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| 聚合氯化鋁鐵（pafc）絮凝劑的性能研究 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要：通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究pafc配置濃度、投加方式、攪拌條件、ph值、溫度對(duì)污泥脫水效果的影響;研究結(jié)果表明: pafc既具有鋁鹽絮凝劑礬花大、水處理面寬、除濁效果好、對(duì)設(shè)備管路腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)；還具有鐵鹽絮凝劑絮題沉降快、易于分離、低溫水處理性能好、水處理ph值范圍大。 關(guān)鍵詞：pafc 污水處理 pafc*配置狀況
2005年城市生活處理率已達(dá)到38.5%,但這還不能滿足控制生活中污染物質(zhì)排放總量的要求,因此,還須加快城市處理廠的建設(shè)。選取常用的鋁鹽、鐵鹽系列混凝劑,以ph、濁度、堿度、ｃｏｄ、總氮、總磷等為檢測(cè)指標(biāo),試驗(yàn)不同混凝劑投加量、原水不同ph值等變化對(duì)處理效率的影響，進(jìn)行研究具有迫切性。 在水處理中,絮凝是一種重要而被廣泛采用的工藝方法。它是通過(guò)化學(xué)機(jī)理把膠體物質(zhì)和小的懸浮粒聚集成大的集合體,以提高這些集合體對(duì)溶解的各種雜質(zhì)的吸收,從而有利于在隨后的沉積/浮選過(guò)濾過(guò)程中排除這些物質(zhì)。kuo和wamser首先合成了復(fù)合型混凝劑——聚堿式氯化鋁鐵(簡(jiǎn)寫(xiě)pafc),發(fā)現(xiàn)該聚合物具有較好的混凝效果。聚合氯化鋁鐵(pafc)是一種新型，無(wú)機(jī)陽(yáng)離子復(fù)合絮凝劑，pafc既具有鋁鹽絮凝劑礬花大、水處理面寬、除濁效果好、對(duì)設(shè)備管路腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)；還具有鐵鹽絮凝劑絮題沉降快、易于分離、低溫水處理性能好、水處理ph值范圍大等特點(diǎn)。目前，pafc已成功用于飲用水、工業(yè)用水及多種工業(yè)廢水的處理。 1. 絮凝劑的作用機(jī)理 1.1膠體顆粒失去穩(wěn)定性的過(guò)程稱(chēng)為脫穩(wěn)過(guò)程。脫穩(wěn)即意味著液體中原來(lái)均勻分散的固體微粒結(jié)合成了較大的顆粒，從液體中沉淀下來(lái)。這種現(xiàn)象即稱(chēng)為凝聚。在凝聚的程度上可分為凝結(jié)和絮凝；聚集程度不大，甚至通過(guò)簡(jiǎn)單的攪拌可以使固體微粒重新分散的這種可逆性聚集被稱(chēng)為絮凝，而凝結(jié)則是在固體微粒間距離相對(duì)較小時(shí)發(fā)生的聚集，這種聚集是不可逆的，僅用簡(jiǎn)單的攪拌是不可能使固體微粒重新分散的。投加絮凝劑可以加速水中膠體顆粒凝聚成大顆粒，其作用機(jī)理的解釋有以下幾種： a. 壓縮雙電層與電荷中和作用 b. 高分子絮凝劑的吸附架橋作用 c. 絮體的卷掃沉淀作用 1.2 pafc的作用機(jī)理 聚合氯化鋁鐵由廉價(jià)的氯化鋁的和氯化鐵共聚合而成。因此它兼具鋁鹽和鐵鹽的絮凝特性。鋁鹽和鐵鹽在水處理過(guò)程中發(fā)生水解和聚合反應(yīng)過(guò)程，水中的膠體顆粒能強(qiáng)烈吸附水解和聚合反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的各種產(chǎn)物：各種al3+ 和fe3+的化合物和多種多核羥基絡(luò)離子。被吸附的帶正電的多核羥基絡(luò)離子能夠壓縮雙電層，降低動(dòng)電位（ζ電位），同時(shí)進(jìn)行著架橋作用。多核聚合物為兩個(gè)以上的膠體顆粒所共同吸附，將兩個(gè)或多個(gè)膠體顆粒架橋連接等。這些屬于膠體顆粒的聚集作用，從而逐步形成絮凝體，絮凝劑zui終形成的聚合度很大的al(oh)3或fe(oh)3將使絮凝過(guò)程加速，絮凝體由小變大。 1.3 影響絮凝劑作用效果的工藝條件 無(wú)論是天然的絮凝劑,還是人工合成的絮凝劑，除了非離子型的絮凝劑以外，都是電解質(zhì)。所有的電解質(zhì)都具有絮凝作用，只是絮凝作用的大小各有不同而已。絮凝作用是復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程。因此，影響絮凝劑作用的因素也是復(fù)雜的和多方面的。例如，溶液的ph值、溫度、攪拌速度、攪拌時(shí)間以及絮凝劑本身的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分子量大小和用量多少，所采用的分離方法、工藝設(shè)計(jì)條件等，另外被絮凝的固體粒子的性質(zhì)和直徑大小及ζ電位大小等等，這些因素都會(huì)對(duì)絮凝效果產(chǎn)生直接的影響，有時(shí)甚至是決定性的影響。 1.4 復(fù)合無(wú)機(jī)高分子絮凝劑 無(wú)機(jī)高分子絮凝劑（inorganic polymer flocculent）作為第二代無(wú)機(jī)絮凝劑，比傳統(tǒng)凝聚劑（如硫酸鋁、氯化鐵等）效能更優(yōu)異，比有機(jī)高分子絮凝劑（opf）(pam)價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，成功地應(yīng)用在給水、工業(yè)廢水以及城市的各種流程（包括前處理、中間處理和深度處理）中，現(xiàn)已成為主流絮凝劑。 復(fù)合型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑(見(jiàn)表1)是指含有鋁鹽、鐵鹽和硅酸鹽等多種具有絮凝或助凝作用的物質(zhì)，它們預(yù)先分別經(jīng)羥基化聚合后再加以混合，或先混合再加以羥基化聚合，形成羥基化的更高聚合度的無(wú)機(jī)高分子形態(tài)，具有較單一無(wú)機(jī)高分子絮凝劑更為優(yōu)異的絮凝性能和對(duì)膠體顆粒的混凝沉降效果的產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)主要有以下品種，見(jiàn)表1 表1各種復(fù)合型絮凝劑
2 實(shí)驗(yàn)部分 2.1 主要儀器與試劑 實(shí)驗(yàn)藥品:三氯化鐵、三氯化鋁、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、試亞鐵靈指示液、聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合氯化鋁鐵等； 實(shí)驗(yàn)儀器:722型分光光度計(jì)、phs—3c精密ph、500毫升全玻璃回流裝置等、恒溫培養(yǎng)箱及玻璃儀器(滴定管、燒杯等)； 2.2 cod的測(cè)定方法（重鉻酸鉀法） 2.2.1 原理： 在強(qiáng)酸的溶液中，準(zhǔn)確加入過(guò)量的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，加熱冷凝回流，將水樣中的還原性物質(zhì)氧化，過(guò)量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑，用*銨回滴，根據(jù)所消耗的重鉻酸鉀計(jì)算水樣的化學(xué)需氧量。 2.2.2 標(biāo)定方法： 準(zhǔn)確吸取10.00ml的重鉻酸鉀溶液于500ml的錐形瓶中，加水稀釋至110ml左右，緩慢加入30ml濃硫酸，冷卻后，加入3滴試亞鐵靈指示劑。用*銨滴定。溶液的顏色由黃色經(jīng)藍(lán)綠色至紅褐色即為終點(diǎn)。 c=0.2500×10.00/v試中的：c代表*銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度 v代表*銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量 滴定測(cè)得c=0.098mol/l 2.2.3 測(cè)定步驟： 取20ml的混合水樣（或適量水樣稀釋至20ml）置于250ml的磨口回流錐形瓶中，準(zhǔn)確加入10.00ml重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液及沸石數(shù)粒，連接磨口錐形瓶，從冷凝管的上口慢慢加入30ml硫酸-硫酸銀溶液，輕輕搖動(dòng)錐形瓶使溶液混合均勻，冷凝回流2小時(shí)。 冷卻后，用90ml的水沖洗冷凝管壁，取下錐形瓶，溶液的總體積不得少于140ml，否則因酸度太大，滴定終點(diǎn)不明顯。 溶液再冷卻后，加3滴試亞鐵靈指示劑，用*銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，溶液的顏色由黃色經(jīng)藍(lán)綠色至紅褐色即為終點(diǎn)，記錄*銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量。 測(cè)定水樣的同時(shí)，取20.00ml蒸餾水，按同樣的操作步驟作空白實(shí)驗(yàn)，記錄空白時(shí)*銨的用量。 cod=(v-v0)×c×8×1000/v c :*銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol/l） v0:滴定空白時(shí)*銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量（ml） v1:滴定水樣時(shí)*銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量（ml） v:水樣的體積（ml） 8:氧的摩爾質(zhì)量（g/ml） 2.3 濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制： 2.3.1 硅藻土的濁度標(biāo)準(zhǔn)液的配制： 稱(chēng)取10g的硅藻土，于研體中加入少許蒸餾水調(diào)成糊狀并研細(xì)，移至1 000 ml量筒中，加水至刻度。充分?jǐn)嚢?，靜置24 h，用虹吸法仔細(xì)將上層800 ml懸浮液移至第二個(gè)1 000 ml量筒中。向第二個(gè)量筒內(nèi)加水至1 000 ml，充分?jǐn)嚢韬笤凫o置24 h。虹吸出上層含較細(xì)顆粒的800 ml懸浮液，棄去。下部沉積物加水稀釋至1 000 ml。充分?jǐn)嚢韬筚A于具塞玻璃瓶中，作為渾濁度原液。取上述懸濁液50 ml置于已恒重的蒸發(fā)皿中，在水浴上蒸干。于105 ℃烘箱內(nèi)烘2 h，至干燥器中冷卻30 min，稱(chēng)重。重復(fù)以上操作，即，烘1 h，冷卻，稱(chēng)重，直至恒重。求出每毫升懸濁液中含硅藻土的重量（mg）。吸取含250 mg硅藻土的懸濁液，置于1 000ml容量瓶中，加水至刻度，搖勻。此溶液濁度為250度。吸取濁度為250度的標(biāo)準(zhǔn)液100 ml，置于250 ml容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線，此溶液濁度為100度的標(biāo)準(zhǔn)液。 2.3.2 濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作： 取7個(gè)250 ml容量瓶，分別加入0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120ml 250 ntu的濁度標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用去離子水定容后搖勻。以去離子水作參比，用722型分光光度計(jì)在340 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度a，所得結(jié)果見(jiàn)表2。 表2 濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線值
根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(見(jiàn)圖1)，求得標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程如下： 濁度=吸光度(a) ×384.3941 - 13.0627 γ=0.993007(相關(guān)系數(shù)) 3. pafc的絮凝實(shí)驗(yàn)： 實(shí)驗(yàn)所用的生活來(lái)源于上海瑞威機(jī)電設(shè)備有限公司旁邊的河內(nèi)，原水樣水質(zhì)分析：取200ml生活水樣，用uv755b型分光光度計(jì)分別于330nm和340nm處測(cè)其吸光度值，根據(jù)吸光度值計(jì)算出原水相應(yīng)的指標(biāo)值如表3： 表3 原水水質(zhì)情況
3.1 攪拌速度和攪拌時(shí)間對(duì)絮凝效果的影響 攪拌速度和時(shí)間選擇的恰當(dāng)，可以加速絮凝作用，從而有利于絮凝劑發(fā)揮作用，提高絮凝效果。 取4份200ml的廢水樣于燒杯中，先用phs—3c精密ph計(jì)調(diào)節(jié)ph值到8.0，再加入0.15g/200ml pafc絮凝劑，用78-1型磁力加熱攪拌器攪拌。*個(gè)燒杯以50r/min轉(zhuǎn)速攪拌2min，第二個(gè)燒杯以100r/min轉(zhuǎn)速攪拌2min，第三個(gè)燒杯以150r/min轉(zhuǎn)速攪拌2min，第四個(gè)燒杯以200r/min轉(zhuǎn)速攪拌2min,均靜置沉降20min后取其上清液，測(cè)其濁度、ph值、cod值。結(jié)果如表4所示 表4 攪拌時(shí)間為2min時(shí)相應(yīng)的指標(biāo)值
表5 攪拌時(shí)間對(duì)pafc絮凝效果的影響
圖3 攪拌時(shí)間——濁度、cod去除率曲線圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明*攪拌時(shí)間和*攪拌強(qiáng)度分別為2min，轉(zhuǎn)速為150r/min，此時(shí)pafc絮凝劑的絮凝效果的各項(xiàng)指標(biāo)值：濁度去除率達(dá)95.10%，cod去除率達(dá)89.93%。如果攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，攪拌速度過(guò)快，則會(huì)將能夠沉降的顆粒被攪碎后變成不沉降顆粒，從而降低絮凝效果；如果時(shí)間過(guò)短，速度過(guò)慢，則會(huì)使絮凝劑和固體顆粒不能充分的接觸，從而不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，而且絮凝劑的濃度也分布不均勻，不利于發(fā)揮絮凝作用。 3.2 pafc投加量對(duì)絮凝效果的影響 實(shí)驗(yàn)所用的水樣為生活，取五份200ml水樣分別放置在500ml燒杯中加入一定量的聚合氯化鋁鐵，氯化鋁鐵的投加量分別為0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.25g、0.30g，后先用攪拌機(jī)快攪2min(攪拌速度為 150r/min),再慢攪5min（攪拌速度為 75r/min），靜置沉降20min后取上清液用uv755b型分光光度計(jì)分別在330nm和340nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值，由公式計(jì)算出相應(yīng)的濁度和色度以及cod值和它門(mén)對(duì)應(yīng)的去除率，由此確定*投加量。 表6 pafc投加量對(duì)絮凝效果的影響
圖4 投藥量—濁度去除率曲線圖
圖5 投藥量—cod去除率曲線圖
試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)pafc投加量小時(shí)，cod去除率隨pafc的投加量變化沒(méi)有顯著的變化，而當(dāng)pafc投加量增加到0.75g/l時(shí)，再增加pafc的量，cod去除率開(kāi)始下降，且隨著pafc的量的增加，形成礬花越來(lái)越小，下沉越來(lái)越慢；當(dāng)pafc量為1.25g/l時(shí)，礬花非常細(xì)小，甚至出現(xiàn)上浮，無(wú)法分層等現(xiàn)象。綜合cod、濁度去除率、礬花沉降速度、處理后效果及經(jīng)濟(jì)等方面的因素，確定pafc的*投藥量為0.75g/l,此時(shí)的絮凝效果；如果在*投藥量時(shí)再繼續(xù)投加絮凝劑，則cod增加，cod去除率反而有所波動(dòng)，濁度有所增加，絮凝效果越來(lái)越差。這主要是因?yàn)榉稚⒃谒械哪z體顆粒帶有一定的電荷，它們之間的電斥是膠體穩(wěn)定的主要因素。膠粒表面的電荷值常用電動(dòng)電位ξ來(lái)表示，又稱(chēng)為zeta電位。zeta電位的高低決定了膠體顆粒之間的斥力的大小和影響范圍。一般在天然水中膠體顆粒的zeta電位在-30mv以上，投加絮凝劑后，只要電位降到-15mv左右即可得到較好的絮凝結(jié)果。相反，當(dāng)zeta電位降到零時(shí)，反而不是*絮凝狀態(tài)。 3.3 ph值對(duì)pafc絮凝效果的影響 分別取8份200ml的生活水樣放置于500ml的玻璃燒杯中，用橡膠滴管滴加naoh或 hcl，運(yùn)用phs—3c精密ph計(jì)調(diào)節(jié)水樣的ph值，測(cè)定相應(yīng)的值如下表所示： 表7 ph值對(duì)絮凝效果的影響
圖6 ph—濁度、濁度去除率曲線圖
圖7 ph值—codcr、codcr去除率曲線圖
從試驗(yàn)結(jié)果得知，水體的ph值對(duì)絮凝效果影響非常顯著，在ph=5和ph=6時(shí)，處理效果極差，其去濁、去色效果極不明顯，其上層清顏色和原水樣差不多，且難以分層；在ph=6—8范圍內(nèi)，處理效果較好，絮體生成快，礬花大，濁度、色度、cod去除率也較高；且當(dāng)ph=8時(shí)去除效果，上清液zui清澈，此時(shí)達(dá)到*狀態(tài)；而ph＝9時(shí)，其去除效果不是很好，其上清液還有原水樣的顏色；故確定*ph值為8左右。因此，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)水樣的ph值來(lái)提高處理效果，可以投加堿或酸將水體ph值調(diào)到適宜范圍，以增強(qiáng)絮凝效果。 3.4 pafc與pac、pfs絮凝效果的對(duì)比 選擇聚合氯化鋁pac、聚合氯化鋁鐵pafc、聚合硫酸鐵pfs在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別處理生活，比較其絮凝效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8： 表8 不同絮凝劑*投藥量條件下的絮凝效果比較
由表8可知， pafc的cod、濁度去除率都要略高于pac、pfs，但是pac和pfs的cod去除率沒(méi)有pafc的大，且pfs的濁度去除率也差些，生產(chǎn)成本也高于pafc，pafc的性能明顯要優(yōu)于其它兩種絮凝劑，因此pafc是處理生活較好的一種絮凝劑。 3.5 pafc在不同廢水中的絮凝效果的研究與探討： 用pafc分別處理不同的廢水，得出pafc處理廢水的應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表9： 表9 pafc處理不同廢水的絮凝比較
從表9可知：用pafc處理生活、印染廢水和造紙廢水的效果都很好，這就說(shuō)明pafc處理廢水的范圍很廣。 4 結(jié)論 ： 在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別用pafc、pac、pfs處理同種生活。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知，pafc具有絮凝速度快，結(jié)實(shí)粗大，沉降性能好等絮凝特性，并且具有*的除濁、脫色和去除cod的良好性能 ; pafc可以用多種工業(yè)廢渣來(lái)制備，原料來(lái)源廣泛、成本低廉、且可達(dá)到以廢治廢的目的，因而非常適合我國(guó)的國(guó)情,因此研究聚合鋁鐵復(fù)合絮凝劑有很好的科學(xué)價(jià)值和重大的實(shí)踐生產(chǎn)意義。 參考文獻(xiàn)： [1] 胡勇有 新型混凝劑聚合氯化鋁鐵的混凝特性[ｊ] 水處理技術(shù),1993,19(5):281～285. [2]kuouhs,wamserca.al(1-x)fe3+xfe2+y(oh)3+2y-zhal(z)(halisclbr,i,ormixts)[p].usappl:55416,1979-07-06 [3] 田寶珍,張?jiān)?鋁鐵共聚復(fù)合絮凝劑的研制及應(yīng)用[j].工業(yè)水處理,1998. [4] 席美云 無(wú)機(jī)高分子絮凝的開(kāi)發(fā)與研究進(jìn)展[ｊ].環(huán)境科學(xué)技術(shù),1999,4:4～7. 進(jìn)入討論>> 進(jìn)入討論>> 上一篇:節(jié)水型社會(huì)建設(shè)是緩解人類(lèi)生存環(huán)境危機(jī)的戰(zhàn)略選擇 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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