硅溶胶/聚硅酸铝锌复合絮凝剂的制备及应用

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絮凝法因其成本低廉、操作简单和处理效果好而被广泛的应用于水处理的工艺中。絮凝法是向水中投加适量的絮凝剂,使水中的胶体粒子或悬浮颗粒失去稳定性,微粒不断凝聚成团,最后形成大的絮体而沉降下来的过程。近年来,人们对环境水质的要求越来越高,传统的单一的无机或有机絮凝剂已经很难满足水处理的要求,研究新型高效的复合絮凝剂已成为人们关注的焦点。  本文以硅溶胶(SS)、硅酸钠、硫酸锌和硫酸铝等为实验原料分别制备出了聚硅酸(PS)、聚硅酸铝锌(PSAZS)絮凝剂和硅溶胶/聚硅酸铝锌(SS/PSAZS)絮凝剂。以PS的凝胶时间为PS的稳定性考察指标来优化PS的制备条件,为后续制备复合絮凝剂奠定良好的实验基础。以自制的模拟废水为絮凝实验废水来优化PSAZS和SS/PSAZS的制备条件,将优化后的絮凝剂应用于实际废水的处理中,并对比SS/PSAZS、PSAZS和聚合氯化铝(PAC)对实际造纸废水的处理效果。用TG、XRD、FTIR和SEM对絮凝剂的形貌和结构进行表征。实验结果如下:  (1) PS的稳定性与硅酸钠的浓度、聚合的pH、聚合的温度、酸的种类以及添加的金属离子有关。在相同条件下,硅酸钠的浓度越高,聚合pH值越大,聚合的温度越高,硅酸的聚合速率越快,PS越容易凝胶,稳定性越差。制备稳定PS的适宜条件为:硅酸钠的浓度0.4~0.6 mol/L,聚合的pH值为3~4,聚合温度为30℃左右,酸选用硫酸,添加的金属离子选择Al3+和Zn2+。  (2) PSAZS的最优制备条件为:硅酸钠的浓度为0.5 mol/L,聚合pH值为3,聚合温度30℃,聚合时间30 min,n(Al+Zn)/n(Si)=1,n(Al)/n(Zn)=1,反应温度30℃,反应时间30 min。最优制备条件下的PSAZS处理高岭土模拟的废水的最高浊度去除率为98.0%,处理腐殖酸模拟废水的最高HA去除率为96.2%。PSAZS处理腐殖酸模拟废水的最适宜的絮凝条件为:絮凝剂的投加量为0.6 mL(每200 mL废水中絮凝剂的投加量(下同)),废水的pH为7~10,废水的温度为15~30℃。据表征分析结果可知,PS与Al3+、Zn2+及其水解产物发生了络合反应生成了新的复杂的无定型结构的聚合物。PSAZS在投加量为5 mL时,处理造纸废水的效果最好,浊度、色度和COD的去除率分别为97.4%、88.1%和65.1%。  (3) SS/PSAZS的最优的复合条件为:硅溶胶的加入量为10μL(100 mL的PSAZS),复合体系的pH值为1.7,加热温度为60℃,加热时间为0.5 h。由表征分析结果可推测SS和PSAZS复合形成了新的无定形的空间链网状结构的复杂的聚合物,这种结构增强了絮凝剂的吸附架桥和卷扫网捕的能力,从而增强了复合絮凝剂的絮凝性能。SS/PSAZS在投加量为0.4 mL时,处理南京段长江水的效果最好,剩余浊度和色度分别为0.8 NTU和4度。当SS/PSAZS的投加量为4 mL时,处理造纸废水的效果最好,浊度、色度和COD的去除率分别为98.0%、89.7%和69.8%,且其絮凝性能优于PSAZS和PAC。
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