CN104803461A

CN104803461A - 一种凹凸棒石-聚硅铁混凝剂及其制备方法

Info

Publication number: CN104803461A
Application number: CN201510150106.4A
Authority: CN
Inventors: 许霞; 严雪琦; 王利平; 申荣艳
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-07-29

Abstract

本发明涉及一种无机高分子混凝剂及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种凹凸棒石-聚硅铁混凝剂，其中所述凹凸棒石与聚硅铁质量比为1:5～9。本发明的凹凸棒石-聚硅铁锌混凝剂具有以下优点：1、产品安全无毒；2、对湖泊性水源水适应性明显增强，能够有效降低浊度、有机物、总磷、氨氮和藻类等，尤其是对氨氮的处理效果较现有技术中混凝剂好；3、混凝效果好，矾花形成时间短，结实，絮体大，沉淀速度快。本发明的凹凸棒石-聚硅铁锌混凝剂的制备方法具有以下优点：1、原料易得，制备成本低；2、制备过程中不产生二次污染，产品对环境友好3、该方法相对简单，制备时间短。

Description

一种凹凸棒石-聚硅铁混凝剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无机高分子混凝剂及其制备方法。

背景技术

聚合硅酸金属盐是新开发的一种无机高分子混凝剂，是在聚硅酸和金属盐混凝剂的基础上发展起来的复合产物。聚硅酸金属盐混凝剂的制备原理是在聚硅酸中引入金属离子(Al或Fe)或在金属盐中引入低聚合度的聚硅酸。前者是把硅酸作为主要组分而把金属盐作为稳定剂用以改善聚硅酸的保存时间；后者是把金属盐作为主要组分而把硅酸作为促聚剂制得成品。由于铝盐存在潜在的生物毒性，使得铁盐的研究得到快速的发展。聚硅酸铁盐虽然具有凝聚沉淀速度快、沉渣量少、pH值适用范围广、安全无毒等优点，但是在去除有机物、磷等方面还略显不足，为提高混凝剂在水处理中的综合除污功能，促使无机混凝剂的研究和开发向各种复合型无机高分子混凝剂发展。

凹凸棒石简称坡缕石，在矿物学上隶属海泡石族，是一种具有独特层状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物，理论化学式为：[(Mg，Al，Fe)₅(OH)₂Si₈O₂₀]·4H₂O，具有较大比表面积和较强的吸附性能，已逐渐被探索并应用于水处理领域。

虽然现有技术中无机高分子絮凝剂对废水浊度去除性能较好，但是对于氨氮处理能力较差。

发明内容

本发明克服现有技术中无机高分子絮凝剂对氨氮处理能力差的不足，提供一种凹凸棒石-聚硅铁混凝剂及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种凹凸棒石-聚硅铁混凝剂，其中所述凹凸棒石与聚硅铁呈团簇状，所述凹凸棒石与聚硅铁质量比为1:15～20。

作为优选，为便于储存和使用，所述的混凝剂为悬浊液混凝剂。

上述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，步骤如下：

(1)在搅拌条件下将硅酸钠溶液加入到稀盐酸溶液中，使混合溶液的pH值控制在2.0～5.0，然后停止搅拌反应制得聚硅酸溶液；

(2)将硫酸亚铁和氯酸钠加入到稀酸溶液中溶解反应，然后后加入步骤(1)中制得的聚硅酸溶液，然后搅拌，再静置熟化，得到聚硅铁溶液；

(3)将酸化改性的凹凸棒石与步骤(2)制备得到的聚硅铁溶液混合，并进行超声振荡，即制得凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂。

作为优选，步骤(1)所述的硅酸钠中SiO₂浓度为3％～7％。

进一步地，步骤(1)所述的反应条件为控制温度为20-40℃，反应30～60min。

作为优选，步骤(2)在20～60℃、搅拌速度为300～500r/min的条件下将硫酸亚铁和氯化钠加入到稀硫酸溶液中。

进一步地，步骤(2)所述溶解反应时间为10～30min；所述搅拌的搅拌速度为100～200r/min，搅拌速度为10～60min。

具体地，所述的酸化改性的凹凸棒石的改性方法为：将凹凸棒石加入3～5mol/L的盐酸中进行酸化，对其进行20min～2h的酸化过后进行水洗，水洗至中性后放入烘箱烘干，研磨成粉备用。

作为优选，步骤(3)所述的超声振荡时间为10～30min。

本发明的凹凸棒石-聚硅铁锌混凝剂具有以下优点：1、产品安全无毒；2、对湖泊性水源水适应性明显增强，能够有效降低浊度、有机物、总磷、氨氮和藻类等，尤其是对氨氮的处理效果较现有技术中混凝剂好；3、混凝效果好，矾花形成时间短，结实，絮体大，沉淀速度快。

本发明的凹凸棒石-聚硅铁锌混凝剂的制备方法具有以下优点：1、原料易得，制备成本低；2、制备过程中不产生二次污染，产品对环境友好3、该方法相对简单，制备时间短。

具体实施方式

实施例1

各组分的质量比：

凹凸棒石(％)	硅酸钠溶液(％)	硫酸亚铁(％)	氯酸钠(％)	稀盐酸(％)
					20	30	30	5	15

将凹凸棒石加入3.5mol/L的盐酸中进行酸化，对其进行50min的酸化过后进行水洗，水洗至中性后放入烘箱烘干，研磨成粉备用；在搅拌条件下将SiO₂浓度为5％的硅酸钠溶液加入到稀盐酸溶液中，使混合溶液的pH值控制在3.5，然后停止搅拌并控制温度为35℃，反应40min后制得聚硅酸溶液；在30℃、搅拌速度为400r/min的条件下，将硫酸亚铁和氯酸钠加入到稀酸溶液中溶解反应25min后加入制得的聚硅酸溶液，然后以150r/min的搅拌速度搅拌40min，再静置熟化2h得到聚硅铁溶液；将酸化改性过的凹凸棒石与聚硅铁溶液按1:5质量比复合并进行超声振荡25min制得凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂。

把所制备得到的液体混凝剂取1.2mL加入到1000mL的天然水体中，快速搅拌，2s内便可见有矾花形成，絮体快速变大，沉淀1h后，测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn和叶绿素a的去除率分别为99.1％、95.1％、60.4％、76.5％和97.3％。

实施例2

各组分的质量比：

凹凸棒石(％)	硅酸钠溶液(％)	硫酸亚铁(％)	氯酸钠(％)	稀盐酸(％)
					15	37	25	3	20

将凹凸棒石加入3mol/L的盐酸中进行酸化，对其进行1h的酸化过后进行水洗，水洗至中性后放入烘箱烘干，研磨成粉备用；在搅拌条件下将SiO₂浓度为3％的硅酸钠溶液加入到稀盐酸溶液中，使混合溶液的pH值控制在2.0，然后停止搅拌并控制温度为20℃，反应60min后制得聚硅酸溶液；在20℃、搅拌速度为300r/min的条件下，将硫酸亚铁和氯酸钠加入到稀酸溶液中溶解反应30min后加入制得的聚硅酸溶液，然后以100r/min的搅拌速度搅拌60min，再静置熟化2h得到聚硅铁溶液；将酸化改性过的凹凸棒石与聚硅铁溶液按1:7质量比复合并进行超声振荡15min制得凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂。

把所制备得到的液体混凝剂取1.2mL加入到1000mL的天然水体中，快速搅拌，2s内便可见有矾花形成，絮体快速变大，沉淀1h后，测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn和叶绿素a的去除率分别为95.1％、83.7％、62.7％、69.3％和92.8％。

实施例3

各组分的质量比：

凹凸棒石(％)	硅酸钠溶液(％)	硫酸亚铁(％)	氯酸钠(％)	稀盐酸(％)
					10	35	30	5	20

将凹凸棒石加入4mol/L的盐酸中进行酸化，对其进行40min的酸化过后进行水洗，水洗至中性后放入烘箱烘干，研磨成粉备用；在搅拌条件下将SiO₂浓度为5.5％的硅酸钠溶液加入到稀盐酸溶液中，使混合溶液的pH值控制在4.0，然后停止搅拌并控制温度为30℃，反应45min后制得聚硅酸溶液；在40℃、搅拌速度为400r/min的条件下，将硫酸亚铁和氯酸钠加入到稀酸溶液中溶解反应20min后加入制得的聚硅酸溶液，然后以160r/min的搅拌速度搅拌30min，再静置熟化1h得到聚硅铁溶液；将酸化改性过的凹凸棒石与聚硅铁溶液按1:9质量比复合并进行超声振荡10min制得凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂。

把所制备得到的液体混凝剂取1mL加入到1000mL的天然水体中，快速搅拌，2s内便可见有矾花形成，絮体快速变大，沉淀1h后，测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn和叶绿素a的去除率分别为97.0％、86.4％、74.8％、67.8％和94.6％。

实施例4

各组分的质量比：

凹凸棒石(％)	硅酸钠溶液(％)	硫酸亚铁(％)	氯酸钠(％)	稀盐酸(％)
					15	35	30	5	15

将凹凸棒石加入4.5mol/L的盐酸中进行酸化，对其进行30min的酸化过后进行水洗，水洗至中性后放入烘箱烘干，研磨成粉备用；在搅拌条件下将SiO₂浓度为6％的硅酸钠溶液加入到稀盐酸溶液中，使混合溶液的pH值控制在4.5，然后停止搅拌并控制温度为35℃，反应40min后制得聚硅酸溶液；在50℃、搅拌速度为450r/min的条件下，将硫酸亚铁和氯酸钠加入到稀酸溶液中溶解反应15min后加入制得的聚硅酸溶液，然后以180r/min的搅拌速度搅拌20min，再静置熟化1h得到聚硅铁溶液；将酸化改性过的凹凸棒石与聚硅铁溶液按1:7质量比复合并进行超声振荡20min制得凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂。

把所制备得到的液体混凝剂取1.5mL加入到1000mL的天然水体中，快速搅拌，2s内便可见有矾花形成，絮体快速变大，沉淀1h后，测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn和叶绿素a的去除率分别为98.6％、93.4％、71.2％、74.5％和96.7％。

实施例5

各组分的质量比：

凹凸棒石(％)	硅酸钠溶液(％)	硫酸亚铁(％)	氯酸钠(％)	稀盐酸(％)
					20	40	26	4	10

将凹凸棒石加入3mol/L的盐酸中进行酸化，对其进行1h的酸化过后进行水洗，水洗至中性后放入烘箱烘干，研磨成粉备用；在搅拌条件下将SiO₂浓度为7％的硅酸钠溶液加入到稀盐酸溶液中，使混合溶液的pH值控制在5.0，然后停止搅拌并控制温度为40℃，反应30min后制得聚硅酸溶液；在60℃、搅拌速度为500r/min的条件下，将硫酸亚铁和氯酸钠加入到稀酸溶液中溶解反应10min后加入制得的聚硅酸溶液，然后以200r/min的搅拌速度搅拌10min，再静置熟化1h得到聚硅铁溶液；将酸化改性过的凹凸棒石与聚硅铁溶液按1:5质量比复合并进行超声振荡30min制得凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂。

把所制备得到的液体混凝剂取1.5mL加入到1000mL的天然水体中，快速搅拌，2s内便可见有矾花形成，絮体快速变大，沉淀1h后，测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn和叶绿素a的去除率分别为96.2％、91.1％、64.4％、76.8％和95.2％。

对比例1

取实施例1制备的酸化改性的凹凸棒石(与实施例1中所用凹凸棒石质量相等)，将其制成悬浊液，然后加入到1000mL的天然水体(与实施例1相同)中，快速搅拌，沉淀1h后测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn以及叶绿素a的去除率分别为26.3％、4.2％、19.6％、20.4％和23.1％。

将处理后的水体进行过滤，去除其中凹凸棒石，再向其中加入实施例1制备的聚硅铁溶液(与实施例1中所用聚硅铁溶液相等)，将其加入到上述经凹凸棒石处理过的水体总中，快速搅拌，5s内便可见有矾花形成，絮体快速变大，沉淀1h后测定上清液TP、氨氮和COD_Mn的总去除率分别为72.4％、38.5％、47.3％(过滤过程中也会出去部分浊度及叶绿素a，因此此处忽略其去除率)。

对比例2

称取与实施例1相同质量的酸化改性凹凸棒石于磨口锥形瓶中，加入250mL二次蒸馏水，震荡0.5h后，再加入与实施例1中聚硅铁质量相同的聚合氯化铁(PFC)粉末，快速搅拌并超声震荡0.5h，制得APF悬浊液混凝剂。

取上述制备得到的APF悬浊液混凝剂(质量与实施例1中凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂质量相同)加入到1000mL的天然水体中，快速搅拌，沉淀1h后，测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn和叶绿素a的去除率分别为98.1％、95.2％、43.2％、62.5％和93.3％。

向对比例1中经凹凸棒石处理过的水体中投入PFC粉末(质量与实施例1中聚硅铁质量相同)混凝剂，沉淀1h后测定上清液中TP、氨氮和COD_Mn的总去除率分别为89.5％、32.6％和61.8％。

从以上对比可以看出，复合APF混凝剂与单独添加酸化改性凹凸棒石和PFC混凝剂效果相差不大，只是在除TP方面效果稍微有所提高，而两者对于氨氮的去除相差不大，远小于本发明凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂对氨氮的去除效果。

对比例3

将实施例1中聚硅铁替换为相同质量的聚硅铁锌(PSFZn)，最终形成凹凸棒石-聚硅铁锌复合混凝剂。

取上述制备得到的凹凸棒石-聚硅铁锌复合混凝剂(与实施例1中凹凸棒石-聚硅铁悬浊液混凝剂质量相同)加入到1000mL的天然水体(与实施例1相同)中，快速搅拌，沉淀1h后，测定上清液中浊度、TP、氨氮、COD_Mn和叶绿素a的去除率分别为94.2％、86.4％、42.8％、70.5％和89.6％。

从对比例2和3可以看出凹凸棒石与聚合氯化铝以及聚硅铁锌混凝剂之间不存在协同效果或协同效果较弱。

Claims

1.一种凹凸棒石-聚硅铁混凝剂，其特征在于：其中所述凹凸棒石与聚硅铁呈团簇状，所述凹凸棒石与聚硅铁质量比为1:5～9。

2.根据权利要求1所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂，其特征在于：所述的混凝剂为悬浊液混凝剂。

3.根据权利要求1或2所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，其特征在于：步骤如下：

(2)将硫酸亚铁和氯酸钠加入到稀酸溶液中溶解反应，然后加入步骤(1)中制得的聚硅酸溶液，然后搅拌，再静置熟化，得到聚硅铁溶液；

4.根据权利要求3所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的硅酸钠中SiO₂浓度为3％～7％。

5.根据权利要求3所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的反应条件为控制温度为20-40℃，反应30～60min。

6.根据权利要求3所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)在20～60℃、搅拌速度为300～500r/min的条件下将硫酸亚铁和氯化钠加入到稀硫酸溶液中。

7.根据权利要求3所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述溶解反应时间为10～30min；所述搅拌的搅拌速度为100～200r/min，搅拌时间为10～60min。

8.根据权利要求3所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，其特征在于：所述酸化改性的凹凸棒石的改性方法为：将凹凸棒石加入3～5mol/L的盐酸中进行酸化，对其进行20min～1h的酸化过后进行水洗，水洗至中性后放入烘箱烘干，研磨成粉备用。

9.根据权利要求3所述的凹凸棒石-聚硅铁混凝剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的超声振荡时间为10～30min。