聚硅酸氯化鋁絮凝劑的研制及性能研究

1、聚硅酸氯化鋁絮凝劑的研制及性能研究                        摘要：聚硅酸氯化鋁(PASC)是一種新型的無機高分子絮凝劑。其研究思路是，帶負電的聚硅酸具有較高的相對分子質量，對水體中的膠體顆粒具有很強的吸附能力；而鋁鹽在水中可以水解形成系列帶正電的荷的水解羥基鋁離子，具有較強的電中和能力。將二者復合成一種產品，可使其成為同時具有電中和作用

2、及吸附架橋能力的無機高分子混凝劑。 關鍵詞：聚硅酸氯化鋁(PASC) COD 絮凝劑 印染廢水； Determined its best preparation senate element is: SiO2%=2.0%, AL/Si =1.5, pH= 4-5, the temperature, the stirs time and the intensity respectively is: 70oC, 60min, 1000r/min. To printing and dye the treatment of the waste water, the experimental resul

3、t indicates , the most suitable operation parameter is: Throw it with measuring 255mg/l, PH =8. 100r/Min stirs 5min. Best COD except rate is 65.22%, the best turbidity except rate is 99.39%. Compares the polymerization aluminum chloride (PAC) COD removeing rate is 54.54%, best turbidity removeing ra

4、te is 99.12%, its flocculation effect fairly good, the cost is lower than PAC. Has the certain significance to the actual water treatmentStudy on the Preparation and Flocculating Performance Polysilicic-Aluminum ChlorideStudents: Zou Wei yangtz university of chemistry and environmental project insti

5、tute, counselor: Dai Jie, chemistry of university of the Changjiang River and environmental project institute.Abstact: Polysilicic-Aluminum chloride (PASC) is a new type macromolecule of flocculants, Its research mentality is, belt negative electricity gathers the silicic acid to have the higher rel

6、ativemolecular mass, has the very strong adsorptive capacity to in thewater body colloid pellet; But the aluminum salt may the hydrolisis form series belt positive electricity Holland in the water the hydrolisis hydroxy-aluminium ion, has in a stronger electricity and the ability. Duplicate synthesi

7、zes one kind of product the two, may cause it to become simultaneously has the electricity neutralization and the adsorption bridging ability inorganic high polymer flocculating agent. This experiment applies the sodium silicate, the aluminum chloride makes under the certain condition gathers the si

8、licic acid aluminum chloride (PASC).    And to its stability, SiO2% content,AL/A Si mole of ratio, the PH value, stir the time and the intensity carries on the research analysis, carries on the decolorization to the printing waste water, eliminates , except the COD processing, th

9、e experimental result indicated, most is suitable the operationparameter is: Throws increment 2.5ml/200ml, PH=8, 100r/Min stirs 5min. Best COD except rate is 65.22%, the best turbidity except rate is 99.39% best chromaticity except rate is 98.53%. Compares the similar flocculant polymerization alumi

10、num chloride (PAC) its flocculation effect fairly good, certain aspects must surpass PAC, the cost are lower than PAC. Has the certain significance to the actual water treatment.Key words: Polysilicic-Aluminum chloride (PASC); COD；flocculant; Printing wastewater1. 前 言：聚硅酸鹽是近年來發(fā)展起來的一類新型的無機高分子絮凝劑，它是在活

11、化硅酸及傳統(tǒng)的鋁鹽鐵鹽等無機絮凝劑的基礎上發(fā)展起來的聚硅酸與金屬鹽的復合物，用于廢水處理時，同時具有電中和作用和吸附架橋作用，因而絮凝效果較好。且其原料來源廣泛，價格低廉，安全無毒，已成為目前國內外無機高分子絮凝劑研究領域內的一個熱點3。本實驗主要研究影響聚硅酸氯化鋁絮凝劑絮凝性能和穩(wěn)定性的因素。為工業(yè)生產及應用提供可行性報告。工業(yè)廢水的處理方法有很多，有生化法絮凝沉降法電滲析法離子交換法和化學氧化法等。其中絮凝沉降法是應用廣，成本低的常用處理方法，它往往決定著后續(xù)流程的運行，最終出水質量和成本費用，是一種經濟又簡便的水處理技術9。而高效的絮凝沉降過程關鍵在于恰當?shù)倪x擇和投加性能優(yōu)良的絮凝劑。

12、1.1絮凝沉降過程機理：廢水中所含的懸浮物和溶膠其大小在10-910-3m范圍內。由于這些微粒不是以分子狀態(tài)分散到介質水中的，所形成的體系仍具有很大的界面，屬于熱力學不穩(wěn)定體系，但這些顆粒物自動聚集由小顆粒變成大顆粒從分散介質中沉淀出來的速率卻很慢，其主要原因之一是懸浮物及溶膠表面是帶電的，由于顆粒間同性電相斥而不相互聚集。投加絮凝劑是懸浮體或溶膠聚集與介質分開。這種處理叫絮凝分離。絮凝過程分為兩個部分：一，凝聚作用：在膠體體系中添加化學藥劑，使溶膠相互接觸脫穩(wěn)而聚結成一定粒徑的聚集體；二，絮凝作用：已經脫穩(wěn)的聚集體由于碰撞、化學沉積、共同沉淀等作用進一步聚集成絮狀體（礬花），成為可借重力下降

13、的粒子。根據(jù)DLVO理論，用膠體顆粒間的吸引能和排斥能的相互作用產生的相互作用能來解釋膠體的穩(wěn)定性和產生絮凝沉淀的原因。膠體的脫穩(wěn)的作用機理主要是以下幾個方面。膠體的捕集：在化學處理中，為了捕集膠體，要使用大良的絮凝劑。通常為鋁鹽和鐵鹽。在水溶液中鋁鹽和鐵鹽無機絮凝劑發(fā)生水解，形成水合金屬氫氧化合物高分子。其高分子的聚合度取決于水溶液的PH值和溫度。雙電層壓縮：膠體是帶電的，但整個溶液是呈電中性的。故介質中應有相應的反離子存在。表面吸附的離子于溶液中的反離子構成雙電層。廢水中的電解質能壓縮膠體顆粒的雙電層，中和顆粒表面電荷。當鹽分達到一定濃度時雙電層厚度變小，兩個膠體顆粒相互接近，產生聚集和絮

14、凝沉淀。 膠體雙電層的壓縮能使膠體顆粒脫穩(wěn)，產生絮凝沉淀。通過沉降分離可以除去固體的絮凝物。電中和作用：電中和作用是指膠體顆粒物的z電位降低到足以克服DLVO理論中說的能量障礙而產生絮凝沉淀的過程。膠體顆粒表面的電荷被中和時，膠體顆粒之間距離縮小，在范德華力的作用下，膠體顆粒間的相互作用能處于第一最小能量值結果形成穩(wěn)定的絮凝體。電荷作用與雙電層的壓縮是不同的，電荷中和作用是第一最小能量的吸引力作用的結果，這個作用力是很強的；而雙電層的壓縮是第二最小能量作用的結果，比較弱。前者產生的絮凝體堅實、體積小、不能再變?yōu)槟z體，后者作用力產生的絮凝體體積龐大疏松，能夠在變回膠體而消失。其作用機理是，加入的

15、化學藥劑（絮凝劑）被吸附在膠體顆粒表面上，是膠體顆粒表面電荷中和。膠體顆粒表面電荷不僅可以降為零而且還可以帶上相反的電荷。由于電荷的中和作用而產生吸附，導致膠體顆粒與水界面之間的改變而脫穩(wěn)沉降。吸附架橋：架橋（或橋聯(lián)）是指溶液中膠體和懸浮物顆粒通過有機或無機高分子絮凝劑架橋聯(lián)結形成絮凝體，而沉降下來，橋聯(lián)的過程即為絮凝過程。橋聯(lián)可以分為兩種類型：（1）帶負電荷的膠體顆粒與帶正電荷的陽離子絮凝劑的橋聯(lián)。（2）帶相同電荷的物質的橋聯(lián).這一原理考慮到膠體微粒對高分子物質具有強烈的吸附作用而提出來的。當廢水中加入少量的高分子聚合物分子即被迅速吸附結合在膠體表面上，開始時高聚合物分子的鏈節(jié)吸附在一個微粒

16、表面上，該分子未被吸附的一端就伸展到溶液中去，這些伸展的分子鏈節(jié)又會被其他的微粒所吸附，于是形成一個高分子鏈狀物同時又吸附在兩個膠體微粒表面的情況。各微粒依靠高分子的連接作用構成某種聚集體結合為絮狀物。由高分子架橋形成的聚集體中，各微粒并未到達直接接觸，而且也未達到電中和脫穩(wěn)狀態(tài)。因此吸附架橋實質上是一種聚合物過量狀態(tài)，膠體微粒將被過多吸附的聚合物分子所包圍，反而會失去同其他微粒吸附架橋的可能性，處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，投加高分子聚合物并不是越多越好，而是應該適量。低分子電解質以基于雙電層壓縮作用原理產生凝聚為主。高分子聚合物則以吸附架橋聯(lián)結作用產生凝聚為主。通常把通過雙電層作用而使膠體顆粒相互聯(lián)

17、結過程的凝聚和通過高分子聚合物的吸附架橋作用而使膠體顆粒相互聚合過程的絮凝總稱為混凝。1.2聚硅酸氯化鋁的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢：絮凝過程既上最古老的水質凈化處理方法，又是當今眾多水處理工藝技術中應用最廣泛，最普遍的單元操作工藝技術絮凝過程作為眾多處理工藝流程中不可缺少的前置關鍵環(huán)節(jié)，其效果的好壞往往決定后續(xù)工藝流程的運行工況、最終出水質量和成本費用，因此它始終是水處理工程中的重要研究開發(fā)領域。近一個世紀以來，人們對化學絮凝作用機理及工藝過程進行了大量深入研究和闡述。混凝技術與理論研究已經從定性闡述發(fā)展到半定量或定量模型及模式，并已建立了各種化學條件下顆粒的脫穩(wěn)與傳輸模式的數(shù)學方程。混凝工藝技術的使用

18、范圍、出水水質及其處理效能方面都得到了顯著的提高與發(fā)展。然而，隨著工業(yè)及經濟的高速發(fā)展，水環(huán)境污染狀況的不斷加劇，飲用水質微污染問題也日趨嚴重。這不僅加劇了現(xiàn)有水處理廠的凈化難度，同時也暴露了現(xiàn)有水處理的不適應性。因此當前亟需強化水處理工藝過程，研究開發(fā)新的水處理工藝技術。強化絮凝過程需要提高兩個方面的技術，一是發(fā)展新型高效能絮凝劑，另一方面是發(fā)展高效能絮凝反應器，技術是取得突破。同時做到相互協(xié)同發(fā)展，進而將兩個方面的優(yōu)勢有機的結合起來，建立新型絮凝工藝技術系統(tǒng)，從整體上改變水處理絮凝過程的質量和面貌。聚硅酸氯化鋁是在聚硅酸及鋁鹽絮凝劑基礎上發(fā)展起來的一種復合型無機高分子絮凝劑，它同時具有電中

19、和作用和吸附架橋作用。由于具有混凝效果好，處理低溫、低濁水有特效，價格便宜，在水中的殘留鋁底等特點。引起水處理界的極大關注。聚硅酸氯化鋁（PASC）的制備方法簡單，但由于它的穩(wěn)定性較差，限制了它的使用和推廣。聚硅酸鋁鹽的開發(fā)與研制在國外試始于20世紀80年代末期，在國內始于90年代初期。該類混凝劑研制的思路是基于帶負電的聚硅酸具有較高的相對分子質量，對水體中的膠體顆粒具有很強的吸附能力；而鋁鹽在水中可以水解形成系列帶正電的荷的水解羥基鋁離子，具有較強的電中和能力。把二者復合成一種產品，可使其成為同時具有電中和作用及吸附架橋能力的無機高分子混凝劑4。加拿大鋁土公司生產的硫硅聚鋁是一種流動性很好的

20、絮狀物，保存一年仍然有很好的絮凝性。國內高寶玉等人對這中體系進行過紅外測試，電鏡攝像分析。但對其酸根離子的作用機制和體系的穩(wěn)定性沒有作出判定。唐永星等人合成了穩(wěn)定性較好的硫硅聚鋁和氯硅聚鋁，進行了光譜分析，表明SO42-、HSO4- 和Cl-對硅聚鋁離子的配位影響不同，從而荷移遷移產生差異。這種結構上的變化決定了不同體系中硅聚鋁膠聯(lián)性和網狀性，從而具有不同的穩(wěn)定性。從而得到了這樣的結論：1、Cl-離子對硅聚鋁膠體離子有配位作用，SO42-和HSO4-對硅聚鋁膠體離子無配位作用。2、適宜的Cl-離子對硅聚鋁膠體離子有穩(wěn)定作用；SO42-和HSO4-對硅聚鋁膠體離子無穩(wěn)定作用，超過一定濃度有聚沉作

21、用。由其提出的氯硅聚鋁的制備方法是： 用新制的Al（OH）3加入到三氯化鋁的水溶液中調整PH=3澄清得堿化度50%的氯化聚鋁，按Al2O3/SiO2為1.5的比例加入酸性聚硅，攪拌得一淡黃色熒光的半透明膠體，放2個月后測定使用。山東大學高寶玉等較為系統(tǒng)地研究了聚硅氯化鋁的制備和性能，并將其應用于煉油廠含油廢水的處理。由其提供的聚硅氯化鋁（PASC）的制備方法:1.復合法 取一定量的0.25mol/L的AlCl3·6H2O溶液和一定量的去離子水于燒杯中，采用Dosimat型精密微量自動滴定儀微量滴加0.5mol/lNaOH溶液（滴堿速度為0.05ml/min），制備鋁濃度（Alt表示）

22、為0.10mol/L，堿化度B=2.0的PAC，然后立即向PAC溶液中加入一定量的熟化2h的聚硅酸溶液，可以制備不同Al/Si摩爾比的PASC的溶液。2.共聚法 取一定量的0.25mol/L的AlCl3·6H2O溶液于燒杯中，按Al/Si摩爾比分別為5.0、10和15的比例加入一定量的新鮮制備的聚硅酸，加入一定量的去離子水，然后采用Dosimat型精密微量自動滴定儀微量滴加0.5mol/lNaOH溶液（滴堿速度為0.05ml/min），至堿化度B=2.0，可得Alt=0.10 mol/L，B=2.0的PASC的溶液。研究無機高分子絮凝劑的顆粒大小及分子量分布，有助于正確解釋其絮凝機理以及指導高性能絮凝劑的生產?；诠馍⑸錅y量技術的光子相關光譜（PCS）方法和超濾膜法，現(xiàn)常被用來研究無機高分子絮凝劑的顆粒大小及分子量分布并得到較好的肯定。結果表明PASC聚集體的粒徑明顯較PAC的大，用共聚法制備得到的PASC可能得到粒徑更大的聚合物，有利于提高對水體中膠體顆粒的吸附架橋能力。國內外研制聚硅酸鋁鹽的方法有三種：（1）以礦石、廢礦渣、粉煤灰等為原料進行研制；（2）將鋁鹽引入到聚硅酸溶液中；（3）用硅酸鈉、鋁酸鈉和硫酸鋁等作為原料在高剪切工藝條件下進行研制。不同的條件下制備的聚硅酸鋁絮凝劑的結構與物化性質是不同的。借助于超濾方