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聚硅酸铁(PSF)的研制及其混凝机理

付英  
【摘要】: 本文采取共聚工艺制备聚硅酸铁(PSF)混凝剂,并通过烧杯搅拌实验、X-射线衍射(XRD)、紫外/可见吸收扫描(UV/VIS)、透射电镜(TEM)、光子相关光谱(PCS)、红外光谱(IR)等多种实验手段考察了PSF固化、Si-Fe反应机制、水解规律、混凝性能及混凝动力学,分析了PSF混凝机理。最后对PSF的改性研究进行初步探索,通过添加KMnO4研制出固液相共存聚硅酸铁PSFN。本文主要进行了以下几方面的研究工作。 PSF研制主要包括聚硅酸(PS)制备、液体PSF制备及固体PSF研究。PS是制备PSF的主体原料之一,对PS制备过程进行数学建模是制备优质PSF的重要条件。PSF混凝性能明显优于Fe3+与PS或Fe2+与PS、氧化剂配合使用的效果,PSF制备过程是各种离子的共聚反应,而不是简单的原料复配。 考察了自然固化及中温固化制备的固体PSF表面形貌及混凝性能,结果表明,自然固化可降低成本。PSF经过适当稀释后再固化有助于再溶解,也有利于将其形态控制在优势形态范围内。反应时间对固体PSF混凝性能的影响小于对液体PSF的影响,制备固体PSF所需反应时间小于液体PSF的反应时间。 采用XRD、UV/VIS、TEM、PCS、IR、pH监测及Ferron-Fe逐时络合比色法等研究了Si-Fe反应机制及混凝优势形态,并结合实验及理论计算首次研究PSF水解形态分布。提出了不同Si/Fe摩尔比的Si-Fe反应模式,即不同Si/Fe比PSF具有不同的硅铁成键速度、成键方式及成键稳定性,低Si/Fe比可能主要生成以Si?O?Fe?O?Fe?O?Si键络合的枝杈状物种,而高Si/Fe比可能主要生成以Si?O?Fe?O?Si?O?Si键络合的网状物种。Fe?O?Fe键形成速度快并且与Si?O?Fe键的形成可能有相互促进作用,而Si?O?Si键形成速度慢并且与Si?O?Fe键的形成有相互阻碍作用,Fe?O?Fe键的稳定性比Si?O?Fe或Si?O?Si键差。通过监测PSF反应过程pH值变化,可以初步判断制备PSF的最佳反应时间及混凝优势形态状况。与游离Fe3+水解的多核大物种相比,与Si络合的Fe3+与Ferron试剂反应速度较快。PSF形态稳定,不易水解,其主要存在形态为:在pH4时为Fe(OH)2+及Fe3+,在5pH9时为Fe(OH)3、Fe(OH)2+及Fe3+,在pH11时为Fe(OH)3。 对比考察了PSF、聚合硫酸铁(PFS)及复合铝铁(PFA)对多种水质的混凝性能,并分析混凝机理,结果表明,在较宽泛的近中性pH范围内PSF混凝性能均优于PFS、PFA。发现PSF具有氧化性,改变了有机物(如腐殖酸HA等)表面性质,导致其吸附性能增强。荷正电离子(Fe(OH)2+及Fe3+)及大结构的Si-Fe络合物在宽泛的pH(5pH9)范围内稳定存在,以及不同pH值对HA、PSF、高岭土之间的络合模式具有不同影响,这可能都是PSF在近中性pH范围内具有优异混凝性能的重要原因。PSF混凝机理是氧化/吸附-电中和/脱稳、吸附-架桥以及卷扫网捕的协同作用。PSF除磷机理主要是配位吸附作用。PSF除污染性能的优劣主要取决于其独特的微观性质。 首次对PSF的混凝动力学进行了系统研究。PSF最佳搅拌条件为混合速度200r/min,混合时间2min;絮凝梯度为:60r/min?3min,40r/min?5min,20r/min?2min。PSF絮体的破碎程度小于PFA,被打碎絮体的再结合能力大于PFA。在数量级上,PSF的絮凝系数KA=10-2~-3,破碎系数KB=10-7~-8。对于粒径2μm的颗粒,PSF的KA比PFA大4个数量级,KB与PFA相近,而其余粒径范围PSF的KA比PFA大近2个数量级,KB比PFA小近十几倍。 首次研制出了固液相共存聚硅酸铁PSFN,添加剂KMnO4发生氧化还原反应后的各种价态产物参与了硅铁间的络合。PSFN中固相起到初级核子作用,有利于絮体成长。PSFN具有较稳定的混凝性能,有研究和实际推广价值。


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