聚合氯化鋁與氧化鎂混凝去除電廠循環排污水中的硅

張靜靜，郭瑞軍，焦金玲，孫明明，黑煥煥

(1.國能唯真(山東)測試分析有限公司，山東 濟南 250014；2.國能神東煤炭集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209 )

0 引言

循環排污水具有成分復雜、鹽分和有機物含量高及濁度低等特點[1]。其中較高含量的硅會與水中的Ca2＋、Mg2＋生成CaSiO3垢和MgSiO3垢，降低換熱器的傳熱效率，堵塞管道從而縮短設備的使用壽命[2]，因此有必要對循環排污水進行除硅處理。目前常用的處理方法有混凝法[3-7]、反滲透法、電凝聚除硅[8-9]、離子交換法[10]和吸附法[11-12]等。

其中混凝法因其除硅藥劑來源廣泛、成本低且操作簡單而被廣泛應用。混凝除硅是利用金屬氧化物或氫氧化物對硅進行吸附或者凝聚來達到除硅的目的。常用的試劑有石灰、MgO、鐵鹽和鋁鹽等。趙曉非等[13]考察了Ca(OH)2、CaCl2、MgCl2、PAC、MgO和陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)對稠油污水的除硅效果，結果表明Ca(OH)2和CaCl2的除硅效果不明顯而PAC和MgO對硅的去除效果最明顯且PAC對膠體硅具有良好的去除效果，MgO對溶解性硅有良好的去除效果，兩者復配后增強了除硅效果。董凱等[14]研究了利用MgO去除水中硅的效果，研究結果表明MgO可以有效去除水中的硅，去除率可達到90%，且除硅的同時還可降低水的硬度。當提高水的溫度和pH值、增加MgO的用量時，硅的去除率也隨之升高。

本文研究了如何利用PAC與MgO的協同作用以更好地去除循環排污水中的硅，以某熱電廠的循環排污水為對象，分析了影響除硅效果的PAC和MgO的用量、反應溫度及反應時間等參數，優化了除硅條件。

1 實驗部分

1.1 實驗用水水質

本文的研究對象為某熱電廠的循環排污水，循環排污水中硅的含量為53.2 mg/L。

1.2 實驗試劑及儀器

試劑包括：PAC，分析純(天津大茂化學試劑廠)；MgO，分析純(國藥集團化學試劑有限公司)；鉬酸銨，分析純(國藥集團化學試劑廠)；抗壞血酸，分析純(國藥集團化學試劑廠)。

儀器包括：Fb-85磁力攪拌器(華長(吉林)科技有限公司)，VIS-7220N可見分光光度計(北京瑞利分析儀器有限公司)，天平(梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司)。

1.3 實驗內容

1.3.1 PAC用量對硅含量的影響

取若干份200 mL的循環排污水于250 mL的燒杯中，在常溫下向其中分別加入0.1、 0.2、0.3、0.4、0.5 mL的 10%PAC溶液，先以500 r/min的轉速攪拌2 min，使得 PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉速攪拌5 min，使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.3.2 MgO用量對硅含量的影響

取若干份200 mL的循環排污水于250 mL的燒杯中，在50 ℃的條件下分別按m(MgO)∶m(SiO32-)為10∶1、20∶1、30∶1、50∶1和70∶1的比例加入MgO。為保證MgO與水中的SiO3

2-充分反應，將轉速設為500 r/min并攪拌40 min。

為減少MgSiO3顆粒表面的靜電斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷卻后再加入最適量的10% PAC溶液，先以500 r/min的轉速攪拌2 min，使得PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉速攪拌5 min使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.3.3 反應溫度對硅含量的影響

取若干份200 mL的循環排污水于250 mL的燒杯中，分別在20、30、40、50 和60 ℃條件下按m(MgO)∶m(SiO32-)為20∶1的 比 例 加 入MgO。為保證MgO與水中的SiO32-充分反應，將轉速設為500 r/min攪拌40 min。為減少MgSiO3顆粒表面的靜電斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷卻后再加入最適量的10% PAC溶液，先以500 r/min的轉速攪拌2 min，使得PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉速攪拌5 min使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.3.4 反應時間對硅含量的影響

取若干份200 mL的循環排污水于250 mL的燒杯中，在50 ℃的條件下按照m(MgO)∶m(SiO32-)為20∶1的比例加入MgO。為保證MgO與水中的SiO32-充分反應將轉速設為500 r/min，分別攪拌20、40、60、80和100 min。為減少MgSiO3顆粒表面的靜電斥力、促使其完全沉淀并使PAC具有良好的混凝效果，待溶液冷卻后再加入最適量的10% PAC溶液，先以500 r/min的轉速攪拌2 min，使得PAC與水充分混合，再以100 r/min的轉速攪拌5 min使礬花直徑逐步增大以便沉淀，靜置30 min，取其上清液，測定其中的硅含量。

1.4 檢測方法

水中的硅含量的測定采用硅鉬藍比色法[15]。

2 結果與討論

2.1 PAC用量對硅含量的影響

向循環排污水中加入不同質量的PAC，以研究PAC用量對循環排污水中硅含量的影響。PAC是一種水溶性無機高分子聚合物，具有較強的架橋吸附性能。它在溶液中多以懸浮態的鋁存在，懸浮態的鋁可以發生水解并生成帶正電的Al(OH)3膠體，而水中的膠體硅帶負電，在靜電作用下Al(OH)3膠體能夠破壞膠體硅的穩定性，同時溶解的鋁會與硅酸和聚硅酸發生反應生成具有絮凝作用的聚合物，從而進一步通過吸附作用將不穩定的膠體硅聚集沉降，起到除去水中的膠體硅的作用[16]。

如圖1所示，當單獨使用PAC進行除硅時，隨著PAC用量的增加，循環排污水中硅的含量逐漸降低。當PAC使用量為150 mg/L時，循環排污水中的硅含量是38.2 mg/L，去除率只有28.2%。隨著PAC用量的繼續增加，硅的去除效果不明顯，這是由于PAC對去除水中膠體硅的作用較大，而對去除溶解性硅的作用較弱[13]。可見循環排污水中含有的硅多為溶解性硅，對溶解性硅的去除需再使用其他除硅劑。

圖1 PAC用量對硅含量的影響

2.2 MgO用量對硅含量的影響

向循環排污水中加入不同質量的MgO，控制反應溫度為50 ℃并攪拌40 min，再加入PAC混凝沉淀以研究MgO用量對循環排污水中硅含量的影響。MgO用量直接影響循環排污水中硅的去除率。MgO主要是去除水中的溶解硅。MgO能與水中的SiO32-發生反應生成MgSiO3沉淀并吸附水中剩余未反應的SiO32-，沉淀的表面因吸附了SiO32-而帶負電，相互排斥。一部分的MgSiO3沉淀因為足夠大而能夠凝聚沉降，另一部分則因為靜電斥力的作用能夠克服重力進而無法凝聚沉降、使硅難以完全除去[13]。當引入PAC時MgO的除硅效果變好，這是由于PAC表面帶正電，能夠中和帶負電的MgSiO3顆粒，破壞其穩定性，使其在絮凝作用下形成較大的顆粒并發生沉降，達到除硅的目的。

如圖2所示，在PAC的作用下，隨著MgO用量的增加，循環排污水中的硅的含量幾乎呈現直線下降的趨勢。當m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為20∶1時，循環排污水中的硅的含量為4.40 mg/L，去除率為91.7%；當m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為70∶1時，循環排污水中的硅的含量為0.09 mg/L，去除率可高達99.8%。但在實際應用中MgO的用量過多會增加去除成本，故當m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為20∶1時較為合理。

圖2 MgO用量對硅含量的影響

2.3 反應溫度對硅含量的影響

向循環排污水加入MgO，在不同的溫度下攪拌40 min，再加入PAC混凝沉淀以研究反應溫度對循環排污水中硅含量的影響。溫度對反應有較為重要的影響，升高或降低反應溫度可以改變反應的進程，能夠在一定程度上加快或減慢反應的進行。隨著溫度的升高，硅的去除率逐漸提高，這是由于MgO與SiO32-的反應是一個受熱力學控制的過程，較高的溫度能夠加快MgO與SiO32-反應的進行，生成更多的MgSiO3顆粒進而提高了水中硅的去除率[17]。如圖3所示，當反應溫度達到50 ℃時，循環排污水中硅的含量是6.23 mg/L，硅的去除率為88.3%；當溫度升高到60 ℃時，循環排污水中硅的含量是4.35 mg/L，硅的去除率為91.8%。由此可以看出溫度升高10 ℃對硅的去除率影響不大，從經濟效益和實際效果的角度選擇50 ℃的反應溫度較為合理。若對循環排污水中硅的去除率要求較高可選擇50 ℃的反應溫度，反之，若對硅的去除率要求較低則可以在常溫下進行反應。在實際應用中會采用釜式加熱的方式來控制反應溫度。

圖3 反應溫度對硅含量的影響

2.4 反應時間對硅含量的影響

向循環排污水加入MgO，控制反應溫度為50 ℃并攪拌不同的時間，再加入PAC混凝沉淀以研究時間對循環排污水中硅含量的影響。反應時間是影響化學反應的一個重要因素，延長反應時間可以在一定程度上使反應更徹底。隨著反應時間的延長，循環排污水中硅含量也逐漸降低。如圖4所示，當反應時間為40 min時，循環排污水中硅的含量是4.98 mg/L，硅去除率可達90.6%；當反應時間為100 min時，循環排污水中硅的含量降至0.66 mg/L，去除率達到98.8%，這是因為在較短的時間內MgO與SiO32-的反應較難達到平衡而延長反應時間可以實現MgO與SiO32-的反應平衡，促進MgSiO3顆粒的生成進而提高了硅的去除率。但在實際應用中反應時間的延長意味著經濟成本也會相應增加，故選擇40 min的反應時間較合理。

圖4 反應時間對硅含量的影響

3 結語

本文研究了采用PAC與MgO去除循環排污水中的硅的效果，得出以下結論：

(1)單獨使用PAC較難有良好的除硅效果，當PAC的使用量為150 mg/L時硅的去除率只有28.2%。

(2)利 用PAC與MgO的 協 同 作 用 可 獲 得良好的除硅效果。當PAC的用量為150 mg/L，m(MgO)∶m(SiO32-)的比例為20∶1，反應溫度為50 ℃，反應時間為40 min時，硅的去除率可以超過90%。