聚合硅铝铁混凝剂的制备及其特性

高宝玉 王炳建 岳钦艳
（山东大学环境科学与工程学院 250100）

1 前言：

　　在国内外给水及废水处理中，铝盐是技术最成熟、应用最广泛的无机混凝剂。然而，随着对水质要求的越来越高，需要在新制备工艺条件下开发研制出高效、价廉、低毒或无毒的新型无机高分子混凝剂，聚硅酸铝铁混凝剂正是应这一要求而产生的一种混凝剂。
　　聚合硅酸铝铁（PAFSC）保留了铝铁各自均聚物的优点，克服了聚合氯化铝（PAC）处理水样中残余铝含量较高和聚合氯化铁（PFC）絮凝剂稳定性较差的缺点。与PAC相比，聚硅酸铝铁(PAFSC)具有较低的残余铝含量，较好的除浊效果和脱色效果以及较好的除油和除COD效果。本文制备了一系列稳定的PAFSC，考察了稳定性、电动特性，并对混凝效果进行了研究，结果表明PAFSC具有很好的稳定性和较好的混凝效果。

2 研究方法：

　　2.1 实验仪器及试剂
　　pH-2型酸度计、YZD-1A型液体浊度计、DC506-型六联搅拌机、JS94F型微电泳仪。
FeCl3.6H2O、AlCl3.6H2O、盐酸、Na2CO3、Na2SO3等（以上试剂均为AR级）。
　　2.2 聚硅酸的制备[1]
　　首先配制一定浓度的NaSiO3溶液，然后用一定浓度的稀盐酸酸化至pH值为2.0~3.0，从而制得一定浓度的聚硅酸溶液。
　　2.3 PAFSC的制备方法[2]
　　复合法：取一定量的AlCl3.6H2O、FeCl3.6H2O固体于烧杯中，配制成一定浓度和比例的溶液，然后加入一定量的Na2CO3粉末，然后向溶液中加入一定量的新制备的聚硅酸这种方法称为复合法，以PAFSC（复）表示。
　　共聚法：取一定量的AlCl3.6H2O、FeCl3.6H2O固体于烧杯中，加入一定量新制备的聚硅酸，然后加入Na2CO3粉末这种方法称为共聚法以PAFSC（共）表示。
　　2.4 Zeta电位的测定[3]
　　2.5 模拟水样的配制及混凝实验[4]

3 结果与讨论

　　3.1 PAFSC的稳定性研究
　　在熟化期间观察各种比例的铝铁硅共聚物，发现PAFSC的稳定性（从制备至今四个多月未浑浊）高于PAC（稳定30多天）和PFC（稳定20多天），这说明聚硅酸的加入有助于提高产品的稳定性。此外，无论是共聚法还是复合法，当B>2.5时，制备过程中溶液均易出现浑浊，稳定性较差。由此可以看出，PAFSC中聚硅酸与铝、铁离子及水解产物间存在一定的配合作用，当碱化度较大时，一方面过多的OH-易与铝、铁生成Al(OH)3、Fe(OH)3沉淀，另一方面，碱化度较大，溶液的pH值较高，聚硅酸更易凝聚，降低了与Al(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)的聚合作用，使溶液易变浑浊，稳定性较差。
　　3.2 PAFSC的电动特性
　　图1是B=2.0的PAC、PAFSC的Zeta电位与pH的关系曲线。由图1看出，在pH>5.0的范围内，PAC的Zeta电位~pH曲线始终在PAFSC的上方，即在相同pH值下的PAFSC水解沉淀物胶粒带有较多的正电荷，这是因为：对PAFSC来说，由于带负电的聚硅酸的加入，降低了其本身的正电性，因此表现为比PAC带有较低的正电荷。另外，在此pH值范围内，随pH值的升高，PAC和PAFSC的Zeta电位均降低，这是因为：随pH值的升高，混凝剂分子的水解形态逐渐向生成氢氧化铝、氢氧化铁凝胶的方向转化，且随着pH值的继续增大，混凝剂中Al(OH)4-的形态逐渐占优势，吸附在水解沉淀物上的负电荷逐渐增大，所以Zeta电位逐渐降低。在pH<5.0范围内，随pH值的增加，PAC水解沉淀物表面的Zeta电位变化规律与PAFSC不同，由图1可以看出，在pH<5.0的范围内，随pH的升高，PAC水解沉淀物面的Zeta电位不断升高，而PAFSC的水解沉淀物表面的Zeta电位却不断降低，这是由于铝和铁水解的pH范围不同，所以在低pH值范围内PAC的Zeta-pH关系曲线的变化趋势与PAFSC不同。

　　3.3 PAFSC的混凝效果研究

　　图2示出了B=2.0的PAC和PAFSC的除浊效果。由图2看出,PAFSC比PAC的除浊效果好,说明了硅的加入有助于提高除浊效果,另外,PAFSC(共)比PAFSC(复)的除浊效果好,且Al/Si摩尔比越小,除浊效果越好。这是因为虽然硅的加入降低了PAFSC的正电性，但由于Si与Al和Fe之间存在一定的配合作用，使得PAFSC的分子量增大，因此絮凝剂在水中的吸附架桥能力也随之增大，从而提高了混凝效果。
　　图3是混凝效果随碱化度(B)变化的关系曲线。由图3可以看出，碱化度（B）对PAFSC的除浊效果有一定的影响，PAFSC随碱化度的增加除浊效果变好，由此可知，碱化度越高，产品水解度越大，产生的絮体越大，增强了吸附架桥能力，提高了混凝效果。

4 结论

　　【1】聚硅酸与铝离子、铁离子及铝铁水解产物间存在一定的配合作用，这种作用影响铝离子、铁离子的水解聚合过程，从而提高了PAFSC的稳定性。
　　【2】PAFSC水解聚合产物的电动特性与pH的变化密切相关，且随pH值的变化规律与PAC、PAFC基本相似，由于硅的加入，PAFSC的正电性低于PAC。
　　【3】PAFSC的除浊效果优于PAC，且除浊效果受碱化度(B)的影响较大,随B的增加除浊效果不断提高。在混凝过程中，起主要作用的是电中和作用和吸附架桥作用。

参考文献

　　1 栾兆坤、宋永会 聚硅酸金属盐絮凝剂的制备和絮凝性能 环境化学 1997，16（6）：534-540
　　2 栾兆坤、刘振儒、赵春禄 聚铝铁硅絮凝剂的合成方法及其混凝效能 环境化学 1997，16（6）：546-551