聚合硅酸鋁鋅絮凝劑的制備及在印染廢水處理的應用

郁有濤 李家亮

(山東理工大學 化學工程學院，山東 淄博255049)

絮凝劑在水處理中可以降低濁度、色度和去除多種高分子有機物等物質，無機高分子絮凝劑比傳統的低分子鹽類絮凝劑有著明顯的優點，在技術上經歷了從單一品種到多品種、從單組份到多組份、從一般功能到特殊功能或多功能發展[1]。在國內的城市污水處理廠，聚合氯化鋁是技術最成熟、應用最穩定的無機高分子絮凝劑。目前具有代表性的是聚合氯化鋁絮凝劑，但是鋁鹽生成絮體松散龐大，沉淀速度慢，去除COD能力弱，但去除色度較好；聚合硅酸聚合能力強，架橋絮凝作用好，但是聚合硅酸不穩定，容易凝膠化而失去絮凝效果。鋅鹽的加入可以改變絮凝劑的結構，增強絮凝劑的網狀鏈結構，絮凝效果更好[2]，因此本研究將鋁鹽和鋅鹽引入聚合硅酸中，發揮三者離子的優勢，通過正交實驗優化合成條件來制備聚合硅酸鋁鋅絮凝劑。本文提供了一種針對印染廢水處理研發的一種新型絮凝劑，并在實際印染污水處理中考察其絮凝效果。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：AlCl3·6H2O、ZnCl2、Na2SiO3·9H2O 等

儀器：PHS-3C型pH計、電子天平、KDB-ⅢCOD微波消解儀、VIS-7220G可見分光光度計等

1.2 PSAZ 絮凝劑的制備

（1）在室溫下，將一定濃度的硅酸鈉溶液逐滴加入到(1+1)鹽酸溶液，調節硅酸鈉溶液量至一定的pH，活化靜止制得PSi溶液。

（2）按照一定的Al、Zn摩爾比，取定量氯化鋁和氯化鋅溶液于燒杯中，攪拌均勻。將一定鋁鋅鹽混合溶液加入到熟化后的硅酸中，快速攪拌，熟化24h后即可得到PSAZ絮凝劑。

1.3 水樣的來源與水質

稱取一定量的亞甲基藍染料溶于自來水中配成質量濃度為5mg/L的模擬印染廢水。

濰坊某污水處理廠進水，含有80%左右印染廢水，其pH為7.3，原水 COD 為 811.8mg·L-1。

1.4 混凝試驗方法

用1L量筒量取模擬印染廢水水樣于燒杯中，加入一定量的絮凝劑，調節水樣pH為7，快速攪拌1min，然后慢速攪拌10min，靜止1h，取上清液進行色度的測定。

2 結果與討論

2.1 優化制備PSAZ工藝條件

以活化時間、n(Al+Zn)/n(Si)和n(Al)/n(Zn)摩爾比、活化硅酸pH為影響因素，用亞甲基藍溶液為模擬印染廢水水樣進行混凝試驗，以色度去除率為評價指標，采用L9(34)正交試驗因素進行實驗。正交試驗因素水平如表1，試驗結果如表2。

從表2中可以看出，影響絮凝劑對色度去除率的因素大小為活化硅酸 pH＞n(Al+Zn):n（Si）＞活化時間＞ n(Al):n(Zn)。 通過正交分析，絮凝劑最佳合成條件是活化硅酸 pH 為 2.5，n(Al+Zn):n（Si）為 0.5，活化時間為60min，n(Al):n(Zn)為1:1。按照這種組合條件合成絮凝劑處理模擬印染廢水，剩余色度最低，絮凝效果最好。

表1 正交試驗因素水平

表2 正交試驗方案和結果

2.2 影響絮凝劑PSAZ絮凝效果的因素分析

2.2.1 水樣的pH對絮凝效果的分析

圖1 水樣pH值對絮凝劑去除色度率的影響

污水的pH值與絮凝劑在水中的絮凝作用有著十分密切的關系。由圖1可以看出，在200ml水樣中,在投加量為2ml時，PSAZ絮凝劑在pH為6-8.5時有很好的色度去除率。但是在pH小于6時，絮凝劑中的金屬離子不能充分水解，造成了絮凝劑中的金屬離子的電中和作用降低，導致色度的去除率下降。在pH大于8.5去除效果下降主要是因為形成絮體中的鋁離子又重新溶解成為帶負電的配合陰離子，導致絮凝劑吸附能力下降。當pH為6.5時其對色度的去除率達到最高。

2.2.2 絮凝劑熟化時間對絮凝效果的分析

圖2 熟化時間與絮凝劑去除色度率的影響

聚硅酸具有較強的凝聚性[4]，會不斷地發生自聚反應，通過加入鋁、鋅離子能夠改變聚硅酸鹽絮凝劑的自身結構，防止絮凝劑凝膠化，能夠長時間保持絮凝劑的穩定和絮凝效果。由圖2可以發現PSAZ隨著熟化時間增加，對色度的去除效果越來越穩定，其中熟化時間為3-4天，絮凝效果最好。

2.3 兩種絮凝劑對廢水處理效果比較

取原水水樣，在優化制備的PSAZ與PAC以及鋁鋅無機絮凝劑進行混凝試驗，探討四種絮凝劑在相同的投加量上對污水中COD和色度的去除效果。

2.3.1 絮凝劑對污水中COD去除效果對比

圖3 絮凝劑投加量與廢水COD去除率的影響

由圖3可見，在200ml水樣中，絮凝劑的投加量增加，COD的去除率逐漸增大。PSAZ總體的去除效果較好，但是在低投加量時去除效果差，主要是因為大量聚合硅酸的加入導致絮凝劑中金屬離子的電中和能力下降，造成絮凝效果差，但是隨著投加量的增大，影響絮凝劑電中和能力減弱，架橋網捕能力增強，COD的去除能力增強。其中ZnCl2效果最差，PAC與AlCl3相似，但是停留12小時后，兩者皆出現反渾現象，主要是廢水中S2-與鋁離子生成Al2S3沉淀，短時間變清，時間增長，Al2S3發生水解造成變渾現象，而PSAZ由于含鋅離子沒有出現反渾的現象[5]。

2.3.2 對污水中色度去除效果對比

圖4 絮凝劑投加量與廢水色度去除率的影響

有圖4可知，PSAZ、PAC和AlCl3對廢水色度的去除性能相似，ZnCl2的去除率較差，但是PSAZ去除效果最佳，去除率最高可達97.6%。這是由于鋁、鋅離子的加入，改變了絮凝劑的結構，使聚硅酸絮凝劑有更好的網狀結構，增強了電中和和網捕架橋能力，進而增強了絮凝劑對廢水色度的去除能力[6]。

3 結論

1）通過正交試驗結果表明，絮凝劑PSAZ的最佳制備條件為：活化硅酸 pH 為 2.5，n(Al+Zn):n（Si）為 0.5，活化時間為 60min，n(Al):n(Zn)為 1:1。

2）水樣的pH值和絮凝劑的熟化時間對絮凝劑的絮凝效果有密切的影響，對于PSAZ絮凝劑，當處理水樣pH為6-8.5，絮凝劑熟化時間為3-4天時，對水樣色度的去除效果最佳。

3）對濰坊某污水處理廠印染廢水處理效果說明，通過優化合成的PSAZ絮凝劑發揮了各自離子優點，在處理實際廢水水樣的性能要比PAC以及鋁鋅無機鹽絮凝劑要好。

［1］朱文喜，于軍，魏建華，等.工業水處理劑的研究現狀與方向[J].武鋼技術，2006，45（2）：50-53.

［2］范文玉，仇興華，趙樹發，等.聚硅酸鋁鋅絮凝劑的制備及應用研究[J].沈陽化工學院學報，2006，20（1）：16-19.

［3］常青.水處理絮凝學[M].2 版.化學工業出版社，2011：51-58.

［4］Gao B Y，Yue Q Y,Wang B J,et al.Poly-aluminum-silicate-chloride(PASiC)-a new type of composite inorganic polymer coagulant[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and engineering Aspects，2003，229：121-127.

［5］李凡修，李克華，李中寶.聚合硅酸硫酸鋁鋅處理高含硫含油污水試驗研究[J].長江大學學報，2007，4（1）：55-59.

［6］Fu Ying，Zhang jichao，Wang Yanzheng，et al.Resource preparation of poiy-Al-Zn-Fe(PAZF)coagulant from galvanized aluminum slag：Characteristics,simultaneous removal efficiency and mechanism of nitrogen and organic matters[J].Chemical Engineering Journal，2012，203：301-308.