聚铁基改性复合絮凝剂的制备及其絮凝性能

宋艳艳，郭 睿，卫海琴，乔 宇，王安琪

(陕西科技大学轻化工助剂化学与技术教育部重点实验室,陕西 西安 710021)

聚硅酸硫酸铁(PFSS)是一种高效的新型无机高分子絮凝剂，具有良好的稳定性以及沉淀网捕作用和电性中和，压缩双电层的功能，可用于污水的处理和饮用水的净化[1-5]。阴离子聚丙烯酰胺(APAM)的高分子链上具有活性酰胺基团和带有负电荷的阴离子羧基官能团，可以和其他物质发生物理、化学反应。将无机高分子和有机高分子复合制备絮凝剂，结合无机絮凝剂强的电中和能力和有机絮凝剂吸附架桥作用，发挥长链大分子强烈的拖拉、网捕作用[6-7]，克服单一絮凝剂的不足，达到了较好的絮凝处理效果[8]。为此，笔者采用价格低廉无毒无害的PFSS与APAM复配，并用制备的复合絮凝剂对城市废水进行处理和评价。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

硅酸钠，分析纯，北京康普汇维科技公司；丙烯酰胺，分析纯，斯百全(上海)有限公司；硫酸亚铁、过氧化氢、浓硫酸、氢氧化钠、过硫酸钾、亚硫酸氢钠，分析纯，国药集团。

AquaMate Plus UV8.01型可见分光光度计，美国赛默飞世尔科技公司；GDS-3型浊度仪，上海海恒机电仪表有限公司；Nicolet PROTEGE 460型傅里叶变换红外光谱仪，美国尼高力公司。

1.2 聚硅硫酸铁的制备

称取少量的硅酸钠配制一定SiO2含量的硅酸钠溶液，用3 mol/L H2SO4调节pH值，在室温下放置后，得到有一定的聚合度的聚硅酸(PS)溶液。再将适量的FeSO4·7H2O用水在一定温度下溶解，不断搅拌下滴加少量浓硫酸和双氧水，在25 ℃熟化4 h，得到较高盐基度的红褐色黏稠状液体聚合硫酸铁(PFS)。

将制备好的PS溶液滴加到上述PFS溶液中，搅拌使其混合均匀，用浓H2SO4调节pH值，在水浴恒温振荡器中反应一段时间(频率为55次/min)，静置、陈化3 h,得到棕红色PFSS产物。

1.3 阴离子聚丙烯酰胺的制备

丙烯酰胺(AM)阴离子化采用前加碱法[9]，先在反应器中加入质量分数为25%的AM溶液，加入引发剂(过硫酸钾和亚硫酸氢钠)，在温度为25 ℃反应6 h，即得APAM。

1.4 无机-有机絮凝剂的复配

将APAM按确定配比放入已制好的PFSS中，于恒温磁力搅拌器上加热搅拌，待PFSS与APAM反应一定时间后即得复合絮凝剂[10]。

1.5 试验水质

模拟废水：将10 g硅藻土加入到1 L自来水中配制成溶液，高速搅拌均匀。水质指标为pH=7.8～8.3；电导率为0.35×10-3μs·cm；浊度为57 NTU。

实际废水水样：取自西安市污水处理厂，生活污水与工业废水的体积比约为7∶3，外观为灰色浑浊悬浮液，pH= 6.5～8.5；电导率为0.77×10-3μs·cm，浊度为169 NTU，COD为 350.3 mg/L。

1.6 应用试验

采用烧杯试验法对废水进行絮凝实验。取0.5 L水样于烧杯中，用移液管加入预定量的絮凝剂溶液，快速搅拌2 min (220 r/min)，再低速搅拌15 min(50 r/min)，静置20～25 min，用移液管在液面下2 cm处取清液进行分析测试。

在波长为430 nm下测定透光率，测定时以蒸馏水做空白对照；测定COD值采用重铬酸钾滴定法[11]；试样浊度用GDS-3型浊度仪测定；去除率按下式计算：

去除率=(A0-A1)/A0×100%

其中，A0和A1分别为水样处理前后的COD或浊度值。

2 结果与讨论

2.1 PFSS的结构表征

在w(SiO2)=1.0%、Fe/Si摩尔比为1.0、PS活化时间4 h、聚合温度60 ℃、聚合pH=1.5条件下合成PFSS，对其结构进行红外表征,见图1。

图1 PFSS的红外光谱

图1中，σ/cm-1：3 386处为Si—OH键的伸缩振动吸收峰；1 642处为水分子的角度变形所产生的吸收峰[12]；1 117处为Fe—O或Fe—OH的振动吸收峰；978处为Fe—O—Si键的伸缩振动吸收峰。这说明在聚硅酸存在时，部分铁离子及水解络合铁离子可与共存的聚硅酸反应生成铁硅聚合物。

2.2 PFSS的合成条件

实验考察了PFSS合成因素对模拟废水的絮凝的影响，结果如表1所示。由表1可见：PFSS的最佳合成条件为：w(SiO2)=1.0%,n(Fe)∶n(Si)=1.0,PS活化时间4 h,聚合温度60 ℃,聚合pH=1.5。在此条件下制备的聚硅硫酸铁絮凝剂可使废水的透光率达85.5%。

表1 各因素对PFSS絮凝剂絮凝性能的影响

2.3 PFSS-APAM的复合条件

2.3.1m(PFSS)∶m(APAM)对絮凝效果的影响

在w(SiO2)=1.0%，铁硅摩尔比为1.0，复合絮凝剂占硅藻土(质量分数为1%)体积分数为1.0%，复合时间1 h，pH=5.0，温度50 ℃条件下，考察m(PFSS)∶m(APAM)对絮凝效果的影响，结果见图2。

图2 复合配比对复合絮凝剂絮凝效果的影响

由图2可知：当m(PFSS)∶m(APAM)=4∶1时，复合絮凝剂絮凝效果最好。这是由于APAM达到一定量时，复合絮凝剂与絮体之间不仅有架桥和网捕作用，而且发生架桥和网捕之间的高分子还能靠相互作用形成三维网状结构的大絮团，从而有助于沉降分离,所以复合絮凝剂的最适配比为4∶1。

2.3.2温度对絮凝效果的影响

保持其他条件不变，考察温度对絮凝效果的影响，结果见图3。

图3 温度对复合絮凝剂絮凝效果的影响

由图3可见：温度在60 ℃时反应产物对模拟废水的处理效果最好，废水的透光率高达96.4%。升高复合温度有利于APAM的分散溶解；但温度过高，复合溶液稳定性差；当温度达100 ℃时，复合溶液表面出现絮状不溶物。原因是随着温度的升高，APAM溶胀，流动性变差所致。可见，适宜复合温度为60 ℃。

2.3.3pH值对复合絮凝剂絮凝性能的影响

保持其他条件不变，考察pH值对絮凝效果的影响，结果见图4。

图4 复合pH值对絮凝效果的影响

由图4可见:pH值为7时，复合絮凝剂的絮凝效果最好，使废水的透光率可达96.5%。由于PFSS表面正电荷属性将有助于与阴离子聚合物APAM的结合，而形成更高分子量的絮凝剂。但当pH值增大到一定程度时，会有一部分Fe3+与过多的OH-结合生成Fe(OH)3沉淀，从而导致絮凝效果下降。

2.3.4絮凝剂投加量对絮凝效果的影响

保持其他条件不变，考察絮凝剂投加量对絮凝效果的影响，结果见图5。

图5 絮凝剂投加量对复合絮凝性能的影响

从图5可知：当φ(絮凝剂)=1.5%时，复合絮凝剂的絮凝效果最好。在絮凝过程中，复合絮凝剂通过电中和、架桥、网捕等作用与微粒吸附在一起。当混凝剂投加量不足或过大时都得不到很好的混凝效果，当投药量过小，胶体离子表面没有足够的絮凝分子，水中杂质不能得到充分的逆反电荷而脱稳不能凝聚结大，不能形成絮体；随着投药量的增加，胶体离子形成絮体而沉降；投药量过多，粒子表面活性降低，可能会发生再稳现象，絮凝效果提高幅度明显下降。

2.3.5复合絮凝剂PFSS-APAM的表征

采用L9(34)正交表对影响复合絮凝剂的因素进行考察，确定各因素对复合絮凝剂的影响大小依次为：投加量>复合温度>复合配比>复合pH，该无机-有机复合絮凝剂最优复配条件为：m(PFSS)∶m(APAM)为4∶1，φ(絮凝剂)=1.5%，复合温度50 ℃，复合pH值为7.0。对在此条件下制备的PFSS-APAM进行了红外表征，见图6。

图6 PFSS-APAM的红外光谱

图6中，σ/cm-1：3 377处为Si—OH键的伸缩振动吸收峰；1 115处为Fe—O或Fe—OH振动吸收峰；1 664处为酰胺基团中羰基的伸缩振动吸收峰；3 224处为酰胺基的强吸收带；1 664处为羧基离子吸收带[13]；978处为Fe—O—Si键的伸缩振动吸收峰。以上证实了阴离子聚丙烯酰胺与聚硅硫酸铁复配成功。

2.3.6对城市生活废水的絮凝效果

分别在0.5 L的城市废水水样中投加体积分数为2.0%的PFSS和1.5%的PFSS-APAM进行分析测定，絮凝效果见表2。

表2 PFSS和PFSS-APAM对城市生活废水的絮凝效果

由表2可知：与单独使用PFSS相比，PFSS-APAM处理城市废水用量少，絮凝效果更好，且处理后的水样颜色变浅，气味变淡，水质得到明显改善。

3 结 论

a.合成聚硅硫酸铁絮凝剂的最适条件为：SiO2浓度为1.0%,Fe/Si摩尔比1.0,PS活化时间4 h,聚合温度60 ℃,聚合pH值为1.5。

b.通过阴离子聚丙烯酰胺对聚硅硫酸铁进行了改性，制得了新型无机-有机复合絮凝剂。合成复合絮凝剂工艺条件为：m(PFSS)∶m(APAM)=4∶1,复合温度为50 ℃,复合pH=7.0,φ(絮凝剂)=1.5%时，絮凝效果最好，用其处理后城市废水透光率高达96.8%，COD去除率为92.7%，除浊率达92.3%。

参 考 文 献

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