流装置（自冷凝管口加硫酸-硫酸银溶液30ml） 混匀，回流加热2h 自冷凝管口加水80ml 取下锥形瓶，冷却至室温（加试亚铁林指示剂23滴） 用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，反应液由橙黄色变成黄绿色，终点由蓝绿色变成红棕色，记录硫酸亚铁铵标准溶液用

36、量。用蒸馏水做空白，按照水样测定步骤同时进行测定，记录硫酸亚铁铵标准溶液用量。（3）正交试验在研究过程中，聚硅酸铝铁絮凝剂中个组分的适当比和制备的最佳工艺采用正交试验方法设计，絮凝性能实验用（Al+Fe）/Si摩尔比，Al/Fe摩尔比，水样pH值，絮凝剂的投加量四因素，做四因素三水平正交实验，如表2.3。 表 2.3 正交试验表样品号 （Al+Fe）/Si摩尔比 Al/Fe摩尔比 PAFSI投加量* pH值* * 透光率T A B C D1 0.5（1） 1.0（1） 15（1） 4.20（1） 2 1.0（2） 3.0（2） 30（2） 4.18（1） 3 1.5（3） 5.0（3） 60（

37、3） 4.21（1） 4 0.5（1） 5.0（3） 30（2） 7.02（2） 5 1.0（2） 1.0（1） 60（3） 7.00（2） 6 0.5（3） 3.0（2） 15（1） 7.09（2） 7 0.5（1） 3.0（2） 60（3） 9.52（3） 8 1.0（2） 5.0（3） 15（1） 9.50（3） 9 1.5（3） 1.0（1） 30（2） 9.51（3） 为进一步确定影响聚硅酸铝铁絮凝效果的关键因素，故又做了（Al+Fe）/Si摩尔比，Al/Fe摩尔比单因子影响絮凝效果的实验。如表2.4，表2.5 表2.4 （Al+Fe）/Si摩尔比样品号 （Al+Fe）/Si摩尔比

38、透光率T1 0.5 2 1 3 1.5 4 2 5 2.5 6 3 表2.5 Al/Fe摩尔比样品号 Al/Fe摩尔比 透光率T1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6四川理工学院毕业论文 第3章 结果与分析第3章 结果与分析 在制备聚硅酸铝铁絮凝剂的过程中，为获得良好的絮凝效果，必须尽可能使聚硅酸达到有效的聚合度，以保证获得分子量较大、表面羟基密度较高的活性硅酸，从而与Al3-、Fe3-有效络合。本文主要探索pH值、SiO2质量浓度、（Al+Fe）/Si摩尔比、Al/Fe摩尔比、PAFSI投加量（ml/L）对聚硅酸铝铁絮凝剂性能的影响。3.1 pH值对聚硅酸聚合过程的影响在20下，Si

39、O2质量浓度在2.5%条件下，以聚硅酸溶液反应至不流动的凝胶状态（胶冻状态）所需时间表示聚硅酸聚合反应速度的快慢，探索pH值对硅酸聚合过程的影响。实验结果如表3.1所以。 表3.1 pH值对硅酸聚合过程的影响 （20，SiO2浓度2.5%）pH值3.84.24.75.35.86.78.18.7呈淡蓝色时间（分）78036050.06.123.121.441.001.20凝结时间（分）21001013519.406.142.571.301.47时间差（分）1320285.013.283.021.130.030.27由表3.1可知：在在20下，SiO2质量浓度在2.5%条件下，其溶液的pH值越趋于

40、中性，其胶凝时间就越短，当pH值在7左右时硅酸的聚合反应速度最快，当pH值<7时，硅酸的聚合反应速度随聚合反应初期的pH值降低而缓慢，即酸性越强，硅酸的聚合反应速度越慢；当pH值>7时，胶凝时间随着碱度的提高而延长。溶液在中性范围内迅速凝胶的原因可能是由于Na+存在而使其胶凝速度加快的缘故。在制备聚硅酸的过程中，pH一般控制在5.56.0之间，以便于控制聚合度。当硅酸聚合到一定程度时，可通过降低溶液的pH值的方法来抑制硅酸的聚合反应速度。利用这一性质，当硅酸的聚合度达到有效聚合度时，向聚硅酸溶液中加入一定量的酸使溶液的pH值降至2.0以下，可使聚硅酸的有效存放时间大大延长。3.2

41、SiO2质量浓度对硅酸聚合时间的影响在20、pH值为5.56.0的条件下，以聚硅酸溶液凝胶（胶冻状态）所需时间表示聚硅酸聚合反应速度快慢，探索SiO2质量浓度对硅酸聚合过程的影响。实验结果如表3.2所示。表3.2 SiO2浓度对硅酸聚合过程的影响 （20，pH值5.5）SiO2浓度% 1.20 1.5 2.00 2.30 2.60 3.00呈淡蓝色时间 1620 630 25.00 10.00 2.20 0.57（分）凝结时间 4320 660 32.50 20.00 11.53 1.50（分）时间差 1700 30 7.50 10.00 9.33 0.33 （分）由表3.2可知，当其他条件相

42、同时，随着SiO2质量浓度的升高，硅酸聚合反应速度随之加快。在制备聚硅酸时，SiO2质量浓度不能太大，也不能太小。SiO2质量浓度太大，聚硅酸聚合反应速度过快，有效聚合度不易控制；SiO2质量浓度太小，由于硅酸聚合反应速度较慢，达到有效聚合度的时间过长，不利于实验室制备。因此本实验选用SiO2质量浓度为2.5%。3.3 铁铝摩尔比对聚硅酸铝铁絮凝剂稳定性的影响聚硅酸的稳定性除与其pH有关外，还与复配金属离子的性质有关，由于三价铁离子对硅酸聚合的抑制作用比铝离子强，制备了不同铁铝比的PSAF，考察其稳定性与铁铝比例的关系。结果见表3.3 表3.3 铁铝摩尔比对聚硅酸铝铁絮凝剂稳定性的影响铁铝摩尔

43、比0/11/31/13/11/0胶凝时间/h19445085313562400以上 由表3.3知，随铁含量的升高，其稳定性也越强。但其具体原因不清楚，尚待研究。3.4 正交实验对聚硅酸铝铁絮凝剂的制备条件进行优化通过对（Al+Fe）/Si摩尔比，Al/Fe摩尔比，水样pH值，四因素三水平正交实验，结果如下表3.4所示。 表3.4 正交实验表样品号 （Al+Fe）/Si摩尔比 Al/Fe摩尔比 PAFSI投加量* pH值* * 透光率T A B C D1 0.5（1） 1.0（1） 15（1） 4.20（1） 90.02 1.0（2） 3.0（2） 30（2） 4.18（1） 98.03 1.5

44、（3） 5.0（3） 60（3） 4.21（1） 96.04 0.5（1） 5.0（3） 30（2） 7.02（2） 92.05 1.0（2） 1.0（1） 60（3） 7.00（2） 95.06 0.5（3） 3.0（2） 15（1） 7.09（2） 96.57 0.5（1） 3.0（2） 60（3） 9.52（3） 94.08 1.0（2） 5.0（3） 15（1） 9.50（3） 95.09 1.5（3） 1.0（1） 30（2） 9.51（3） 93.0*C 含SiO2 mg/L计量* * 波长410nm，去离子水为基准 T=100%，原水 T=39.0% 图3.1 直观分析结果对实验

45、结果进行直观分析，从图3.1可以看出，（Al+Fe）/Si摩尔比（A），Al/Fe摩尔比（B），是影响聚硅酸铝铁絮凝效果最主要的因素。絮凝剂的投量（C）有一定影响，而水样的pH值（D）影响较小。这些规律复合聚硅酸铝铁的卷扫吸附的絮凝作用机理。对（Al+Fe）/Si摩尔比（A），Al/Fe摩尔比（B），分别做单因素实验，结果如表3.5，表3.6。.表3.5（Al+Fe）/Si摩尔比样品号 （Al+Fe）/Si摩尔比 透光率T1 0.5 95 2 1 98 3 1.5 95 4 2 93 5 2.5 92 6 3 91表3.6 Al/Fe摩尔比样品号 Al/Fe摩尔比 透光率T1 1 92 2 2 96 3 3 98 4 4 97 5 5 96 6 6 95表3.5，表3.6的结果如下图3.2，图3.3所示图 3.2 （Al+Fe）/Si摩尔比对透光率的影响 图 3.63 Al/Fe