聚硅酸铝铁-海藻酸钠复合絮凝剂的制备_马鸿鹤.pdf

126化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY2023年第 43卷第 1期聚硅酸铝铁-海藻酸钠复合絮凝剂的制备马鸿鹤，张 浩，王润楠，娄大伟（吉林化工学院 化学与制药工程学院，吉林 吉林 132022）摘要 以硅酸钠、硫酸铝、氯化铁、海藻酸钠（SA）为原料制备了聚硅酸铝铁-海藻酸钠（PSAFe-SA）絮凝剂，并采用SEM、FTIR、XRD、TGA技术进行了表征，分析了影响PSAFe-SA絮凝沉降效果的主要因素，并考察了该絮凝剂对松花江水样的处理效果。实验结果表明：在制备聚硅酸的pH为3.0、n（Al+Fe）n（Si）为1.0、n（Al）n（Fe）为4.0、m（SA）m（Si）为0.04的条件下，所制备的PSAFe-SA絮凝剂性能最好；在水样pH为6.0、PSAFe-SA投加量为28 mg/L、沉降时间为20 min的最佳絮凝条件下，松花江水样的浊度去除率为94.50%。关键词 聚硅酸铝铁；海藻酸钠；复合絮凝剂；絮凝性能 中图分类号 X522 文献标志码 A 文章编号 1006-1878（2023）01-0126-06 DOI 10.3969/j.issn.1006-1878.2023.01.019Preparation of polysilicate-aluminum-ferric and sodium alginate composite flocculantMA Honghe，ZHANG Hao，WANG Runnan，LOU Dawei（School of Chemical and Pharmaceutical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin 132022，China）Abstract：Using sodium silicate，aluminum sulfate，ferric chloride and sodium alginate（SA）as raw matierials，the polysilicate-aluminum-ferric and sodium alginate（PSAFe-SA）flocculant was prepared and characterized by SEM，FTIR，XRD and TGA.The main factores affecting the flocculation effect of PSAFe-SA were discuussed，and the flocculation effect of PSAFe-SA to the water sample of Songhua River was studied.The experimental results show that：when the conditions of polysilicate preparation pH is 3.0，n（Al+Fe）n（Si）is 1.0，n（Al）n（Fe）is 4.0 and m（SA）m（Si）is 0.04，the flocculation capability of the prepared PSAFe-SA is the best；under the optimum flocculation conditions of water sample pH 6.0，PSAFe-SA amount 28 mg/L and sedimentation time 20 min，the turbidity removal rate of the water sample of Songhua River is 94.50%.Key words：polysilicate-aluminum-ferric；sodium alginate；composite flocculant；flocculation capability 收稿日期 2022-02-25；修订日期 2022-10-19。作者简介 马鸿鹤（1996），女，吉林省吉林市人，硕士生，电话 13844642972，电邮 。通讯作者：娄大伟，电话 13843225996，电邮 。基金项目 吉林省科技发展计划项目（20210201061GX）；吉林省产业技术研究与开发项目（2020C028-1）；吉林市科技创新发展计划项目（20210401095）。絮凝沉淀是向污水中投加絮凝剂，通过吸附、网捕、卷扫作用使絮凝剂与废水中的悬浮颗粒聚集成较大絮团，在重力作用下进行沉降分离的废水处理方法1。该方法操作简便、成本低廉、应用广泛2-4。常用的絮凝剂可以分为无机絮凝剂、有机絮凝剂、生物基絮凝剂和复合絮凝剂5。其中，无机絮凝剂（如铝盐和镁盐）在实际应用中存在用量大、沉降性差等问题6；有机絮凝剂（如聚丙烯酰胺）具有一定的毒性，对人类健康存在潜在危害；生物基絮凝剂尽管安全、高效、无二次污染，但由于培养费用高、发酵工艺不成熟和絮凝效果不稳定，目前尚未得到广泛生产和应用；复合絮凝剂具有反应速度快、絮凝效果好、环境友好等优点，因而备受关注。聚硅酸铝铁-海藻酸钠（PSAFe-SA）絮凝剂是在聚硅酸基础上引入铝盐、铁盐和海藻酸钠（SA）所制得的一种新型无机-有机复合絮凝剂7。它综合了无机絮凝剂价格低廉和有机絮凝剂吸附能力强、稳定性好的优点8-11，又兼具聚硅酸吸附架桥能力强和SA稳定性好的特点，成为目前复合絮凝剂的研究热点12。本研究以硅酸钠、硫酸铝、氯化铁、SA为原127第1期料制备了PSAFe-SA絮凝剂，采用SEM、FTIR、XRD、TGA技术进行了表征，分析了水样pH、PSAFe-SA加入量和沉降时间对絮凝效果的影响，考察了该絮凝剂对松花江水样的处理效果。1 实验部分 1.1 材料、试剂和仪器松花江水样：取自松花江吉林段龙潭桥下，浊度为17.03 NTU。模拟水样：将0.1 g超细高岭土分散于7.5 L纯化水中制得，浊度为17.16 NTU。NaOH、FeCl36H2O、Al2（SO4）318H2O、Na2SiO39H2O、超细高岭土：分析纯；H2SO4（w=98%）、CH3COOH（w=98%）：优级纯；SA：化学纯。MZT-3A 型光电浊度仪：上海劲佳科学仪器有限公司；200-X 型傅里叶变换红外光谱仪：天津拓普仪器有限公司；QUANTA-FEG-450型扫描电子显微镜：美国FEI公司；D8型X射线衍射仪：德国 Bruker公司；TG209F1型热重分析仪：德国耐驰有限公司。1.2 PSAFe-SA絮凝剂的制备取50.0 mL浓度为 0.140 mol/L的硅酸钠溶液，用30%的浓硫酸调节溶液pH至3.0，在40 水浴条件下搅拌2 h，静置熟化2 h，制得聚硅酸溶液；按n（Al+Fe）n（Si）为1.0、n（Al）n（Fe）为4.0的比例分别向聚硅酸溶液中加入浓度为0.427 mol/L的Al2（SO4）318H2O溶液6.6 mL、浓度为0.854 mol/L的FeCl36H2O溶液1.7 mL，在40 水浴条件下搅拌2 h，静置熟化24 h，制得聚硅酸铝铁溶液，即PSAFe。取0.5 g SA溶于100.0 mL 质量分数为1%的冰乙酸溶液中，在50 水浴条件下搅拌2 h，制得SA溶液。按m（SA）m（Si）为0.04的比例将SA溶液加入到PSAFe中，在40 水浴条件下搅拌2 h，静置熟化24 h，制得PSAFe-SA复合絮凝剂。1.3 絮凝实验取1 L模拟水样置于搅拌器中，调节溶液pH至一定值，加入一定量的PSAFe-SA，先在200 r/min的条件下搅拌2 min，再在100 r/min的条件下搅拌15 min，最后在60 r/min的条件下搅拌5 min，静置沉降，取上清液，测定浊度，计算浊度去除率。分别考察模拟水样pH、PSAFe-SA加入量和沉淀时间对絮凝效果的影响。1.4 分析与表征采用SEM、FTIR、XRD和TG表征絮凝剂的微观形貌、组成特征、晶相结构和热稳定性等。2 结果与讨论2.1 制备条件对絮凝效果的影响2.1.1 制备聚硅酸的pH制备聚硅酸的pH对浊度去除率的影响见图1。由图1可见：当pH3.0时，随着pH的增加，浊度去除率逐渐降低，絮凝效果逐渐变差，这是因为随着pH的增加，H+的数量减少，抑制了聚硅酸的形成，导致聚硅酸与金属离子和多糖的接枝率降低，形成的有效复合絮凝剂减少，絮凝效果减弱。由此可见，制备聚硅酸的最适pH为3.0。024681012848286889092949698去除率/%pH图1 制备聚硅酸的pH对浊度去除率的影响2.1.2 金属离子含量金属离子含量对浊度去除率的影响见图2。由图2a可见：当n（Al+Fe）n（Si）为1.0时，絮凝效果最佳，浊度去除率最高，为95.15%。因此，选择n（Al+Fe）n（Si）为1.0。相同条件下，仅改变n（Al）n（Fe）的值，探究n（Al）n（Fe）对浊度去除率的影响，结果见图2b。由图2b可见：当絮凝剂中不含铁离子时，絮凝效果较差；随着铁离子含量的增加，絮凝效果逐渐增强，当n（Al）n（Fe）为4.0时，絮凝效果最佳。进一步增加铁离子的含量、减少铝离子的含量，絮凝效果减弱。原因在于：铁离子有助于絮体的形成及沉降，铝离子对水体中的胶粒具有较强的吸附作用。因此，选择n（Al）n（Fe）为4.0。马鸿鹤等.聚硅酸铝铁-海藻酸钠复合絮凝剂的制备1282023年第 43卷化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY2.1.3 m（SA）m（Si）m（SA）m（Si）对浊度去除率的影响见图3。由图3可见：SA的加入对浊度去除率影响较大；当m（SA）m（Si）0.04时，浊度去除率逐渐降低，絮凝效果减弱。天然高分子聚合物SA的加入有利于提升絮凝剂对胶体粒子的吸附架桥与网捕卷扫能力，增强絮凝效果，但当SA加入量过多时，又会影响与PSAFe的复合，不利于PSAFe-SA的形成。因此，选择m（SA）m（Si）为0.04。2.2 PSAFe与PSAFe-SA的表征2.2.1 SEM图4为PSAFe和PSAFe-SA的SEM照片。由图4a可见，PSAFe的表面凹凸不平，具有多孔道结构。由图4b可见，PSAFe与SA复合后，并没有改变PSAFe的原有形貌，只是PSAFe-SA的表面更为粗糙，且颗粒紧密相连，具有更多细小空隙，这种结构特征更有利于对胶粒的吸附。去除率/%n(Al+Fe):n(Si)0.40.60.81.01.21.46050708090100n(Al+Fe):n(Si)去除率/%n(Al):n(Fe)n(Al):n(Fe)无Fe9.04.02.31.51.0949395969798图2 金属离子含量对浊度去除率的影响去除率/%m(SA):m(Si)00.020.040.060.080.1091929394959697图3 m（SA）m（Si）对浊度去除率的影响ab1 m1 m图4 PSAFe（a）和PSAFe-SA（b）的SEM照片2.2.2 FTIR图5为PSAFe和PSAFe-SA的FTIR谱图。由图5可见：在PSAFe和PSAFe-SA的谱图中存在相同的吸收峰，1 148.64 cm-1处为FeOHFe、AlOHAl的振动吸收峰，603.35 cm-1处为SiOAl、SiOFe的弯曲振动吸收峰；在PSAFe的谱图中，1 669.38 cm-1处的特征峰为SiOSi的特征吸收峰13；在PSAFe-SA的谱图中，1 644.84 cm-1和1 463.48 cm-1处为SA中COO-的特征吸收峰14-15，1 644.84 cm-1处还是C=O的伸缩振动吸收峰和SiOSi特征吸收峰的重叠峰13，2 925.76 cm-1和2 853.93 cm-1处为CH2的伸缩振动和弯曲振动吸收峰16，由此可见，PSAFe与SA成功复合在一起。2.2.3 XRD图6为PSAF