基于循環經濟理念下的凈水劑生產實踐研究

張希琳 楊斌清

(1.華僑大學化工學院，福建廈門 361000;2.江西理工大學應用科學學院，江西贛州 341000)

1 引言

研發既具有優良性能又安全可靠的新型絮凝劑成為水處理研究的重要課題［1］。聚硅酸作為絮凝劑助劑，具有來源廣、無毒、成本低和聚合方法簡單的優點，對懸浮物具有加速沉降的作用［2］。但是聚硅酸的穩定性和貯存性較差，易于形成硅酸凝膠而失去活性，在水處理中要求現配現用，這限制了它的使用。90年代初期，加拿大漢迪化學品公司以水玻璃、硫酸鋁和鋁酸鈉為原料制備了堿式聚硅酸鋁［3］。該新型絮凝劑與硫酸鋁相比，在處理低溫低濁原水時有礬花大、沉降速度快的優點，適用自來水原水的處理。但其制備工藝比較復雜，且SiO2含量低，聚硅酸分子的吸附架橋作用沒有得到充分發揮。為此，本廠自主研發了新一代凈水劑——聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)。

聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)，其化學式為:AlA(OH)FeB(Cl)C(SO4)D(SiOX)E(H2O)F，它是聚合硅酸硫酸鋁的更新換代產品。在造紙工業中，由于它酸性小，不腐蝕設備，即可以用于中性或堿性施膠，還可以增加陽離子淀粉或碳酸鈣的滯留能力，同時提供大量的填充物Al2O3和SiO2，提高紙漿白度和施膠度。在紙廠的給排水中，則可望利用其可能的靜電中和和架橋卷掃作用作為低濁生產和生活用水的凈化劑，及紙機白水、制漿中段廢水或綜合廢水的混凝劑。因此，這種聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)在造紙中的應用潛力極大。但除了有關聚合硅酸硫酸鋁應用的零星文獻之外，未見對其結構特征、結構形態、動電特性及水解特性等基礎研究方面的公開報道，甚至對其應用方面的系統研究也很少。為此，本研究主要從制備聚硅雙酸鋁鐵的原料選擇、添加劑的確定、聚硅雙酸鋁鐵結構特征以及工藝穩定性等方面進行了研究，并進行了規?；a，產品得到用戶和水處理專家好評。

2 聚硅雙酸鋁鐵實驗研究以及生產實踐

2.1 實驗研究

2.1.1 原料的選擇對比試驗

分別采用中性泡化堿進行聚合老化再加入固體硫酸鋁傳統工藝、稀釋的硫酸以及清洗玻璃所產生的硫酸廢液，再溶入計量好的三水鋁石粉三種原料進行比對試驗，發現采用稀釋的硫酸和清洗玻璃所產生的硫酸廢液作原料獲得的產品，其產品性能相當，故選擇清洗玻璃所產生的硫酸廢液為原料，既能“變廢為寶”，又使生產成本降低。

2.1.2 制備工藝氯化亞鐵液體濃度的比對試驗

將清洗玻璃所產生的硫酸廢液，再溶入計量好的三水鋁石粉，熟化后再慢慢加入一定濃度的氯化亞鐵液體攪拌，分別選擇了濃度為4%、6%、8%、10%四種氯化亞鐵液體進行對比試驗，當氯化亞鐵液體濃度為8%時，產品性能穩定。

2.1.3 制備工藝流程添加劑的選擇試驗

慢慢加入少量8%濃度氯化亞鐵液體，進入攪拌池攪拌均勻，最后加入添加劑A及添加劑B，對于添加劑A及添加劑B的選擇進行了多種添加劑的對比試驗，最后選定成本低、性能穩定的添加劑A及添加劑B。

2.1.4 聚硅雙酸鋁鐵的結構特征研究

以低濁度污水為例，研究聚硅雙酸鋁鐵中的Al、Fe、Si物質的量比對其性能的影響。不同 n(M)/n(SiO2)的聚硅酸鋁鐵對低濁水污水有不同的除濁效果，將 n(M)/n(SiO2)分別為0.5、1.0和1.5時的聚硅酸鋁鐵投入到低濁度污水中進行絮凝實驗，當金屬與硅的物質的量比為1.0，即 n(M)/n(SiO2)=1.0左右時，絮凝劑能取得較好的污染物絮凝效果。然后，在確定金屬與硅的物質的量比定為1.0，即 n(M)/n(SiO2)=1.0時，改變AI、Fe物質的量比處理低濁水污水，將n(A1)/n(Fe)分別為2.0、3.0和4.0時的聚硅酸鋁鐵投入到低濁度污水中進行絮凝實驗，并觀察n(Al)/n(Fe)的變化對處理效果的影響，當 n(A1)/n(Fe)=3.0時，處理效果較好。當n(A1)/n(Fe)=3.0時，不同n(M)/n(SiO2)的聚硅酸鋁鐵對濁水有不同的除濁效果，絮凝劑n(M)/n(SiO2)=0.7～1.3時除濁效果可達 90%以上。根據實驗結果最后確定聚硅雙酸鋁鐵的結構為n(M)/n(SiO2)=0.7 ～1.3，n(A1)/n(Fe)=2.5 ～ 3.5。并依據試驗結果確定生產工藝流程。

2.2 生產實踐

2.2.1 生產工藝流程

在前面試驗的基礎上，生產聚硅雙酸鋁鐵生產工藝流程改變以往用中性泡化堿進行聚合老化再加入固體硫酸鋁的傳統工藝，而采用清洗玻璃所產生的硫酸廢液，再溶入計量好的三水鋁石粉，熟化后再慢慢加入少量的氯化亞鐵液體，攪拌均勻，最后加入添加劑A及添加劑B，生產工藝流程見圖1。

圖1 聚硅雙酸鋁鐵生產工藝流程

2.2.2 產品的質量標準

按照聚硅雙酸鋁鐵生產工藝流程，生產獲得的產品質量穩定，按照產品的質量標準(見表1)進行產品的過程檢驗和交付產品的檢驗。

2.3 聚硅雙酸鋁鐵凈水效果的對比試驗

經有關水處理專家檢測評定，并選擇具有代表性的五種混凝劑:液體聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)、固體聚合氯化鋁鐵(PASS)、固體聚合鋁、液體硫酸鋁、液體硫酸鐵進行凈水效果的比較試驗。

表1 產品的質量標準

由圖2可知，各混凝劑的投加量有效成分的含量均為15mg/L時，污染物的去除率相對穩定。此時混凝處理后水的COD如表2所示。相比之下聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)混凝性相對較好，其中液態的更佳，其投加量為70mg/L(有效成分的含量為7mg/L)即可達到一定的效果。

圖2 混凝劑的投加量對去除污水的懸浮物的影響

由表2、圖2的結果和試驗觀察可知:

(1)與硫酸鋁相比，聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)相對形成絮體快，沉淀顆粒大，沉降速度快，在投放量相同的情況下，COD去除率明顯高于硫酸鋁。同時，聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)的混凝性明顯好于硫酸鋁。相比之下，硫酸鋁的儲存性較差，而聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)PH腐蝕性小，更適于存儲。

(2)與聚合氯化鋁相比，在同樣水利條件下，用量少。聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)的平均耗藥量相當于聚合氯化鋁的80%左右。聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)形成的絮凝體大、密實，沉淀度快，對高濁度污水具有很好的去除效果。同時，聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)對PH影響小。

(3)與聚合硫酸鐵相比，聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)脫色能力較強。濁度去除率較強。而且無太大腐蝕性。對低濁度和高濁度的水質嚴重變化和脫色難的水處理難題，可達到聚合硫酸鐵無法解決的凈化要求。

(4)與聚合氯化鐵相比，聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)除凈水效果好、用量低外，還具有不容易吸濕，包裝、儲存和運輸方便的優點。同時，產品無腐蝕性，無需要另加設備進行防腐處理，人員使用也較方便。

與這些傳統的水處理產品(即固體聚合氯化鋁鐵(PASS)、固體聚合鋁、液體硫酸鋁、液體硫酸鐵)相比，聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)使用量可大幅減少，成本投入降低。特別是對低濁度和高濁度的水質嚴重變化和脫色難的水處理難題，可以實現傳統凈水劑無法達到的凈化要求。同時，聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)在與有機高分子絮凝劑復合使用效果也好于傳統水處理產品:聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)在與有機高分子絮凝劑復合使用時，不僅用量減少、產生的污泥量減少，而且沉淀顆粒大、凝聚速度快，對污染物的去除率更高、剩余懸浮物及總磷都 相對降低。

表2 具有代表性的五種凈水劑的凈水效果比對表

3 聚硅雙酸鐵鋁的用途以及應用前景

聚硅雙酸鐵鋁的第一大用途是在造紙中，約占聚合硅酸硫酸鋁總用量的50%。造紙處理的作用主要有:施膠、調pH值、澄清加工過程中用水、脫色及做媒染劑等作用。

聚硅雙酸鐵鋁的第二大用途是在飲用水、工業用水和工業廢水處理中做絮凝劑，約占聚合硅酸硫酸鋁總用的40%。當向這類水中加入聚硅雙鋁鐵后，可以生成膠狀的、能吸附和沉淀出細菌、膠體和其他懸浮物的氫氧化鋁及氫氧化鐵絮片，用在飲用水處理中可控制水的顏色和味道，達到凈水和除臭的目的。

聚硅雙酸鐵鋁的其他用途包括染色的媒染劑、凈化脂肪和油類、藥物化妝品、滅火劑、鞣革以及生產各種復式鋁鐵鹽等。

4 結論

(1)運用循環經濟原理，采用玻璃廠處理所產生的廢酸做原料，達到了“以廢治廢”、“變廢為寶”的資源循環利用目的。而且能產生良好的經濟效益和社會效益。

(2)新一代凈水劑——聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)在與有機高分子絮凝劑復合使用效果好于傳統水處理產品。聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)在與有機高分子絮凝劑復合過程中，不僅用量減少、產生的污泥量少，而且沉淀顆粒大、凝聚速度快，對污染物的去除率更高、剩余懸浮物及總磷都相對降低。

(3)通過試驗研究和生產實踐表明，新一代凈水劑——聚硅雙酸鋁鐵(PAFCS)具有處理效率高、處理成本低、處理后的水質質量高等優點。還具有不容易吸濕，包裝、儲存和運輸方便的優點。產品無腐蝕性，無需要另加設備進行防腐處理，人員使用也方便。總之，該產品具有很高的推廣應用價值和良好的應用前景。

［1］張宇峰，滕潔，張雪英等.印染廢水處理技術的研究進展［J］.工業水處理，2003，23(4):23-27.

［2］［蘇］pE.巴賓若夫.論水的混凝［M］.(郭連起譯).北京:中國建筑工業出版社，1982:288.

［3］漢迪化學品有限公司.聚合堿式硅酸鋁:CN，1042340［P］.1990-05.23.

［4］陳巧平等，硫酸鋁渣制備聚硅酸鋁鐵絮凝劑及應用性能研究［J］.廣州化學，2011(12):5.