CN112479329A - 一种聚硅酸铁复合絮凝剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，涉及复合絮凝剂制备及废弃材料资源化利用领域，利用饱和后废弃的人工湿地系统中的水生植物、填料等为原材料，制备废弃水生植物复合提取物和改性废弃填料聚合氯化铁溶液，使废料重新活化，恢复其吸附能力。将二者与聚硅酸溶液混合，即得利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，制备的絮凝剂在去除浊度、色度、COD、氨氮、总磷等方面具有良好的效果。本发明工艺简单、成本低廉，利用整个饱和后废弃的人工湿地中的材料制备复合絮凝剂，实现变废为宝，且污水去除效果高效、优良，为废料资源化利用开辟了一条新路，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益。
Description
技术领域
本发明涉及复合絮凝剂制备及废弃材料资源化利用领域，具体涉及一种利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，所制备的絮凝剂对各项水质指标处理效果更均衡、更高效。
背景技术
被誉为“自然之肾”的人工湿地是一种新型污水处理工艺，具有投资费用低、处理效果稳定、有美学价值等特点，集环境效益和经济效益于一体。人工湿地的主要组成部分为：填料、水生植物、微生物、水体等，对污水的净化是主要是填料、水生植物和微生物共同作用的结果。当污水流经人工湿地时，填料通过一些物理和化学的途径(如吸收、吸附、过滤、离子交换、络合反应等)来去除污水中的氮、磷等营养物质；水生植物的作用则是直接吸收污水中可利用的营养物质，并可吸附、富集重金属及一些有毒有害物质，同时为根区的好氧微生物输送氧气及增强、维持介质的水力传输；后期，微生物在分解有机物质、脱氮除磷的过程中发挥着重要作用。
但是随着人工湿地应用的普及及运行年限的增加，人工湿地填料及水生植物吸附饱和问题日益突出，且水生植物日渐枯萎也影响了湿地观感，而填料及水生植物一旦达到饱和状态就失去了对污水的净化作用，需要将废旧填料及水生植物从湿地挖出，重新更换新鲜填料、重新种植新鲜植物和考虑废旧材料的归处，不仅造成了资源的浪费，而且还侵占大量土地，对生态和环境造成了双重破坏。因此，如何处理大量饱和的人工湿地废料及废料能否重新利用、变废为宝等问题，是值得深思且急需解决的。
絮凝剂从传统无机絮凝剂发展到无机高分子絮凝剂，无机高分子絮凝剂中的聚硅酸盐类絮凝剂的絮凝效果和絮体沉降效果更为优异，综合了聚硅酸和金属盐(铁盐、铝盐)的优点。而铝系絮凝剂存在毒性，因此对铁系絮凝剂的研制、开发成为无机高分子絮凝剂研究的重点。聚硅酸铁因其不含对人体和环境有害的铝，主要以铁和二氧化硅为主要原料制备而成的，絮体凝聚好、絮体颗粒大，便于沉淀，而且在有机物的去除方面，絮凝效果优于铝系絮凝剂，正是基于聚硅酸铁的种种优点，它的研发和应用已经受到全世界的广泛关注。如考虑利用其它材料与聚硅酸铁絮凝剂进行复合，得到的絮凝剂对污水各指标去除效果是否更加高效、优良，这一问题也是值得深究的。
因此，将饱和后废弃人工湿地系统材料进行有效地资源化再生利用，制备聚硅酸铁复合絮凝剂，是一个十分有意义的想法。制备的絮凝剂不仅对絮凝沉降快、污水各指标去除效果佳，而且对于节约资源、资源化再生利用、改善环境、提高经济和社会效益具有重大的现实意义和长远的战略意义。
发明内容
针对资源化利用饱和后废弃人工湿地系统材料，使废料重新活化，恢复其吸附能力，使其变废为宝的问题，本发明提供一种利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的具有更高附加价值的聚硅酸铁复合絮凝剂。本发明制备出的复合絮凝剂效果显著，为废料资源化利用开辟了一条新路，具有良好的社会效益、经济效益和环境效益。
本发明提供的一种利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，包括以下步骤：
步骤一、制备聚硅酸溶液：
将硅酸钠加水稀释成硅酸钠水溶液，在硅酸钠水溶液中加入生产钛白粉过程中产生的废酸，将硅酸钠水溶液pH值调节成1.8～3.5，活化30～40分钟，即得聚硅酸溶液；
步骤二、制备废弃水生植物复合提取物：
将废弃的水生植物洗净、晾干后烘干粉碎，随即加入100℃热水浴中热浸10小时后冷却过滤，将滤液真空干燥即得废弃水生植物提取物；将壳聚糖溶于浓度为0.5％～1.8％的乙酸溶液中，制得壳聚糖溶液，将一定量的废弃水生植物提取物加入壳聚糖溶液中，壳聚糖与提取物质量比为1：8，在磁力恒温器不断搅拌2～3小时后，搅拌速度以80～150r/min为佳，于105℃烘箱中烘干，然后研磨至80um，即得废弃水生植物复合提取物；
步骤三、制备改性废弃填料聚合氯化铁溶液：
将废弃填料洗净、烘干，破碎、粉碎后置于马弗炉中900℃高温煅烧，冷却后放入球磨机研磨至80um，取研磨好的填料，将活化消解剂滴加至反应釜，在压力0.5MPa、温度120℃条件下进行搅拌混合反应，调至pH为弱酸性后再降温至常温，进入真空过滤机进行过滤，固液分离，即得改性废弃填料聚合氯化铁溶液；
步骤四、将步骤一制备的聚硅酸溶液与步骤二制备的废弃水生植物复合提取物与步骤三制备的改性废弃填料聚合氯化铁溶液于1：(0.2～0.5)：1质量比将三者混合，在60～80℃温度下不断搅拌，陈化3h，即得利用废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂；
所述废弃水生植物复合提取物，其特征在于：所述废弃水生植物为水菖蒲、再力花、水葱、旱伞草中的一种或几种；
所述改性废弃填料聚合氯化铁溶液，其特征在于：所述废弃填料为沸石、钢渣、矿渣、铁尾矿中的一种或几种；
所述聚硅酸铁复合絮凝剂，其特征在于：所述活化消解剂由40～60％草酸、30～40％盐酸和10～30％冰醋酸混合而成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：投资少，操作费用低，复合絮凝剂产品稳定性好，性能优良；同时打破传统思维的禁锢，为饱和后废弃人工湿地系统材料的利用提供了新的途径，转化为可净水的絮凝剂，提高了资源综合利用率，也降低了聚硅酸铁的生产成本和污水处理成本，具有很强的经济效益、环保效益和社会效益。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，包括以下步骤：
步骤一、制备聚硅酸溶液：
将硅酸钠加水稀释成硅酸钠水溶液，在硅酸钠水溶液中加入生产钛白粉过程中产生的废酸，将硅酸钠水溶液pH值调节成2.7，活化30分钟，即得聚硅酸溶液；
步骤二、制备废弃水生植物复合提取物：
将废弃的水生植物水菖蒲、再力花、水葱、旱伞草以1：1：1：1的质量比洗净、晾干后烘干粉碎，随即加入100℃热水浴中热浸10小时后冷却过滤，将滤液真空干燥即得废弃水生植物提取物；将壳聚糖溶于浓度为1.5％的乙酸溶液中，制得壳聚糖溶液，将一定量的废弃水生植物提取物加入壳聚糖溶液中，壳聚糖与提取物质量比为1：8，在磁力恒温器不断搅拌2小时后，搅拌速度以150r/min为佳，于105℃烘箱中烘干，然后研磨至80um，即得废弃水生植物复合提取物；
步骤三、制备改性废弃填料聚合氯化铁溶液
将废弃填料沸石、钢渣洗净、烘干，以1:3的质量比破碎、粉碎后置于马弗炉中900℃高温煅烧，冷却后放入球磨机研磨至80um，取研磨好的填料，将40％草酸、40％盐酸和20％冰醋酸混合而成活化消解剂滴加至反应釜，在压力0.5MPa、温度120℃条件下进行搅拌混合反应，调至pH为弱酸性后再降温至常温，进入真空过滤机进行过滤，固液分离，即得改性废弃填料聚合氯化铁溶液；
步骤四、将步骤一制备的聚硅酸溶液与步骤二制备的废弃水生植物复合提取物与步骤三制备的改性废弃填料聚合氯化铁溶液于1：0.2：1质量比将三者混合，在80℃温度下不断搅拌，陈化3h，即得利用废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂；
利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，配制浓度为10g/100ml，在某印染废水中投入0.3ml的掺量进行浊度、色度、COD、氨氮、总磷，某印染废水的初始浊度为9.2NTU、初始色度为15、初始COD为255mg/L、初始氨氮为15mg/L、初始总磷为2.5mg/L。处理后结果如下：浊度去除率为89％、色度去除率为82％、COD去除率为60.5％、氨氮去除率为80％、总磷去除率为89.1％。
实施例2
一种利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，包括以下步骤：
步骤一、制备聚硅酸溶液：
将硅酸钠加水稀释成硅酸钠水溶液，在硅酸钠水溶液中加入生产钛白粉过程中产生的废酸，将硅酸钠水溶液pH值调节成3.1，活化40分钟，即得聚硅酸溶液；
步骤二、制备废弃水生植物复合提取物：
将废弃的水生植物以水菖蒲、水葱、旱伞草以1：1：2的质量比洗净、晾干后烘干粉碎，随即加入100℃热水浴中热浸10小时后冷却过滤，将滤液真空干燥即得废弃水生植物提取物；将壳聚糖溶于浓度为1.8％的乙酸溶液中，制得壳聚糖溶液，将一定量的废弃水生植物提取物加入壳聚糖溶液中，壳聚糖与提取物质量比为1：8，在磁力恒温器不断搅拌2小时后，搅拌速度以120r/min为佳，于105℃烘箱中烘干，然后研磨至80um，即得废弃水生植物复合提取物；
步骤三、制备改性废弃填料聚合氯化铁溶液
将废弃填料沸石、钢渣、铁尾矿洗净、烘干，以1：2：1的质量比破碎、粉碎后置于马弗炉中900℃高温煅烧，冷却后放入球磨机研磨至80um，取研磨好的填料，将50％草酸、35％盐酸和15％冰醋酸混合而成活化消解剂滴加至反应釜，在压力0.5MPa、温度120℃条件下进行搅拌混合反应，调至pH为弱酸性后再降温至常温，进入真空过滤机进行过滤，固液分离，即得改性废弃填料聚合氯化铁溶液；
步骤四、将步骤一制备的聚硅酸溶液与步骤二制备的废弃水生植物复合提取物与步骤三制备的改性废弃填料聚合氯化铁溶液于1：0.5：1质量比将三者混合，在70℃温度下不断搅拌，陈化3h，即得利用废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂；
利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，配制浓度为10g/100ml，在某印染废水中投入0.3ml的掺量进行浊度、色度、COD、氨氮、总磷，某印染废水的初始浊度为9.2NTU、初始色度为15、初始COD为255mg/L、初始氨氮为15mg/L、初始总磷为2.5mg/L。处理后结果如下：浊度去除率为90％、色度去除率为81％、COD去除率为63％、氨氮去除率为83％、总磷去除率为87％。
实施例3
一种利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，包括以下步骤：
步骤一、制备聚硅酸溶液：
将硅酸钠加水稀释成硅酸钠水溶液，在硅酸钠水溶液中加入生产钛白粉过程中产生的废酸，将硅酸钠水溶液pH值调节成2.8，活化40分钟，即得聚硅酸溶液；
步骤二、制备废弃水生植物复合提取物：
将废弃的水生植物水菖蒲、再力花、水葱、旱伞草以1：1：1：1的质量比洗净、晾干后烘干粉碎，随即加入100℃热水浴中热浸10小时后冷却过滤，将滤液真空干燥即得废弃水生植物提取物；将壳聚糖溶于浓度为1％的乙酸溶液中，制得壳聚糖溶液，将一定量的废弃水生植物提取物加入壳聚糖溶液中，壳聚糖与提取物质量比为1：8，在磁力恒温器不断搅拌2小时后，搅拌速度以150r/min为佳，于105℃烘箱中烘干，然后研磨至80um，即得废弃水生植物复合提取物；
步骤三、制备改性废弃填料聚合氯化铁溶液
将废弃填料沸石、钢渣洗净、烘干，以1:2.5的质量比破碎、粉碎后置于马弗炉中900℃高温煅烧，冷却后放入球磨机研磨至80um，取研磨好的填料，将40％草酸、35％盐酸和25％冰醋酸混合而成活化消解剂滴加至反应釜，在压力0.5MPa、温度120℃条件下进行搅拌混合反应，调至pH为弱酸性后再降温至常温，进入真空过滤机进行过滤，固液分离，即得改性废弃填料聚合氯化铁溶液；
步骤四、将步骤一制备的聚硅酸溶液与步骤二制备的废弃水生植物复合提取物与步骤三制备的改性废弃填料聚合氯化铁溶液于1：0.4：1质量比将三者混合，在70℃温度下不断搅拌，陈化3h，即得利用废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂；
利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，配制浓度为10g/100ml，在某印染废水中投入0.3ml的掺量进行浊度、色度、COD、氨氮、总磷，某印染废水的初始浊度为9.2NTU、初始色度为15、初始COD为255mg/L、初始氨氮为15mg/L、初始总磷为2.5mg/L。处理后结果如下：浊度去除率为92％、色度去除率为80.5％、COD去除率为59.8％、氨氮去除率为80.1％、总磷去除率为88％。
实施例4
一种利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，包括以下步骤：
步骤一、制备聚硅酸溶液：
将硅酸钠加水稀释成硅酸钠水溶液，在硅酸钠水溶液中加入生产钛白粉过程中产生的废酸，将硅酸钠水溶液pH值调节成3.5，活化40分钟，即得聚硅酸溶液；
步骤二、制备废弃水生植物复合提取物：
将废弃的水生植物水菖蒲、再力花、旱伞草以1：1：1洗净、晾干后烘干粉碎，随即加入100℃热水浴中热浸10小时后冷却过滤，将滤液真空干燥即得废弃水生植物提取物；将壳聚糖溶于浓度为1.5％的乙酸溶液中，制得壳聚糖溶液，将一定量的废弃水生植物提取物加入壳聚糖溶液中，壳聚糖与提取物质量比为1：8，在磁力恒温器不断搅拌3小时后，搅拌速度以120r/min为佳，于105℃烘箱中烘干，然后研磨至80um，即得废弃水生植物复合提取物；
步骤三、制备改性废弃填料聚合氯化铁溶液
将废弃填料沸石、钢渣、矿渣、铁尾矿洗净、烘干，以1：1：0.5：1的质量比破碎、粉碎后置于马弗炉中900℃高温煅烧，冷却后放入球磨机研磨至80um，取研磨好的填料，将40％草酸、30％盐酸和30％冰醋酸混合而成活化消解剂滴加至反应釜，在压力0.5MPa、温度120℃条件下进行搅拌混合反应，调至pH为弱酸性后再降温至常温，进入真空过滤机进行过滤，固液分离，即得改性废弃填料聚合氯化铁溶液；
步骤四、将步骤一制备的聚硅酸溶液与步骤二制备的废弃水生植物复合提取物与步骤三制备的改性废弃填料聚合氯化铁溶液于1：0.4：1质量比将三者混合，在80℃温度下不断搅拌，陈化3h，即得利用废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂；
利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂，配制浓度为10g/100ml，在某印染废水中投入0.3ml的掺量进行浊度、色度、COD、氨氮、总磷，某印染废水的初始浊度为9.2NTU、初始色度为15、初始COD为255mg/L、初始氨氮为15mg/L、初始总磷为2.5mg/L。处理后结果如下：浊度去除率为88.7％、色度去除率为85％、COD去除率为66.3％、氨氮去除率为84％、总磷去除率为82％。
实施例5
将实施例4与市售同类产品用于处理某印染废水对比试验，配制浓度为10g/100ml，投入量为0.3ml。某印染废水的初始浊度为9.2NTU、初始色度为15、初始COD为255mg/L、初始氨氮为15mg/L、初始总磷为2.5mg/L。对比结果如下：
由对比实验可以发现，利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂——实施例4与市售同类产品相比，实施例4对印染废水的各指标去除率均具有绝对优势，且试验过程中矾花大而密实，絮体成层沉降，沉降速度快。
同时发现在处理模拟污水、造纸污水、生活污水等实验中，利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂与其他同类产品相比，仍具体绝对优势。
虽然本发明通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，各种变形和改进，例如成分比例或时间范围的调整，这种调整后的效果是可预测的，所以其同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求相同或等同的技术特征所界定的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种聚硅酸铁复合絮凝剂的制备方法，利用饱和后废弃人工湿地系统材料制备而成，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备聚硅酸溶液：
将硅酸钠加水稀释成硅酸钠水溶液，在硅酸钠水溶液中加入生产钛白粉过程中产生的废酸，将硅酸钠水溶液pH值调节成1.8～3.5，活化30～40分钟，即得聚硅酸溶液；
步骤二、制备废弃水生植物复合提取物：
将废弃的水生植物洗净、晾干后烘干粉碎，随即加入100℃热水浴中热浸10小时后冷却过滤，将滤液真空干燥即得废弃水生植物提取物；将壳聚糖溶于浓度为0.5％～1.8％的乙酸溶液中，制得壳聚糖溶液，将一定量的废弃水生植物提取物加入壳聚糖溶液中，壳聚糖与提取物质量比为1：8，在磁力恒温器不断搅拌2～3小时后，搅拌速度以80～150r/min为佳，于105℃烘箱中烘干，然后研磨至80um，即得废弃水生植物复合提取物；
步骤三：制备改性废弃填料聚合氯化铁溶液：
将废弃填料洗净、烘干，破碎、粉碎后置于马弗炉中900℃高温煅烧，冷却后放入球磨机研磨至80um，取研磨好的填料，将活化消解剂滴加至反应釜，在压力0.5MPa、温度120℃条件下进行搅拌混合反应，调至pH为弱酸性后再降温至常温，进入真空过滤机进行过滤，固液分离，即得改性废弃填料聚合氯化铁溶液；
步骤四：将步骤一制备的聚硅酸溶液与步骤二制备的废弃水生植物复合提取物与步骤三制备的改性废弃填料聚合氯化铁溶液于1：(0.2～0.5)：1质量比将三者混合，在60～80℃温度下不断搅拌，陈化3h，即得利用废弃人工湿地系统材料制备的聚硅酸铁复合絮凝剂。
2.根据权利要求1所述的聚硅酸铁复合絮凝剂的制备方法，其特征在于：所述废弃水生植物为水菖蒲、再力花、水葱、旱伞草中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的聚硅酸铁复合絮凝剂的制备方法，其特征在于：所述废弃填料为沸石、钢渣、矿渣、铁尾矿中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的聚硅酸铁复合絮凝剂的制备方法，其特征在于：所述活化消解剂由40～60％草酸、30～40％盐酸和10～30％冰醋酸混合而成。
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