聚硅酸铁絮凝剂的制备与应用

2023-02-14

1. 前言

随着现代制造业的发展，大量废水被排入自然水域。这些废水不但对水源造成了严重的污染，危害人体健康，还导致水源危机，使可利用的水资源总量急剧降低[1]。此外，水资源的充分保障和供给也是我国经济能够的持续快速发展的原因之一。纺织印染工业在人们的日常生活中地位是举足轻重的，但其中的水污染问题也是纺织印染业发展过程中面临的主要问题，在纺织行业里，印染过程占了将近8成的用水量，而印染过程中产生的染料废水又是污染严重、较难以处理的废水[2]。根据数据统计，该类废水一直在我国工业废水中占有较大的比重，每年排放水量将近24亿吨[3]。

纺织制造业产生的印染废液，由于废液中含有不可生物降解的合成染料、重金属等化学物质，对人们的生命健康和生态环境造成严重威胁。偶氮染料是纺织制造业中危害最大的染料之一，占染料总消耗量的50%以上[4]。刚果红是一种典型的偶氮染料，因为有着良好的表面耐磨力，并且生产成本低，因此广泛应用于纺织、彩妆等行业，是一种众所周知的有毒致癌物质。它也影响水生植物的光合作用，威胁生态系统中的水生动物，且刚果红具有芳香族结构，稳定性良好，不易处理[5]。在偶氮染料废液处理中，主要是对废液的脱色处理。现在主要有化学氧化、光催化降解和生物降解等化学和生物降解方法来对降解染料废水。化学氧化和光催化降解简单而有效。然而，它们的成本很高，一些降解产物仍旧是有毒的，它们的有效性亦受到别的无机和有机物质的影响。虽然生物降解的成本较低，但一些难降解的印染废液很难用生物法处理，而且降解的时间十分的漫长，处理效率不高[6]。

絮凝剂是目前比较重要的水处理剂之一，而且每年的使用量都在增加。废水相对来说是一个比较稳定的体系，因此处理起来有一定的困难，传统的絮凝剂并不能达到人们的期望。近年来研究人员开始研制复合絮凝剂，聚硅酸金属盐是无机高分子絮凝剂，由于该类絮凝剂有着良好的电中和和吸附架桥性能，并且絮凝效果好，因而引起了水处理界的极大关注，现已成为国内外无机高分子絮凝剂研究的一个焦点[7]。本实验研究的对象为聚硅酸铁絮凝剂，在降低生产成本的同时，通过优化反应条件，为大规模的工业化生产提供理论数据。

2. 实验部分

(1)仪器与试剂

集热式恒温加热磁力搅拌器、紫外可见分光光度计、石英比色皿、pH计等。

Na2SiO3·9H2O、H2SO4、NaOH、Fe(SO)3、刚果红等实验试剂规格均为分析纯。

(2)聚硅酸铁絮凝剂的制备

本研究在酸性条件下制备聚硅酸，取一定量的体积分数为20%的硫酸放置在烧杯中，用磁力搅拌器进行快速搅拌，同时用pH计测量pH值的变化，缓慢将硅酸钠溶液加入到盛有硫酸的烧杯中，使用H2S04和NaOH溶液调节将硅酸溶液至一定pH，当pH接近6时停止加入，从而得到聚硅酸溶液;向活化后的聚硅酸溶液逐滴加入硫酸铁溶液，在高速搅拌条件下搅拌均匀，静置聚合一段时间即可制得聚硅酸铁絮凝剂。

(3)聚硅酸铁处理刚果红溶液

配制一系列的刚果红标准溶液，以蒸馏水为参比溶液，在497nm的波长下，用紫外分光光度计测量溶液的吸光度，绘制标准曲线。接着以刚果红溶液模拟污水体系，控制刚果红溶液的初始浓度为200mg/L。通过改变硅铁比以及溶液pH，分别研究铁硅比对刚果红溶液的脱色效果的影响和溶液pH对污泥体积的影响。

3. 结果与讨论

(1)铁硅比对刚果红溶液的脱色效果影响

在0.15g/L的100mL的刚果红溶液，投加不同铁硅摩尔比的聚硅酸铁絮凝剂，考察其对刚果红溶液的脱色率，结果见图2。

由图2可知。在铁硅比低于2时，聚硅酸铁絮凝剂对刚果红的脱色效果良好，且随着硅铁比的增加，脱色能力也在增加，当铁硅比为2时，达到最大脱色率96.7%，溶液中的聚硅酸对金属离子吸附作用较强，金属离子的加入延缓了聚硅酸的凝胶时间，并且增强了其电中和能力，此时聚硅酸铁的荷正电量逐渐增大，对刚果红溶液脱色能力逐渐增强，去除率逐渐升高。随着铁硅比大于3时，对刚果红溶液的脱色效果明显降低。可解释为溶液中的铁离子抑制硅酸聚合的作用增强，聚硅酸的吸附架桥功能在变弱，此时二者的协同作用并不处于最好的状态，导致脱色能力大大降低。

(2)溶液pH对污泥体积的影响

将配置好的刚果红溶液用氢氧化钠调成pH为8到10的溶液,在相应的溶液中投加一定量的聚硅酸铁絮凝剂，充分搅拌后静置，并测量出产生的污泥体积。结果如图3。

由图3可知，溶液的pH从8逐渐增加到11，实验过程中收集到污泥的体积没有明显的变化，基本维持在4mL到6mL左右，絮凝效果比较理想。因为此时铁离子与聚硅酸的络合一方面发挥了电中和的作用，另一方面由于在凝胶的过程产生了不错的吸附能力，脱色和絮凝的效果比较显著，从而得到的溶液比较澄清，产生的污泥较少。随着溶液的pH进一步变大，污泥的体积逐渐变多，因为此时溶液电中和能力下降，另外碱性过强，也会引起聚硅酸内部结构受到破坏，同时金属离子的活性也在降低，最终导致吸附效果变弱。

4. 总结

(1)合成的聚硅酸铁絮凝剂，铁硅比对刚果红溶液的脱色有较大的影响，当铁硅比为2时，其中和能力较强，且脱色效果最佳，铁硅比过多过少都不利于絮凝剂的脱色。

(2)聚硅酸铁絮凝剂随着pH的增大，实验过程中产生的污泥体积也在增加，当pH大于11时，絮凝过程中产生的污泥体积大幅度增加，这是由于溶液的pH增大，聚硅酸铁絮凝剂中的铁的水解产物受到了抑制，因此pH的最佳范围为8至11。

(3)聚硅酸铁絮在处理废水时，pH适用范围良好，絮凝过程产生的污泥比较理想，有着良好的应用前景。

摘要：聚硅酸铁是铁和硅络合形成的聚合物，铁作为主要引入体，很大程度上影响其性能。聚硅酸铁絮凝剂的絮体密实且容易沉降，还有较强吸附架桥作用，因此其在处理工业废水中有着广阔的前景，本研究主要通过改变铁硅比及溶液的pH来考察聚硅酸铁絮凝剂的性能。实验结果表明，在铁硅比为2时，聚硅酸铁絮凝剂对刚果红溶液达到最大脱色率，为96.7%，溶液的pH为8到11时，产生的污泥较少。因此，聚硅酸铁是一种性能良好的无机大分子絮凝剂。

关键词：聚硅酸铁,絮凝剂,工业废水,脱色率