CN114506913A - 一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其制备方法为：将工业水玻璃用去离子水稀释后加入到一定浓度的稀硫酸中，在快速搅拌条件下制备得到聚硅酸；再将亚铁盐、镁盐溶于去离子水中，加入浓硫酸后得到亚铁、镁盐酸化溶液，再将其加入快速搅拌的聚硅酸中，加入氧化剂，使二价亚铁离子完全氧化为三价铁离子；再加入一定量的碳酸氢钠溶液，使三价铁离子和镁离子水解后与聚硅酸进行聚合；最后在室温下静置熟化一定时间即得到聚硅酸铁镁絮凝剂。与现有技术相比，本发明具有操作简单、成本低廉，絮凝剂吸附架桥及网补卷扫能力提升，形成絮体更大更密实、沉降速率快，浊度、色度及有机物去除率高，混凝性能优于市面常规絮凝剂等优点。
Description
技术领域
本发明属于絮凝剂制备技术领域，尤其是涉及一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂。
背景技术
当前水污染问题日益严重，水处理技术也面临各种挑战。水处理目标实现的关键在于水处理技术和水处理药剂的发展，其中对水处理药剂要求不仅效果好，而且要对水质无二次污染。目前，水处理过程中使用絮凝剂进行混凝沉淀是去除水中胶体物质和有机物的重要方法。常用的絮凝剂主要包括有机高分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂，有机高分子絮凝剂包括天然的和人工合成的。在有机高分子絮凝剂当中，天然高分子絮凝剂具有无毒、可生物降解等优点，但其稳定性不高且不易获取；而人工合成的有机高分子絮凝剂由于有毒的单体残留造成二次污染，限制了其发展。无机高分子絮凝剂主要包括铁系和铝系，由于铝系存在对人体有害的余铝，因此近年来铁系无机高分子絮凝剂正成为研究的热点并且被广泛应用于水处理中。
铁系无机高分子絮凝剂由三价铁离子经水解聚合而成，形成的絮体密实，沉降速度快；另有研究表明，镁盐絮凝剂对印染废水具有很好的脱色效果，COD去除率高，原因在于其在废水中表现出极强的吸附架桥和粘附卷扫能力；此外聚硅酸具有很高的分子量，当在聚硅酸上引入金属盐时可形成聚硅酸金属盐絮凝剂，相比常规无机絮凝剂具有更高分子量，在具备电性中和能力的同时，大大加强了吸附架桥和网捕卷扫作用，形成的絮体更大更密实，沉降速率更快，在浊度、色度和有机物去除率方面较常规絮凝剂都有大的提升。
目前，将铁系、镁系絮凝剂进行共聚聚合制备絮凝剂的研究相对较少，本发明提出了一种制备无机高分子絮凝剂的方法，即结合聚硅酸、铁系与镁系絮凝剂各自的优势特点，通过共聚的方法制备聚硅酸铁镁絮凝剂，具有成本低廉，操作简单，混凝效果优越等特点，经济性和实用性突出。
发明内容
本发明的目的是为了弥补现有技术存在的缺陷而提供的一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂。本方法具有操作简单、成本低廉，絮凝剂吸附架桥及网补卷扫能力提升、对印染废水脱色效果好等优点，可以在显著提升混凝性能的情况下保证出水水质安全。
本发明的目的可以通过以下的技术方案来实现：一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将一定量的工业水玻璃用去离子水稀释到一定的浓度，在搅拌的条件下加入到一定浓度的稀硫酸中，用恒温水浴锅控制温度为25℃，再用电动搅拌机快速搅拌一定时间制备聚硅酸；
(2)将一定量的亚铁盐、镁盐溶于去离子水中，加入少许浓硫酸得到亚铁、镁盐酸化溶液，再将其缓慢加入步骤(1)制得的溶液中，混合均匀后加入氧化剂，使二价亚铁离子完全氧化为三价铁离子；
(3)将一定量的碳酸氢钠溶液缓慢加入步骤(2)制得的溶液中，用电动搅拌机快速搅拌一定时间，使三价铁离子和镁离子水解后与聚硅酸进行聚合，然后在室温下静置熟化一定时间即制备得到粘稠的液态聚硅酸铁镁絮凝剂。
步骤(1)中所述的经去离子水稀释后的工业水玻璃二氧化硅质量分数为1％～3％。合适的浓度有利于聚硅酸的形成，过低则聚合度不够，过高则性质不稳定，容易出现凝胶情况。
步骤(1)中所述的制得的聚硅酸pH为1.0～2.0。聚硅酸在pH大于3的情况下，凝胶时间会迅速缩短，为保证聚硅酸的稳定性，控制pH在3以下。
步骤(2)中所述的亚铁盐为七水合硫酸亚铁，所述的镁盐为七水合硫酸镁。
步骤(2)中所述的加入浓硫酸酸化后溶液的pH为1.0～2.0，与聚硅酸pH保持一致。
步骤(2)中所述的亚铁盐与镁盐的投加量摩尔比比例为1:1～3:1(以Fe2+和Mg2+计)。实验数据表明，当Fe2+和Mg2+摩尔比为该范围内时，处理效果更好。
步骤(2)中所述的铁镁盐溶液通过蠕动泵加入到聚硅酸中，投加速率为1.5mL/min。物料投加过程要求匀速缓慢，保证反应液均匀性，提升聚合效果。
步骤(2)中所述的氧化剂为氯酸钠或次氯酸钠，可加速Fe2+转化为Fe3+。
步骤(3)中所述的碳酸氢钠溶液浓度为0.5mol/L，通过蠕动泵加入到步骤(2)制得的溶液中，投加速率为0.5mL/min，混合搅拌后得到的聚硅酸铁镁絮凝剂的碱化度为0.2～0.5。弱碱(碳酸氢钠)的添加有利于提升聚合形态的铁和镁的占比，提高絮凝剂的性能，当超过0.5后，聚合形态的铁和镁占比升高开始下降，絮凝剂稳定性降低。
步骤(3)中所述的熟化时间为48～120小时。参考相关文献，适当的熟化时间有利于提高絮凝剂的聚合度，但稳定性也在下降，过长的熟化时间会逐渐产生沉淀物，絮凝剂性能下降，结合实验，熟化时间以5天内为宜。
以上步骤中的各项制备参数均采用单因素控制变量法，并通过实验对比得出。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过共聚方法制得的聚硅酸铁镁絮凝剂较常规的无机(高分子)絮凝剂在具备电性中和能力的同时，其吸附架桥及网补卷扫能力大大提升，形成絮体速率更快，且絮体更大更密实，沉降速率更快，浊度及有机物去除率高，混凝性能优于市面常规絮凝剂。
(2)本发明制备过程操作简单，所需的原料种类较少且价格低廉。混凝过程中无需添加助凝剂，经处理后的水中无单体的铁、镁离子残留，可以在保证出水水质安全、无二次污染的基础上降低制备成本。
(3)本发明由于聚硅酸及镁盐的引入，大大提升了絮凝剂对印染废水色度去除的能力，且絮凝剂用量更少，处理成本更低。
附图说明
图1为本发明的絮凝指数对比图。
图2为本发明的制备流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的措施、达成的目的与效果易于明白了解，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。实施例1～6为聚硅酸铁镁絮凝剂的制备实例，实施例7～8为聚硅酸铁镁絮凝剂的应用实例。
实施例1
一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，该方法包括以下步骤：
(1)用恒温水浴锅控制温度为25℃，将66mL去离子水加入5mL工业水玻璃中并搅拌进行稀释，再将其加入到16mL质量分数为20％的稀硫酸中，滴加氢氧化钠溶液和稀硫酸调节溶液pH为1.0，再用电动搅拌机快速搅拌制备二氧化硅质量分数为2％的聚硅酸。
(2)控制温度不变，取8.43g七水合硫酸亚铁和7.46g七水合硫酸镁溶于20mL去离子水中，加入4～5滴浓硫酸进行酸化，防止铁离子沉淀，再通过蠕动泵以1.5mL/min的速率加入步骤(1)制备得到的溶液中，得到铁镁硅比例为1:1:1的溶液(摩尔比)之后加入0.55g氯酸钠，使溶液中的二价亚铁离子完全氧化为三价铁离子。
(3)控制温度不变，向步骤(2)制备得到的溶液中用蠕动泵以0.5mL/min的速率从烧杯底部加入0.5mol/L碳酸氢钠溶液18.2mL(碱化度为0.3)，使溶液中的铁、镁离子水解后与聚硅酸进行聚合，再用稀硫酸调节其pH为1.0，继续用电动机搅拌机快速搅拌2小时。
(4)停止搅拌，室温下静置熟化48小时得到聚硅酸铁镁絮凝剂1。
实施例2
本实施例中所述的方法与实施例1基本相同，差别在于步骤(1)和步骤(3)中控制的pH为2，保持其他条件不变，反应得到的聚硅酸铁镁絮凝剂2。
实施例3
本实施例中所述的方法与实施例1基本相同，差别在于步骤(1)工业水玻璃投加量为2.5mL，制备得到二氧化硅质量分数为1％的聚硅酸，步骤(2)中七水合硫酸亚铁和七水合硫酸镁的投加量分别为4.22g和3.73g，步骤(3)中碳酸氢钠溶液投加量为9.1mL，保持其他条件不变，反应得到的聚硅酸铁镁絮凝剂3。
实施例4
本实施例中所述的方法与实施例1基本相同，差别在于步骤(1)中工业水玻璃投加量为2.5mL，步骤(2)中七水合硫酸亚铁和七水合硫酸镁的投加量分别为12.66g和11.19g，铁镁硅摩尔比为3:3:1；氯酸钠投加量为0.9g，步骤(3)中碳酸氢钠溶液投加量为27.3mL，保持其他条件不变，反应得到的聚硅酸铁镁絮凝剂4。
实施例5
本实施例中所述的方法与实施例1基本相同，差别在于步骤(1)中工业水玻璃投加量为2.5mL，步骤(2)中七水合硫酸亚铁和七水合硫酸镁的投加量分别为4.22g和3.73g，步骤(3)中碳酸氢钠溶液投加量为15.2mL(碱化度为0.5)，保持其他条件不变，反应得到的聚硅酸铁镁絮凝剂5。
实施例6
本实施例中所述的方法与实施例1基本相同，差别在于步骤(4)中室温下静置熟化时间为120小时，保持其他条件不变，反应得到的聚硅酸铁镁絮凝剂6。
实施例7
为了验证聚硅酸铁镁絮凝剂在浊度、UV254及TOC(总有机碳)去除性能上的效果，并与市面常用絮凝剂聚合氯化铝、复配絮凝剂硫酸铁+硫酸镁(铁镁摩尔比1:1)进行比较，特设置此实施例，在本实施例中以珠江原水(广州大学城段)为研究对象。
表1珠江原水水质参数
表2聚硅酸铁镁絮凝剂和常规絮凝剂对珠江原水处理结果的比较
从表2中数据可以看出，本发明制备的聚硅酸铁镁絮凝剂相比于市面上常用絮凝剂对珠江原水中浊度、UV254及TOC均有更好的去除效果，其中效果最好的为聚硅酸铁镁絮凝剂6，浊度、UV254及TOC的去除率分别达到98.2％、54.5％和41.4％，均明显高于常规絮凝剂，且用量较常规絮凝剂FMS和PAC要少，表现出更优越的性能。
絮凝指数(R值)常用于表征混凝过程中絮体大小及形成速率。图1表明，本发明制备的聚硅酸铁镁絮凝剂在对珠江原水混凝处理过程中形成絮体的速率更快，且絮体体积更大，易于沉降；结合表2中Zeta电位数据，混凝后出水Zeta电位均有所上升，但聚硅酸铁镁絮凝剂出水Zeta电位较常规絮凝剂更低，表明制备的絮凝剂在具备电性中和能力的同时，吸附架桥及网补卷扫作用更强，处理效果更好。
实施例8
为了验证制备的絮凝剂在色度、化学需氧量(CODCr)去除性能上的效果，并与硫酸铁、硫酸铁+硫酸镁(铁镁摩尔比1:1)复配絮凝剂进行比较，特设置此实施例，在实施例中分别以分散艳蓝、直接橙S染料和自来水配制模拟废水，用紫外分光光度计测定染料在最大吸收波长对应的吸光度以表示色度大小，其中分散艳蓝染料的最大吸收波长为549nm，直接橙S染料的最大波长为495nm。
表3模拟印染废水水质参数
表4聚硅酸铁镁6和常规絮凝剂对分散艳蓝模拟印染废水处理结果的比较
表5聚硅酸铁镁6和常规絮凝剂对直接橙S模拟印染废水处理结果的比较
从表4、表5中可以看出，本发明实施例6制备的聚硅酸铁镁絮凝剂对模拟印染废水中色度和CODCr有最好的去除效果，分散艳蓝模拟印染废水中色度和CODCr的去除率分别达到97.5％和89％，直接橙S为95.7％和89.5％，均高于常规絮凝剂的去除率，且用量更少，脱色性能及有机物去除能力优势更突出；对比常规絮凝剂硫酸铁及复配絮凝剂(硫酸铁+硫酸镁)，复配絮凝剂处理效果更好，表明镁的引入能够增强絮凝剂脱色及有机物去除能力。
采用本发明产品处理珠江原水及模拟印染废水，产生的絮体比使用上述常规絮凝剂产生的絮体更大、更密实，沉降速率更快，有机物及色度去除能力更强，在处理效果更好的同时用量更少，且不需另加助凝剂，操作简便，经济性实用性突出。
以上仅是本发明的较佳实施例，根据本发明的上述思路，本领域的人员还可以对制备的条件作出修改，类似的修改均属本发明的实质。
Claims (7)
1.一种新型的聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于制备方法为：
(1)将一定量的工业水玻璃用去离子水稀释到一定的浓度，在搅拌的条件下加入到一定浓度的稀硫酸中，用恒温水浴锅控制温度为25℃，再用电动搅拌机快速搅拌一定时间制备得到聚硅酸；
(2)将一定量的亚铁盐、镁盐溶于去离子水中，加入少许浓硫酸得到亚铁、镁盐酸化溶液，再将其缓慢加入步骤(1)制得的溶液中，混合均匀后加入一定量的氧化剂，使二价亚铁离子完全氧化为三价铁离子；
(3)将一定量的碳酸氢钠溶液缓慢加入步骤(2)制得的溶液中，用电动搅拌机快速搅拌一定时间，使三价铁离子和镁离子水解后与聚硅酸进行聚合，然后在室温下静置熟化一定时间即制备得到粘稠的液态聚硅酸铁镁絮凝剂。
2.根据权利要求书1所述的一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于，步骤(1)中的经去离子水稀释后的工业水玻璃的二氧化硅质量分数为1％～3％；制得的聚硅酸pH为1.0～2.0。
3.根据权利要求书1所述的一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于，步骤(2)中所述的亚铁盐为七水合硫酸亚铁，所述的镁盐为七水合硫酸镁，所述的亚铁盐与镁盐的投加量以Fe2+和Mg2+计摩尔比比例为1:1～3:1。
4.根据权利要求书1所述的一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于，步骤(2)中所述的加入浓硫酸酸化后溶液的pH为1.0～2.0。
5.根据权利要求书1所述的一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于，步骤(2)中所述的铁镁盐溶液通过蠕动泵加入到聚硅酸中，投加速率为1.5mL/min；所述的氧化剂为氯酸钠或次氯酸钠。
6.根据权利要求书1所述的一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于，步骤(3)中所述的碳酸氢钠溶液浓度为0.5mol/L，并通过蠕动泵加入到步骤(2)制得的溶液中，投加速率为0.5mL/min，混合搅拌后得到的聚硅酸铁镁絮凝剂碱化度为0.2～0.5。
7.根据权利要求书1所述的一种新型聚硅酸铁镁絮凝剂，其特征在于，步骤(3)中所述的熟化时间为48～120小时。
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