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1、聚硅酸硫酸铝铁(PSAFS)的合成赵会明1,罗固源2(1.重庆大学化学化工学院,重庆400030;2.重庆大学城市建设与环境工程学院,重庆400030)摘要:提出了一种新型无机高分子絮凝剂聚合硅酸硫酸铝铁(PSAFS),PSAFS保留了铝铁各自均聚物的优点,克服了聚合氯化铝(PAC)处理后水样中残留铝浓度较高和聚合氯化铁(PFC)稳定性较差的一些缺点,因此,近年来引起国内外的普遍关注。采用水玻璃、硫酸铝和硫酸铁为原料制备聚合硅酸硫酸铝铁,研究了各种因素对该无机高分子絮凝剂絮凝行为的影响,分析了聚硅酸的稳定性、Al/Fe
2、/Si的摩尔比值与絮凝行为的关系,得到了最佳合成条件。关键词:絮凝剂;聚合硅酸硫酸铝铁;制备方法;絮凝行为;影响因素 聚硅酸(PS)作为助凝剂,具有来源广、无毒、成本低和聚合简单的优点,可以加速悬浮物的沉降。但是聚硅酸的电中和能力很弱,易凝胶,稳定性和储存性较差,须现场配制,在使用上受到一定限制。据国内外有关文献报道,在聚硅酸中加入金属离子不但能增加其稳定性,还能形成一系列新型聚硅酸絮凝剂,如聚硅酸铝、聚硅酸铁、聚硅酸铝铁等。我国从20世纪90年代开始对聚硅酸铝铁絮凝剂进行合成与研究,已经把这一课题列为国家“九五”科
3、技攻关项目,在合成方面,主要是将硫酸铝和硫酸铁溶液混合后加入到聚硅酸中,由于铁盐比铝盐更容易与聚硅酸聚合,这样将影响铝盐与聚硅酸的聚合。笔者采用剧烈搅拌条件下向聚硅酸中分步加入硫酸铝和硫酸铁溶液的方法制备了聚合硅酸硫酸铝铁(PSAFS),并对影响其絮凝行为的因素进行了探讨。1 实验部分1.1 主要仪器和药品JJ-1增力电动搅拌器(金坛市新航仪器厂),JJ-4六联电动搅拌器(金坛市中大仪器厂),ZBX-4型浊度计(西师电子产品开发部),pHS-3C型精密酸度计(上海电光器件厂),水玻璃(重庆井口化工厂,浓度为27%)、硫
4、酸铝(成都科龙化工试剂厂,分析纯)、硫酸铁(成都金山化工试剂厂,分析纯)、嘉陵江某排污口水样(澄清后浊度为3.4NTU,pH=6.9)。1.2 PSAFS的制备室温下,把水玻璃溶液稀释10倍,用20%的硫酸溶液和1.0mol/L的NaOH溶液调节pH值到5.5左右。活化一定的时间后,剧烈搅拌,按照预定的比例先后加入0.5mol/L的硫酸铝溶液和0.5mol/L的硫酸铁溶液,用0.5mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH值并持续搅拌10~30min,然后用蒸馏水稀释到一定浓度后静置熟化。1.3 凝胶时间的测定PS凝胶时
5、间的测定。聚硅酸在制备后放置一段时间,溶液经历一个先变成淡蓝色,然后凝胶的过程。取适量样品置于小烧杯中,待样品呈现淡蓝色后,开动搅拌机300r/min左右,直到搅拌机叶片附近的样品不再流动为止,记录从制备到失去流动性所经历的时间就是该样品的凝胶时间。1.4 混凝实验采用烧杯实验装置,在六联搅拌机上进行。取500mL水样加入一定量的絮凝剂,先以200r/min的速度搅拌1min,再以60r/min左右的速度搅拌10min,静止沉降10min后,取液面2cm下的清液用ZBX-4型浊度计测定浊度。2 结果与讨论2.1 pH值
6、对聚硅酸稳定性的影响定性的影响在活化过程中,硅酸的聚合速度主要受反应温度、体系酸度、SiO2含量以及共存离子等因素的影响,其中影响作用最大的是硅酸溶液的pH值。戴安邦等人通过测定不同pH值时硅酸的凝胶时间得出结论:在不同介质的酸中,pH值对聚硅酸稳定性的影响趋势是一致的。向水玻璃溶液中加酸时,硅酸的凝胶时间随pH值降低而急剧缩短。当pH值在5~10范围内时,溶液很快凝胶,但pH值继续减小时,凝胶时间变长,当pH值小于2时,凝胶时间加快,全部凝胶时间对pH值的关系曲线呈“N”形。这是因为硅酸在酸碱条件下聚合机制不同。用稀
7、硫酸调节水玻璃溶液的pH值,分别测定了不同pH值和不同SiO2浓度的硅酸呈现淡蓝色(t1)、凝胶的时间(t2)和时间差(t2-1),结果记录在表1和表2中。这种变化现象也可以用3种组分的理论来解释,溶液呈现淡蓝色是硅酸开始聚合的标志,即Sia向Sib转化,表明此时的硅酸开始活化,并水解聚合成几个Si—O键的线状分子。SiO2浓度越大,pH值越接近中性,这一过程越容易进行,则t1越小。随着时间的延长,硅酸的聚合度逐渐增大,首先表现为分子链不断增长,Sia含量减少,Sib含量增加。硅酸聚合到一定的程度后,Sia和Sib向S
8、ic转化,硅酸开始凝胶,分子结构开始由长链过渡到空间网状结构,此时Sia和Sib含量很少,硅酸逐渐失去活性。因此在实际应用中,应把握好活化硅酸的pH值和凝胶时间对聚合度的影响情况,这对寻找引入金属离子的最佳时机具有决定性的意义。在适当的t2-t1时间段内引入金属离子,不但可以控制硅酸的聚合度,还可以达到使硅铝铁共聚的目的,能够获得
