聚硅酸硫酸鋁鎂的制備及其除濁試驗研究

李天斌

(中海油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江524057)

陳 武,萬用波,梅 平

(長江大學化學與環境工程學院,湖北荊州434023)

早期的研究發現聚硅酸屬陰離子型絮凝劑,有很強聚集能力和吸附架橋作用,主要作助凝劑,但由于其穩定性差,只能現配現用,因此極大地限制了其應用,不能成為獨立商品絮凝劑[1-3]。傳統鋁鹽和鐵鹽混凝劑屬陽離子型混凝劑,具有靜電中和及卷掃作用,但處理低溫水效果較差。針對這種情況,人們在聚硅酸及傳統的鋁鹽、鐵鹽等絮凝劑的基礎上研究制備了聚硅酸與金屬鹽的復合產物——聚硅酸金屬鹽混凝劑,它兼具陰離子型和陽離子型混凝劑的特點,既可克服各自的缺點,又能產生優勢互補協同效應,除濁、脫色、除油等方面效果好,且易于制備,價格便宜,產品穩定性好。現已成為國內外無機高分子混凝研究的一個熱點[4-5]。目前的研究的重點是向聚硅酸中引入單種金屬離子多種金屬離子的新工藝、提高產品的絮凝性能、穩定性能以及聚硅酸與金屬鹽之間的相互作用和混凝機理,其發展方向是開發出高效、無毒、價廉、多功能、適合工業化生產的聚硅酸金屬鹽混凝劑[6-7]。下面,筆者參考聚硅酸金屬鹽絮凝劑的制備方法[8]制備聚硅酸硫酸鋁鎂 (PSAMS),并采用荊門煉油廠的含油廢水進行絮凝試驗,研究其混凝除濁的效果,為其應用和工業生產提供試驗依據。

1 試驗部分

1.1 主要儀器和試劑

電子天平、控溫電磁攪拌器、濁度儀、p H計;硅酸鈉、硫酸鎂、硫酸鋁、硫酸等化學試劑等。

1.2 試驗水樣

試驗水樣為荊門煉油廠含油廢水,p H值為7.51,色度為21倍,濁度為178NTU。

2 聚硅酸的制備

聚硅酸是制備PSAMS的主體之一,其聚合度 (聚合時間/凝膠時間)不僅是聚硅酸溶液穩定性的表現,也是影響制備PSAMS的重要因素。影響硅酸鈉溶液膠凝時間的因素主要有溶液p H值、硅酸鈉濃度、聚合溫度等。為了制備方便,確定在室溫25℃下研究p H、硅酸鈉濃度 (以SiO2計)對聚硅酸凝膠時間的影響。稱取一定量的硅酸鈉溶于水中,配制成一定濃度的硅酸鈉溶液,取一定體積的硅酸鈉溶液,用NaOH和H 2SO4調節p H值,結果如表1所示。

表1 不同p H值對聚硅酸膠凝時間的影響

由表1可知,硅酸鈉溶液濃度一定時,其p H越趨于中性,其凝膠時間就越短,而隨著酸度或堿度的提高,凝膠時間也就變長,p H=7～8時,膠凝時間最短。硅酸鈉溶液pH一定時,其濃度越大凝膠時間越短,原因主要是由于SiO2濃度的增大,增加了硅酸分子之間發生自聚的幾率,使得其穩定性降低,從穩定性考慮SiO2濃度不宜過高,因此,為便于制備PSAMS的操作,初步確定在SiO2的濃度為2%、p H為5的條件下制備PSAMS。

3 各因素對聚硅酸硫酸鋁鎂 (PSAMS)去濁效果的影響

采取共聚法[9]合成PSAMS,主要研究Si/Al摩爾比、Si/Mg摩爾比、熟化時間對制備的PSAMS去濁效果的影響。取一定量硅酸鈉溶于水中配制成含SiO2為2%的溶液,用硫酸調節p H值為5.0,加入一定摩爾比的AI2(SO4)3和MgSO4,攪拌2min,放置熟化數小時后,即可得到絮凝劑PSAMS,然后用一定量的PSAMS處理荊門煉油廠的含油廢水,快速攪拌30s,再慢攪1min,靜置30min后取上層清液測其濁度。

3.1 硅鋁摩爾比對絮凝效果的影響

PSAMS絮凝劑中鋁的含量是影響其絮凝效果的一個因素。因此,固定SiO2含量為2%、Mg/SiO2為3∶1[10],在其他條件相同的情況下,制備不同Si/Al摩爾比的PSAMS產品,取0.5ml的PSAMS處理50ml含油廢水,結果如圖1所示。由圖1可知,Si/Al摩爾比在1∶3～3∶1的范圍內,合成產物PSAMS絮凝效果較好,除濁率都在90%以上,說明Al的含量變化對其絮凝效果的影響不顯著,相比之下,Si/Al比為1.5時絮凝效果最佳,達到了92.8%。

3.2 硅鎂摩爾比對絮凝效果的影響

為了研究絮凝劑中鎂的含量對絮凝效果的影響,在SiO2%含量為2%、Si/Al比為1.5,制備不同Si/Mg摩爾比的合成產物PSAMS,取不同量的PSAMS處理100ml含油廢水,結果如圖2所示。

由圖2可知,Si/Mg摩爾比為1∶2的PSAMS在5種不同加量時,除濁效果均較好。100ml的含油廢水中,不同Si/Mg比的PSAMS投加量在1.0～1.5ml時,都能達到很好絮凝效果,除濁率都在90%以上。

圖2 Si/Mg比對PSAMS絮凝效果的影響

圖1 Si/Al比對PSAMS絮凝效果的影響

3.3 熟化時間對PSAMS絮凝效果的影響

由于聚硅酸鹽類絮凝劑隨著時間的延長會產生自聚現象,從而使其絮凝效果迅速下降。為了研究熟化時間對PSAMS絮凝效果的影響,在SiO2含量為2%、Si/Al比為1.5、Si/Mg摩爾比為1∶2的條件下制備了PSAMS,取放置熟化不同時間的PSAMS 1.5ml處理100ml含油廢水,取處理后水測定濁度,結果如表2所示。

表2 熟化時間對PSAMS絮凝效果的影響

由表2可知,聚硅酸硫酸鋁鎂絮凝劑在放置一周以后的除濁率在90%以上,放置25d后除濁率仍能達到85%以上,且無明顯聚合現象,穩定性能很好。

4 制備PSAMS最佳條件的確定

為了得到制備PSAMS的最佳條件,在上述基礎上,選擇pH值、Si/Mg摩爾比和熟化時間,作L(33)正交試驗,結果如表3所示。從表3數據可知,鎂硅摩爾比對PSAMS濁度去除效果影響最大,其后依次是p H值、熟化時間。制備PSAMS的最佳條件為:Si/Mg摩爾比為1∶2.5、pH=4、熟化時間為5h。為了驗證正交試驗結果,在此最佳條件下制備PSAMS絮凝劑并做絮凝試驗,結果表明,最佳條件下制備的PSAMS絮凝劑對含油廢水的除濁率達到95.46%。

5 PSAMS對含油廢水的最佳除濁條件

為了確定制備的PSAMS對荊門煉油廠含油廢水除濁的最佳條件,筆者選擇廢水pH值、PSAMS加量、攪拌時間作L(33)正交試驗,結果如表4所示。從表4結果可知,PSAMS投加量對廢水除濁效果影響最大,其后依次是攪拌時間和廢水p H。PSAMS對含油廢水最優除濁條件為:投加量為1.0ml/100ml、攪拌時間為90s、p H=7。為了驗正正交試驗,在此最佳條件下用PSAMS處理含油廢水,除濁率達到了97.60%,表明此條件即為最佳絮凝條件。

表3 制備PSAMS的L(33)正交試驗結果

表4 PSAMS處理含油廢水的L(33)正交試驗結果

在可比條件下,將合成的絮凝劑PSAMS與合成原料Al2(SO4)3、MgSO4及荊門煉油廠在用絮凝劑聚合氯化鋁 (PAC)進行了除濁效果對比,結果如表5所示。從表5可知,PSAMS的除濁效果最佳,并且不會給原水帶去新的色度,表明PSAMS有很好的工業應用前景。

表5 相同條件下的不同絮凝劑的絮凝效果對比

6 結 論

1)硅酸鈉溶液濃度一定時,其p H越趨于中性,其凝膠時間就越短,而隨著酸度或堿度的提高,凝膠時間也就變長,pH=7～8時,膠凝時間最短。硅酸鈉溶液p H一定時,其濃度越大凝膠時間越短。硅酸鈉溶液含SiO2 2%、pH=5為制備PSAMS較佳條件。

2)研究了Si/Al摩爾比、Si/Mg摩爾比及熟化時間對產品PSAMS除濁性能的影響,結果表明,Si/Al比為1.5、Si/Mg摩爾比為1∶2,合成產物PSAMS的除濁率都在90%以上;將其放置1周后的除濁率在90%以上,放置25d后,除濁率仍大于85%,合成產物PSAMS穩定性能很好。

3)正交試驗結果表明,鎂硅摩爾比對PSAMS濁度去除效果影響最大,其后依次是p H值、熟化時間。制備PSAMS的最佳條件為:Si/Mg摩爾比為1∶2.5、p H=4、熟化時間為5h。最佳條件下制備的PSAMS絮凝劑對含油廢水的除濁率達到95.46%。

4)正交試驗結果表明,PSAMS投加量對廢水除濁效果影響最大,其后依次是攪拌時間p H。PSAMS對含油廢水最優除濁條件為:投加量為1.0ml/100ml、攪拌時間為90s、p H=7。PSAMS在最佳條件下對含油廢水的除濁率達到了97.60%。

5)除濁效果對比實驗表明,合成絮凝劑PSAMS除濁效果優于合成原料Al2(SO4)3、MgSO4及荊門煉油廠在用的絮凝劑PAC,表明PSAMS有很大的工業應用前景。

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