聚硅酸氯化鋁鎂的制備及絮凝性能

王雪嬌，衣守志

（天津科技大學 材料科學與化工工程學院，天津 300457）

絮凝法是眾多廢水處理方法中應用廣、成本低、最常用的處理方法［1］。絮凝劑的選擇關系到后續水處理效果的好壞。選擇合適的水處理藥劑，能夠降低或消除水中分散微粒的穩定性，使分散微粒凝聚成聚集體［2］。聚硅酸鹽是近年發展起來的含聚硅酸與金屬鹽的新型無機高分子絮凝劑，聚合度高，穩定性好，具有優良的凈水性能和廣泛的應用范圍。聚硅酸鹽無機高分子絮凝劑是當前研究開發的熱點，且水處理效果優于簡單絮凝劑［3-4］。鎂鹽具有很好的輔助脫色效果，以鎂鹽作為混凝劑時，緩沖性和活性高，吸附能力強。在鋁鹽絮凝劑中加入適量鎂鹽可增強絮凝劑的混凝脫色性能，廢水處理效果更好［5-9］。

本工作制備了復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂，并用FTIR儀和SEM對其進行了表征，考察了自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂對實際廢水的處理效果。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

水玻璃：工業級，模數3.22；聚合氯化鋁：工業級，Al2O3質量分數10%，鹽基度40%～80%；鹽酸、硫酸、氫氧化鈉、硫酸鎂：分析純。

實驗用廢水取自天津市紀莊子污水廠，廢水水質見表1。

表1 廢水水質

pHS-25型數顯酸度計：杭州奧立龍儀器有限公司；MY3000-6M型彩屏混凝試驗攪拌儀：武漢梅宇儀器有限公司；VERTEX 70型FTIR儀：德國布魯克光譜儀器公司；∑IGMA型SEM：德國卡爾蔡司公司；雷磁WZS-185型高濁度儀：上海精密科學儀器有限公司；MM-32790-00型COD測定儀：德國夸克公司；HQ30B型溶氧儀：美國哈希公司。

1.2 聚硅酸的制備

向52.5 g水玻璃中加入500 mL蒸餾水。在攪拌狀態下，將鹽酸倒入水玻璃溶液中調節pH為2，活化反應150 min，制得聚硅酸。

1.3 聚硅酸氯化鋁鎂的制備

按照n（硅）∶n（鋁）∶n（鎂）=1∶3∶1的比例在燒杯中加入聚硅酸、聚合氯化鋁和硫酸鎂，攪拌30 min，靜置2 h以上，制得聚硅酸氯化鋁鎂。

1.4 絮凝實驗

選用市售聚合氯化鋁和自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂進行對比實驗。在常溫下，取100 mL廢水，用稀硫酸和氫氧化鈉溶液調節廢水pH，在快速攪拌（150 r/min）的條件下加入絮凝劑，攪拌2 min后改為慢速攪拌（60 r/min），攪拌一段時間后靜置沉降，取上清液進行測定。

1.5 分析方法

采用SEM觀察自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂的形貌；采用FTIR儀測定聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR譜圖；按照GB 11914—1989《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》［10］測定廢水COD；按照GB 7488—1987《水質 五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法》［11］測定廢水BOD5；按照GB 11839—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》［12］測定廢水的TP；按照GB 11894—1989《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》［13］測定廢水的TN；采用濁度儀測定廢水的濁度。

2 結果與討論

2.1 聚硅酸氯化鋁鎂的形貌分析

通過聚硅酸氯化鋁鎂的SEM照片可反映出金屬鹽與聚硅酸之間的相互作用以及由此帶來的聚硅酸結構上的變化。聚硅酸氯化鋁鎂的SEM照片見圖1。聚硅酸氯化鋁鎂是由隨機取向的小單元聚集在一起形成枝杈狀結構，該枝杈結構向四面八方伸展形成交聯緊密的空間立體網。長鏈枝杈結構具有比表面積大、吸附能力強的特點，有利于橋架、網捕吸附水中的小顆粒。聚硅酸氯化鋁鎂在絮凝過程中具有良好的絮凝吸附特性，可通過大分子的橋聯、卷掃作用將膠體和懸浮物顆粒從水中清掃下來，形成絮狀沉淀。能譜分析結果表明，制備的聚硅酸氯化鋁鎂以聚硅酸為主干，主要由硅、氯、鋁、鎂、鈉組成。

圖1 聚硅酸氯化鋁鎂的SEM照片

2.2 聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR分析

聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR譜圖見圖2。由圖2可見：在3 335 cm-1處的強寬吸收峰是聚硅酸氯化鋁鎂分子中與鋁離子相連的—OH以及吸附的水分子中—OH基團的伸縮振動產生的吸收峰；1 638 cm-1為水分子變角振動吸收峰［14］；1 162 cm-1為Si—O基團伸縮振動產生的吸收峰；979 cm-1處的弱峰為Si—O—Al彎曲振動產生的吸收峰［15］。由此可見，聚鋁離子及水解絡合離子可與共存的聚硅酸聚合形成配位鍵，Si—O—Al的形成既延緩了聚硅酸的聚合速率，又增加了聚硅酸氯化鋁鎂的聚合度。

圖2 聚硅酸氯化鋁鎂的FTIR譜圖

2.3 聚硅酸氯化鋁鎂加入量對廢水濁度的影響

在廢水pH為2的條件下，聚硅酸氯化鋁鎂加入量對廢水濁度的影響見圖3。由圖3可見：隨絮凝劑加入量的增加，廢水濁度降低；當聚硅酸氯化鋁鎂加入量達40 mg/L時，廢水濁度降至5 NTU以下，低于加入聚合氯化鋁的廢水。由此可見，在絮凝劑加入量相同的情況下，自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂的絮凝效果優于市售聚合氯化鋁。

圖3 聚硅酸氯化鋁鎂加入量對廢水濁度的影響

2.4 廢水pH對廢水濁度的影響

在絮凝劑加入量為40 mg/L的條件下，廢水pH對廢水濁度的影響見圖4。由圖4可見：在低廢水pH條件下，絮凝效果較差；當廢水pH大于3時，廢水濁度降低，兩種絮凝劑的絮凝效果均較好，自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂的絮凝效果略優于市售聚合氯化鋁。

圖4 廢水pH對廢水濁度的影響

2.5 廢水處理效果比較

在絮凝劑加入量為40 mg/L、廢水pH為3的條件下，自制聚硅酸氯化鋁鎂和市售聚合氯化鋁對廢水處理效果的比較見表2。由表2可見，自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂較傳統的無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁有更好的廢水去除效果，廢水COD、BOD5、TP、TN、濁度的去除率均較高。

聚硅酸氯化鋁鎂和聚合氯化鋁均是羥基配合物的中間產物。在水中鋁離子經水解—聚合—沉淀反應生成一系列動力學中間產物，如單體、二聚體、聚十三鋁及更高的聚合物等［16］。這些聚合物帶正電，與水中帶負電的顆粒物發生電中和作用，使絮團沉淀。

表2 兩種絮凝劑廢水處理效果的比較

聚硅酸氯化鋁鎂中含有相對分子質量較大的聚硅酸，聚硅酸在聚合過程中交聯成網狀，具有較大比表面積，并與鋁水解聚合產物相互作用生成聚合度更高的鋁硅聚合物，有利于聚硅酸氯化鋁鎂的吸附架橋和網捕作用，表現出更好的水處理效果。鎂鹽的加入可吸附廢水中的磺酸基、羧基、氨基、羥基等陰離子基團，在去除色度、COD、TN、TP等方面具有較強的能力。兩種金屬鹽的加入表現出了良好的協同作用。

3 結論

a）自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂，它不僅有聚硅酸的吸附架橋和網捕作用，同時具有金屬鋁鹽的電中和作用以及鎂鹽的輔助脫色作用。兩種金屬鹽的加入表現出了良好的協同作用。

b）在聚硅酸氯化鋁鎂加入量為40 mg/L、廢水pH為3的條件下，廢水COD、BOD5、TP、TN、濁度的去除率均較高。自制復合絮凝劑聚硅酸氯化鋁鎂較傳統的無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁具有更好的廢水處理效果。

［1］ 王雪楓，程曉晶，王毅. 聚硅酸金屬鹽絮凝劑形態研究進展［J］. 工業水處理，2012，32（4）：12-15.

［2］ 路青，徐偉濤，劉海英，等. 多核無機高分子絮凝劑研究進展［J］. 環境工程，2011，29（增刊）：50 -52.

［3］ Gao Baoyu，Yue Qinyan，Wang Bingjiang，et al.Poly-aluminum-silicate-chloride (PASiC)：A new type of composite inorganic polymer coagulant［J］. Colloids Surf，A，2003，229（1/2/3）：121-127.

［4］ 李文靜，衣守志，任雪峰，等. 聚硅酸氯化鋁鎂絮凝劑的制備及廢水處理研究［J］. 水處理技術，2011，37（8）：40-43.

［5］ 張景香，陸金仁，單寶田，等. 聚硅酸鐵鎂絮凝劑制備及其脫色作用［J］. 工業水處理，2009，29（8）：56-58.

［6］ 陳凌，沙琳，張正紅，等. 聚硅酸鋁鐵鎂混凝劑的制備及其對印染廢水的處理［J］. 水處理技術，201，37（12）：42-45.

［7］ 桑義敏，谷慶寶，孫體昌，等. 垃圾滲濾液預處理鐵-鎂-鋁無機復合絮凝劑的制備［J］.環境工程，2008，26（6）：50-53.

［8］ 黨酉勝. 鐵鎂鋁復合高分子絮凝劑的制備與應用研究［D］. 西安：西安交通大學環境與化學工程學院，2000.

［9］ 程國斌，吳艷平，馬偉. 鎂化合物在工業廢水處理中的研究應用現狀［J］. 工業水處理，2006，26（7）：7-10.

［10］ 北京市化工研究院. GB 11914—1989 水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法［S］. 北京：中國標準出版社，1989.

［11］ 北京市建筑工程學院. GB 7488—1987 水質 五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法［S］. 北京：中國標準出版社，1987.

［12］ 北京市環保監測中心，上海市環境監測中心. GB 11839—1989 水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法［S］. 北京：中國標準出版社，1989.

［13］ 上海市環境監測中心.GB 11894—1989 水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［S］. 北京：中國標準出版社，1989.

［14］ 于慧，高寶玉，岳欽艷，等. 紅外光譜法研究聚硅氯化鋁混凝劑的結構特征［J］. 山東大學學報：自然科學版，1999，34（2）：198-201.

［15］ 陳文納，鐘惠萍，楊軍，等. 不同制備工藝聚硅氯化鋁的紅外光譜和晶貌研究［J］. 化學研究與應用，2002，14（1）：73-75.

［16］ 許士洪. 工業廢渣合成PAFCS絮凝劑及其在處理造紙黑夜中的應用［D］. 武漢：武漢理工大學資源與環境工程學院，2002.