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复合絮凝剂的制备及废水处理工艺优化研究
来源:购彩平台下载官网 发布时间:2021-06-13 17:49:17 浏览次数:
作者:杨成梅(乌鲁木齐职业大学,新疆 乌鲁木齐 830002)

摘 要:针对无机高分子絮凝剂的复合性功能需求,以及传统无机高分子絮凝剂中铝的生物毒性问题,制备一种亲生物金属钛的无机高分子复合絮凝剂。为制备该絮凝剂,以钛盐、聚硅酸盐和铁盐为原料进行制备,并通过除浊和除磷验证上述絮凝剂的性能。结果表明,复合絮凝剂的最佳配比为 nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi∶nFe=1∶5;通过正交试验,絮凝剂的除浊和除磷分别受慢搅时间和静置时间影响最大。同时得到除浊的最佳工艺为A3B4C2D2E4,复合絮凝剂的最佳除磷工艺为 A4B3C2D4E3,且除磷率达到 98%以上。

关键词:聚硅硫酸钛铁;除浊;除磷;絮凝

伴随现代水资源的紧缺,人们开始意识到加强对水资源的循环利用迫在眉睫。絮凝剂凭借高性价比和使用方便的特点,被广泛应用于水污染处理。目前,市场上主流的絮凝剂有微生物絮凝剂、无机絮凝剂和有机絮凝剂。在 3 种不同类型絮凝剂中,无机絮凝剂价格低廉,且工艺简单,因此,在目前的絮凝剂市场中占有很大的比重。而其中的无机高分子絮凝剂与其他絮凝剂在水处理方面更具有优势,因此,被业内人士称作“第二代无机絮凝剂”[ 1 ]。在学术研究方面,学者制备出如聚合氯化铝(PAC)[ 2 ]、聚合硫酸铝(PAS)[ 3 ]、聚硅酸(PSI)[ 4 ]等在内的无机高分子絮凝剂,并在除氟、净水、除浊等方面都表现出良好的性能,但实践表明,不同无机高分子絮凝剂的应用侧重点不同。而伴随着絮凝剂制备的完善和应用,目前的主流絮凝剂正朝着“专业化、多功能化、复合化”的方向发展。与此同时,以往制备的无机高分子絮凝剂大部分是以 AlCl3等作为原材料,其中重金属 Al3+存在很大的生物毒性[ 5 ]。因此,尝试取代传统絮凝剂的Al3+,成为当前无机高分子研究的重点。但实践表明,用铁盐取代铝盐,通常会造成水处理后的残余色度很大,由此亲生物金属钛正在进入研究者的视野[ 6 ]。对此,本研究结合钛的优点,尝试制备一种无机高分子复合絮凝剂,并对该絮凝剂的性能及在水处理方面的效果进行探讨。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Fe2(SO4)3(巩义市金源化工有限公司)、Na2SiO3·9H2O(济南裕沅生物科技有限公司)、T(iSO4)2(巩义市金源化工有限公司)、(NH4)2MoO4·4H2O(济南润昌化工有限公司)、Al2(SO4)3(淄博同益化工科技有限公司),以上试剂均为分析纯;H2SO4(工业级 佛山市华希盛化工有限公司)。本试验废水采自某建筑工地,经测定,该建筑废水浊度为 40NTU,磷含量 25mg·mL-1。JJ124BC 型电子天平 (苏州金钻称重设备系统开发有限公司);ZNCL-BS 型磁力搅拌器(上海越众仪器设备有限公司);JJ-4AL 型六联同步升降自动搅拌机(常州市金坛友联仪器研究所);722 可见分光光度计(上海佑科仪器仪表有限公司);PHS-3C 型pH 计(上海仪电科学仪器股份有限公司)。

1.2 试验过程

1.2.1 聚硅硫酸钛铁絮凝剂的制备

(1) 称取 236.50g Na2SiO3·9H2O (内 含 SiO250g),放入去离子水中;然后用磁力搅拌器进行混合,得到质量分数为 5% SiO2的 Na2SiO3溶液。(2)用稀 H2SO4调节 Na2SiO3溶液 pH 值恒定至2;在室温下搅拌聚合 3h。聚合完成后,停止搅拌;放置于常温环境陈化,即得 5%的聚硅酸。(3) 分别制备钛离子浓度为 0.4mol·L- 1的T(iSO4)2溶液和 Fe3 +浓度为0.5mol·L-1的 Fe2(SO4)3溶液备用。(4)将以上制备的聚硅酸、Fe2(SO4)3、T(iSO4)2和去离子水按一定比例聚合,从而得到聚硅硫酸钛铁絮凝剂。具体配比方案见表 1。

1.2.2 基于制备絮凝剂的废水处理工艺步骤

(1)取 400mL 废水置于 500mL 烧杯中,调节 pH值,加入聚硅硫酸钛铁絮凝剂。(2)将烧杯放置于 JJ-4AL 型自动搅拌机快速搅拌,搅拌速率和时间固定在 180r·min-1和 4min。(3)快速搅拌一段时间后,降低搅拌速率,继续搅拌,并把搅拌速率控制在 30r·min-1。(4)将步骤(3)搅拌的样品取出,静置一段时间。待上下分层,取液面下 2.5cm 处的上清液测试其浊度、磷含量、pH 值等。而为了验证不同外界因素对絮凝剂处理废水的影响,在参考桑杰(2020)等的研究成果基础上[ 7-10 ],选择絮凝剂投加量浓度、pH 值、慢搅时间、慢搅速度及静置时间作为影响因素,分别构建表 2、3 的除浊和除磷正交试验表。


1.3 评价指标

本研究以除浊和除磷作为评价指标,分析不同配比下的絮凝剂性能和不同外界影响因素的废水处理效果。具体则是通过分光光度法和钼酸铵分光光度法进行测定。

2 结果与讨论

2.1 不同配比下的絮凝剂除浊除磷效果

2.1.1 聚硅硫酸钛铁絮凝剂不同配比对除浊效果的影响

不同絮凝剂配比下废水的除浊效果见图 1。
由图 1 可以看出,在 nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi∶nFe=5∶1;nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi+Fe∶nSi=1∶5;nTi+Fe∶nSi=1∶3、nTi∶nFe= 5∶1时,絮凝剂的除浊效果最为稳定且去除率最高。

2.1.2 聚硅硫酸钛铁絮凝剂配比对除磷效果的影响

不同絮凝剂原料配比除磷效果见图 2。
由图 2 可知,在 nTi∶nFe=1∶5 时,PTFS 絮凝剂的除磷效果最为稳定,且除磷率最高。结合除浊试验结果,故 PTFS 的最佳配比为 nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi∶nFe=1∶5。

2.2 不同废水处理工艺下的絮凝剂除浊除磷效果

2.2.1 除浊正交试验结果

除浊正交试验结果见表 4。

由表 4 可知,在 5 个因素中,对浊度影响排序静置时间最大,其次是快搅时间,然后是慢搅时间,最后是 pH 值环境和絮凝剂的投加量。除浊的最佳工艺为:A3B4C2D2E4,即当絮凝剂浓度为 0.60mmol·L-1,pH 值为 10,慢搅时间和速度为 30min 和 30r·min-1,静置 120min 时,除浊效果最佳,证实以此条件制备的絮凝剂可达到高效除浊目的。

2.2.2 除磷正交试验结果

除磷正交试验结果与极差分析见表 5。
由表 5 可知,除磷的最佳工艺为 A4B3C2D4E3,即当絮凝剂投加量为 0.20mmol·L-1,pH 值为 10.5,快搅时间和慢搅时间分别为 2min 和 20min,静置 90min时,除磷效果最佳。

3 结论

本研究选用的铁盐、钛盐和聚硅酸合成的无机高分子复合絮凝剂,无论是在除浊,还是在除磷方面,都表现出良好的去除效果。而通过以上研究,得出以下结论:(1)通过改变铁盐、钛盐和聚硅酸的比例,结合除浊和除磷效果,得到聚硅硫酸钛铁絮凝剂的最佳配比为 nTi+Fe∶nSi=1∶4、nTi∶nFe=1∶5。(2)通过除浊正交试验表明,慢搅时间对絮凝剂去除浊度影响最大,絮凝剂投加浓度影响最小,废水除浊度的最佳絮凝工艺为 A4B1C1D4E4;(3)除磷正交试验表明,静置时间对除磷影响最大,快搅时间影响最小,除磷最佳絮凝条件为:复合絮凝剂投加浓度为 0.2mmol·L-1、pH 值为 10.5、快搅速率和时间分别为 180r·min-1和 2min、慢搅速率和时间分别为 30r·min-1和 20min,静置时间 90min。