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聚铁基复合絮凝剂的研究

郑怀礼  
【摘要】: 絮凝剂是重要的水处理材料,是絮凝法水处理技术的关键和基础。目前,国内外主要使用铝盐絮凝剂。由于铝盐絮凝剂效率较低且存在环境问题,在我国及世界,絮凝剂的研究与应用水平都有待创新和提高。目前,世界上絮凝剂的研究主要向着高效低耗、安全无害、无二次污染方向发展。研究高效低耗、安全无害的铁系复合絮凝剂属于絮凝科学领域的研究前沿之一。本研究利用钛白副产物FeSO4·7H2O为原料,研究了聚铁基复合絮凝剂的制备与絮凝作用机理,为研究和应用铁系复合絮凝剂作了有益的探索和努力。 主要研究内容有: 聚铁基无机高分子复合絮凝剂聚硅硫酸铁(PFSiS)的研究;聚铁基淀粉改性无机/有机复合絮凝剂(PFS-CSM)的研究。PFSiS和PFS-CSM的研究都包括了制备研究、絮凝作用机理研究、絮凝效果研究、水处理应用试验等。 本研究中,制备PFSiS聚铁基复合絮凝剂的主要研究内容有:①、以钛白生产副产物七水硫酸亚铁为原料,合成无机高分子絮凝剂聚合硫酸铁;②、以水玻璃制出活化聚硅酸高聚物;③、聚合硫酸铁与活化聚硅酸复合制得新型高分子复合絮凝剂PFSiS。研究结果表明:SiO2(%)为1.4~2.0%,Fe/Si摩尔比为0.8~1.2,PFSiS的pH值为1.5~1.8,硅酸活化时间在l~18h,可获得絮凝性能优异且稳定性较好的絮凝剂。制备的PFSiS,因不含Al3+等环境污染物、原料为工业副产物,所以具有以下优点:①、安全无害、无二次污染;②、高效低耗,可部分取代价格昂贵的有机合成高分子絮凝剂且无毒性;③、成本低廉,附加值高。 在絮凝作用机理研究方面,利用微电泳技术等,探索了PFSiS絮凝作用机理,揭示了起絮凝作用的优势形态,为絮凝剂的研制开发提供了依据。通过研究PFS、聚合硅酸(PSi)及PFSiS的pH变化规律发现:在制备初期,PFSiS并未达到化学平衡状态,而是存在一个相互作用、自行调整聚合的过程,表现在其pH值存在一个变化过程。本研究还利用紫外-可见光谱探索了聚铁基复合絮凝剂的作用机理。紫外-可见吸收光谱研究显示:在200~1000nm的波长范围,PSi无明显吸收。在200~400nm的波长范围,PFSiS和PFS有清晰的吸收光谱,但各自的光谱特征差异较大。在酸性环境中,随着pH值升高,差异越明显,这说明,当pH值偏高时,PFSiS中各成分的反应活性更强,PFS与PSi更容易发生化学反应而形成新的聚合物形态。通过紫外-可见光谱研究以及PFS、PFSiS与PSi的pH值随时间的动态变化规律研究表明: PFSiS 不是PFS、 WP=5 PSi的简单混合,是复合。在PFSiS中,硅与铁发生了不同程度的相互作用,使各自的形态发生了不同的变化。这种作用又与溶液的pH值有关。在不同pH值条件下,铁与硅相互作用程度不同。 本文还研究了PFSiS中硅的形态分布与转化规律。通过Si-Mo逐时络合比色法研究表明:pH值较低(如pH为0.64)时,陈化一定时间后,在PFSiS中的PSi主要是高聚体或凝胶态(Sic);pH值较高(如pH为1.46和1.70)时,陈化一定时间后,PFSiS中的PSi中聚体(Sib)含量比较低pH值时要高。通过絮凝性能研究得出:PFSiS在pH值为1.46和1.70时絮凝效果比低pH值时更好,由此证明,PFSiS中,PSi的优势絮凝形态为中聚体(Sib)。 Zeta电位测定研究表明:PFSiS的电荷特性受SiO2含量、Fe/Si摩尔比及酸度等因素影响。对PFSiS的絮凝作用机理研究表明:PFSiS的电中和作用不显著,其絮凝作用机理,表现出较明显的吸附架桥和网捕卷扫特征。 通过PFSiS与PFS、PAC处理中药制药废水等的对比试验表明:PFSiS的絮凝效能最佳,对水中CODCr去除率最高,且对水质适应性较好。 本研究中,制备PFS-CSM的主要研究内容如下:①、用钛白生产废渣七水硫酸亚铁为原料,合成无机高分子絮凝剂聚合硫酸铁。②、用少量有机胺和卤代烷合成有机阳离子絮凝剂CF,再利用CF对淀粉进行改性,制得阳离子改性淀粉CSM。 ③、用自制聚铁与阳离子改性淀粉合成聚铁基淀粉改性无机/有机复合絮凝剂(PFS-CSM)。通过正交对比实验等,确定了制备复合絮凝剂PFS-CSM的最佳工艺条件:有机胺与卤代烷摩尔比为1:1,反应温度为45℃,反应时间为1h,合成阳离子絮凝剂CF。淀粉预胶化过程中控制淀粉投加浓度为10%,NaOH固体加量为淀粉干基的5%,预胶化温度为65℃~75℃左右,预胶化时间为2h。阳离子絮凝剂CF与改性淀粉有效质量比为1.5:1,活化时间为30s,接枝温度恒定在50℃~60℃,接枝时间为2h左右。聚铁与阳离子改性淀粉的投料比(质量比)为3:1,反应温度为60℃,反应时间为3h。研究的PFS-CSM,具备以下优点:①、不含Al3+;②、成本低廉;③、通过无机/有机复合,可望发展出新的高效集成化混凝处理技术。 由絮凝试验及显微照像技术得出:PFS-CSM絮凝过程主要表现为吸附架桥和网捕卷扫的典型特征。PFS-CSM的最佳絮凝pH范围为7.0~9.0,最佳絮凝形态是产生Fe(OH)4-后在此基础上进一步聚合成带正电的铁基高聚物。综合分析表明,其优异的絮凝性能是由其特殊的分子结构决定的,是电性中和与吸附架桥、网捕卷扫协同作用的结果。 通过复合絮凝剂PFS-CMS对重庆啤酒集团第二分厂啤酒生产废水等絮凝效果试验得出,该絮凝剂在絮凝效果上优于常用的几种水处理絮凝剂,产生的絮体粗 WP=6


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