聚硅硫酸亚铁的混凝特性及影响因素

聚硅硫酸亚铁的混凝特性及影响因素摘要：用硫酸亚铁和水玻璃制备了聚硅硫酸亚铁(PFSS)混凝剂，考察了硅铁摩尔比、pH、温度和质量浓度等因素对PFSS混凝性能的影响，采用分光光度计和函数记录仪联用系统对PFSS的混凝沉降过程进行了研究。结果表明，随着PFSS中硅铁摩尔比的增加和水温升高，其混凝性能得到强化和提高。与硫酸亚铁相比，PFSS有更宽的pH适应范围和优良的混凝沉降性能。当用硅铁摩尔比为1:1~2:1的PFSS处理浊度为20.5NTU的高岭土水时，在PFSS的质量浓度为0.75mg/L、pH大于7的条件下，可使水浊度降低到2NTU以下，其混凝性能远优于硫酸亚铁。关键字：混凝剂聚硅硫酸亚铁硫酸亚铁聚合硫酸铁水处理混凝处理是是给水排水处处理中最常采采用的一种水水处理方法，而而混凝处理的的关键是混凝凝剂的选择。混混凝剂的研制制及其混凝特特性研究，对对于新型混凝凝剂的研究开开发和水处理理技术的发展展，具有重要要的实际意义义。聚合氯化化铝(PAC)[11~3]和聚聚合硫酸铁(PFS)[44,5]等无无机高分子混混凝剂的研制制和应用，大大大促进了混混凝剂的研究究和混凝技术术的发展。但但铝盐混凝剂剂残留铝的环环境效应[66]、铁盐混混凝剂的腐蚀蚀性以及它们们在处理低温温低浊水时所所遇到的困难难，向人们提提出了新的问问题。20世纪90年代之后聚聚硅酸盐类混混凝剂的研制制成功[7,,9]，克服服了以往单纯纯铝、铁盐类类混凝剂的缺缺点，使无机机高分子混凝凝剂的研究和和应用步入新新阶段。对聚聚硅酸盐类混混凝剂，其混混凝性能除与与金属离子的的一级水解常常数有较大关关系外[100]，还与混混凝剂中的活活性SiO2浓度等有关关[9]。这表表明金属离子子的水解过程程和活性硅酸酸对聚硅酸盐盐类混凝剂的的混凝性能有有较大影响。在在该类混凝剂剂中，研究较较多的是聚硅硅酸硫酸铁、聚聚硅酸硫酸铝铝以及聚硅酸酸铝铁复合盐盐等。对于聚聚硅酸硫酸亚亚铁(PFSSS)混凝剂的制制备和混凝性性能研究等，目目前尚未见报报道。由由于Al3+和Fe3+的水解速速度快，几乎乎在微秒级的的瞬间完成，检检测其水解过过程变化十分分困难[111]。考虑到Fe2+的一级水水解常数小，水水解较慢，而而且水解产物物又伴随氧化化过程的发生生，本文首次次采用硫酸亚亚铁和水玻璃璃制备了PFSS混凝剂，研研究了其混凝凝性能及影响响因素。1实验部分1.1仪器和和药剂HI93221型pH计(HANNNAinsstrumeents,意大利)；STZ90光散射浊度度测定仪(无锡)；ZR智能型混凝凝试验搅拌器器(深圳)；722光栅分光光光度计和函数数记录联用仪仪(经改造，上上海)；数显磁力力搅拌器(HANNNAinsstrumeents,意大利)。水玻璃，工工业级；硫酸酸亚铁，分析析纯；高岭土土，化学纯；；PFS(自制)；其它试剂剂均为市售分分析纯。1..2混凝剂的制制备用硫硫酸将一定浓浓度的水玻璃璃溶液调至一一定pH值，活化30min后与硫酸亚亚铁溶液复配配制得亚铁含含量为10g×LL-1、n(SiOO2):n(FFe)=0:1、0.5:1、1:1、2:1的PFSS混凝剂。采采用氯酸钠直直接氧化硫酸酸亚铁制得碱碱化度为12%的PFS，然后稀释释至铁质量浓浓度为10g//L，备用。1..3混凝实验取1000mmL浊度为20.500NTU的高岭土水水样，投加一一定量的混凝凝剂，在智能能型混凝搅拌拌器上试验其其混凝性能。设设定混凝搅拌拌程序，搅拌拌速度由快到到慢分别为：：300r//min、200rr/min、150rr/min、100rr/min、70r//min、50r//min、30r/mmin其搅拌时间间分别控制为为：1min、1min、2min、3min、6min、6min、6min共计搅拌25min。然后静置置沉降10miin后取上清液液测定剩余浊浊度。如未特特别说明，水水样pH在6.78~~6.82之间，温度度在22±2℃范围内。另取150mL经过预沉的的高岭土水样样(吸光度A0=0.1000)于一特制的的小烧杯中，在在磁力搅拌条条件下投加一一定量的PFSS，根据数显显器控制搅拌拌速度分别为为:3000r/minn、200rr/min、150rr/min、100rr/min、60r/mmin，搅拌时间间各为1min、1min、2min、3min、6min。为了不影影响絮凝过程程中已形成矾矾花的沉降性性能，在慢速速搅拌结束后后，立即将烧烧杯直接移入入经过改装的的光栅分光光光度计的比色色槽内，使680nm入射光透过过水样的中部部，用函数记记录仪在线监监测静置沉降降过程中水样样吸光度(浊度)随时间的变变化，考察混混凝剂的混凝凝沉降性能。浊浊度与吸光度度间的关系符符合线性回归归方程：N=2210.2991A-0..789，相关系数r＝0.99995。式中，A为吸光度，N为由标准肼肼法测得的浊浊度(NTU)。2结果与讨论论2.1PFSSS质量浓度和n(SiOO2)/n(FFe)比对混凝效效果的影响图1给出了了不同n(SiOO2)/n(FFe)比的PFSS，其质量浓浓度(以Fe质量浓度计计，下同)的变化对对对除浊效果的的影响。图2则是在固定PFSS质量浓度为0.75mmg×L-11的条件下，用用分光光度计计和函数记录录仪联用系统统，在线监测测的不同n(SiOO2)/n(FFe)比的PFSS在混凝过程程中的沉降曲曲线。由由图1可知，在PFSS的质量浓度度相同时，处处理后的剩余余浊度随n(SiOO2)/n(FFe)的增加而明明显减小。为为使PFSS具有良好的的除浊效果，n(SiOO2)/n(FFe)比在1:1~11:2为好。但即即使在较高的的n(SiOO2)/n(FFe)比条件下，如如果PFSS过量投加时时（Fe2＋大于5mg//L），静置沉沉降后的上清清液仍会随放放置时间延长长出现“返混”现象。这一一点与其它聚聚硅酸盐类混混凝剂有较大大的差别。由图2知，不含硅硅和含硅较低低的PFSS混凝剂，其其絮凝体较小小，絮体在水水中沉降较慢慢，曲线上初初期变化较平平缓；同时，絮絮体受系统周周围环境(如光、热和和振动等)影响较大，致致使曲线在缓缓慢下降的过过程中有波动动的现象。对对于硅含量较较高即n(SiOO2)/n(FFe)³0.5的PFSS混凝剂，其其絮体较大，沉沉降速度较快快，混凝效果果好。这是因因为其中聚硅硅酸分子的卷卷扫和聚集吸吸附，不但使使电中和后的的悬浮物凝聚聚成大颗粒而而除去，而且且对悬浮在水水中的细小氢氢氧化铁胶粒粒也有较强的的吸附和网捕捕作用。与电电中和作用不不同，聚硅酸酸分子的卷扫扫和聚集作用用主要在慢搅搅过程进行，由由于亚铁的缓缓慢水解氧化化过程也主要要在慢搅时发发生，故SiO2含量越高，处处理后的浊度度和色度越低低。因此，混混凝曲线初期期的斜率可以以直观的反映映沉降速度，间间接反映絮凝凝体的大小，而而由曲线后期期的相对高度度则可以区分分混凝剂的最最终混凝效果果。2.2温度和熟化化时间对PFSS性能的影响响不同水温下下，PFSS的质量浓度度为0.60mg/L，n(SiOO2)/n(FFe)比为0.5/11.0时，对高岭岭土原水进行行混凝处理的的结果表明，当当水温为20、26、32和40℃时，其浊度度分别为7.8、7.2、6.1、4.2NTTU。可见除浊浊性能随着水水温的升高而而提高。除了了剩余浊度降降低之外，温温度的升高也也明显使絮凝凝体增大、沉沉降速度加快快。因为升温温不仅促使了了PFSS中亚铁水解解氧化，同时时也促进了活活性硅酸的聚聚合度进一步步增大，从而而强化了PFSS的混凝性能能。当用聚硅硅酸盐类混凝凝剂处理炼油油厂和油田的的含油污水时时，原水温度度对混凝性能能的影响更为为显着，而用用PFS和PAC为混凝剂时时，温度的影影响相对较小小。此外外，对相同配配比的PFSS而言，其混混凝效果随贮贮存熟化时间间的变化结果果与聚硅酸硫硫酸铝[122]基本一致致，均呈先增增强后减弱的的趋势。这是是由于初期PFSS中活性聚硅硅酸的聚合度度低，分子链链较短，吸附附聚集卷扫能能力较弱，随随着熟化时间间的延长，聚聚合度逐渐增增大，卷扫聚聚集的能力提提高，絮凝效效果增强。但但当聚硅酸的的聚合度进一一步增大时，聚聚硅酸分子逐逐渐由链状形形成环状结构构，最终形成成网状结构，成成为凝胶[113]，其卷卷扫聚集作用用受到限制，水水处理性能降降低。2.33pH对PFSS混凝性能的的影响药剂投量为为0.75mmg/L时，原水pH对混凝效果果的影响见图图3。可见，当当水呈弱酸性性时（如pH5~7），PFSS的混凝效果果较差。随pH升高，剩余余浊度逐渐降降低。且相同同pH值下，PFSS中n(SiOO2)/n(FFe)比越大，混混凝效果越好好。pH低时Fe2+难于水解解，氧化过程程也较缓慢。此此时，对悬浮浮物的电中和和能力弱，从从而影响悬浮浮物和胶体的的脱稳和凝聚聚，活性聚硅硅酸的吸附、架架桥和卷扫能能力难以较好好的发挥，导导致混凝效果果较差。随pH升高，亚铁铁水解速度加加快，而且水水解的进行也也促进了亚铁铁的氧化，对对悬浮物电中中和脱稳能力力增强。这不不仅促进了凝凝聚，也促使使活性聚硅酸酸的架桥卷扫扫能力的发挥挥，从而产生生良好的絮凝凝现象。PFSS中n(SiOO2)/n(FFe)比越高，聚硅硅酸分子长链链的卷扫和聚聚集作用越强强，形成的矾矾花越大,处理后浊度度越低,对pH的适用范围围也相对拓宽宽。但因PFSS中亚铁的水水解pH值较高[144]，使得PFSS只有在中性性至碱性的环环境中才能发发挥良好的混混凝效果。22.3PFFSS应用前景分分析根据上述述实验结果可可知，当PFSS中n(SiOO2)/n(FFe)比³1/1，并在弱碱碱性或碱性条条件下使用时时，PFSS有良好的混混凝除浊效果果。与现有的的铁盐混凝剂剂如硫酸亚铁铁和PFS相比，各混混凝剂在制备备、成本和使使用难易等方方面，各有优优缺点。对于于硫酸亚铁而而言，虽然其其作为一种太太白粉副产品品量大价廉，但但是在一般的的给排水处理理中，因效果果很差，已经经很少单独使使用，只有在在特殊的废水水处理中如某某些活性染料料的染色废水水处理中，在在高碱性条件件下用作混凝凝、还原脱色色剂。至于PFS，有关其研研制、性能研研究和应用等等方面的文献献报道很多，其其生产制备工工艺一般用硫硫酸亚铁为原原料，在一定定的温度和压压力下，以亚亚硝酸盐和氧氧气分别为催催化、氧化剂剂的方法，生生产工艺稍复复杂些；或采采用直接氧化化法的简单工工艺进行生产产，但其成本本相对较高。在在一般的水处处理中，PFS有良好的使使用性能，但但是其对设备备的腐蚀性较较大，且容易易使处理后的的水的色度升升高，这影响响了该混凝剂剂在大范围内内的推广应用用。PFSS作为聚硅酸酸盐类混凝剂剂中的一种，不不仅可以在常常温常压条件件下很容易进进行生产制备备，价格低廉廉，且还因有有活性聚硅酸酸的卷扫、架架桥和吸附等等作用，使该该混凝剂具有有混凝反应速速度快、絮凝凝体大和沉降降快的特点。这这使其有良好好的应用前景景。但是，因因在PFSS中存在亚铁铁离子，其水水解pH值较高，需需要在弱碱性性或碱性的条条件下，才能能更好的发挥挥混凝沉降性性能。参考文献[1]LIRui-ssheng((李润生).NeewWatterTrreatmeentAggentPPolyalluminiiumChhloridde(水处理新药药剂碱式氯化化铝)[M]..Beijjing(北京):ChhinaAArchittecturre＆BuilldingPresss(中国建筑工工业出版社),19981.[2]BennschottenJEV,EdzwaaldJK.Waat.Rees.[J]],19990,244(12):1519..[3]TANNGHonng-xiaao(汤鸿霄).ActtaSciientiaaeCirrcumsttantiaae(环境科学学学报)[J],,19988,18(1):11.[4]MikkamiYY,TakkeiI..JP:49-53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Thhecoaagulanntofpolyfferrouussullfatesiliccate(PPFSS)wasppreparredfrromfeerrousssulffateaandsoodiumsiliccate.TheiinflueencesofthhemollerattiooffSiO22toFFe,thhemasssconncentrrationnofPPFSS,

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