聚硅酸亞鐵鋁的制備及除鉻的效能機理范文

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【摘要】利用硅酸鈉、硫酸亞鐵和硫酸鋁在一定條件下制備得到新型絮凝劑聚硅酸亞鐵鋁（PSFA），同時用其處理模擬鉻污染水源水，考慮不同因素對絮凝效果的影響。結果表明，該絮凝劑除鉻較好，可使出水的六價鉻濃度低于0.05mg/L，符合《生活飲用水水質標準》（GB5749-2006）。通過與聚合氯化鋁（PAC）和聚合硫酸鐵（PFS）的對比實驗可知，PSFA的除鉻效果明顯優于這兩種常規絮凝劑。可見，PSFA可作為水廠水源水鉻污染應急處理的新方法。

【關鍵詞】聚硅酸亞鐵鋁；制備；除鉻機理；鉻污染

鉻元素有+2、+3、+6三種氧化態：Cr（Ⅱ）在自然環境中不能穩定存在；Cr（Ⅲ）是人體新陳代謝所必須的微量元素，有利于減少血液中膽固醇含量，同時對某些糖尿病具有一定的調節作用[1]；Cr（Ⅵ）是劇毒物質，具有致致癌、致畸、致突變的作用。隨著電鍍、化工、制革、冶金等工業的發展，含鉻廢水的排放量日益增多[2]。近幾年全國鉻污染事件時有發生，水源水存在被鉻污染的潛在危險。目前，國內外關于含鉻廢水的處理方法較多，常用的有電解還原法、化學沉淀法、離子交換法等[3]，而處理鉻污染水源水的研究報道較少。本研究以硅酸鈉、硫酸亞鐵、硫酸鋁為原料，在一定條件下制備出一種新型絮凝劑聚硅酸亞鐵鋁（PSFA），并用于處理鉻污染水源水，研究不同因素如絮凝劑投加量、水溫、pH值等對混凝除鉻除濁效果的影響。

1實驗部分

1.1試劑和儀器

試劑：硫酸亞鐵、硫酸鋁、硅酸鈉、丙酮、二苯碳酰二肼、過硫酸銨、硫酸、磷酸、高嶺土、聚合氯化鋁（PAC），以上試劑均為分析純；聚合硫酸鐵（PFS）為工業級；實驗用水為二次蒸餾水。儀器：85-2磁力加熱攪拌器；雷磁PHS-3CpH計；DZKW-4電子恒溫水浴鍋；TA6-2程控混凝實驗攪拌儀；U-3900紫外可見分光光度計；WGZ-2濁度計。

1.2儲備液與鉻污染水源水配制

（1）高嶺土貯備液：取2g高嶺土溶于盛有1L自來水的錐形瓶中，每次試驗前充分振蕩搖勻。（2）鉻標準貯備液：稱于120℃干燥2h的重鉻酸鉀（優級純）0.2829g，用水溶解后，移入1L容量瓶中，用水稀釋至刻線，搖勻。此溶液每毫升含0.1mg六價鉻。（3）模擬鉻污染水源水：取適量自來水儲存于10L玻璃瓶中，靜置過夜；每個燒杯取1L混勻自來水，加入10mL高嶺土貯備液，用玻璃棒攪拌均勻后，取20mL水樣測其初始濁度，然后再加入10mL鉻貯備液；模擬水源水鉻含量為1mg/L，濁度為24±1NTU。

1.3聚硅酸亞鐵鋁的制備

將適量硅酸鈉用雙蒸水稀釋至2.5%（以SiO2計），放在磁力攪拌器上，邊攪拌邊加入（1+4）H2SO4，將溶液pH值快速調節至3.5，置于25℃下活化2h，得到聚合硅酸[4]。將聚硅酸放在磁力攪拌器上快速攪拌，取一定摩爾比的硫酸亞鐵和硫酸鋁，分別配制成0.5mol/L的溶液，依次加入。用0.5mol/L的NaOH將混合液pH值調至3.0~3.1之間，靜置隔夜使用[5]。所制成的絮凝劑為淡藍色的均一穩定的液態。在實驗過程中發現，適當增加Al、SiO2含量有利于除濁，而適當提高亞鐵含量有利于除鉻，且能提高礬花密實性與沉降速度。通過實驗確定，制備聚硅酸亞鐵鋁的最佳離子摩爾比為：（Fe2++Al）/SiO2為1：1，Al/Fe2+為1：2。

1.4絮凝實驗

取自配的模擬水源水置于六桿攪拌儀中進行燒杯實驗。先預攪拌2min，轉速200rpm，再迅速加入一定量的絮凝劑，經快速攪拌2min，轉速200rpm，慢速攪拌10min，轉速60rpm（實驗中另外說明攪拌時間的除外），并沉淀10min后，取水樣分別測量其濁度、水中剩余鉻濃度。原水樣的pH通過投加H2SO4或NaOH進行調節。

1.5分析方法

濁度：用濁度計進行測量；六價鉻：二苯碳酰二肼分光光度法；總鉻：采用過硫酸銨分光光度法進行測量，即先用過硫酸銨將Cr（Ⅲ）氧化成Cr（Ⅵ），再加熱分解過量的氧化劑，然后按測六價鉻的方法測總鉻。該法是一種快速、高精度的方法[6]。為了掩蔽鐵離子的影響，用磷酸調節酸度進行顯色測量。其中，自制絮凝劑的投加量是以SiO2、Al、Fe、SO42-這四種離子的計算質量總和計。

2結果與討論

2.1不同因素對混凝效果的影響

2.1.1投加量的影響

不同投加量都能取到較好的除濁效果，剩余濁度在1NTU左右；總鉻去除率隨著投加量的增加而提高，而投加量高于70mg/L后，去除率基本不再增加。同時考慮經濟性，認為最佳投加量為70mg/L，此時總鉻去除率為91.50%；當投加量大于30mg/L時，處理后水中的六價鉻含量均低于0.05mg/L，符合《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）。

2.1.2pH值的影響

pH<7時，總鉻去除率隨著pH的提高而增加；pH在7~10之間，總鉻去除效果基本相同，去除率均大于90%；pH超過10后，總鉻去除率隨pH值的增大而降低，且水中六價鉻殘留量也隨著pH的升高而增加。在水樣pH較低時，絮凝劑的絮凝作用與三價鉻的沉淀作用都較弱，總鉻去除率較低；當pH大于10之后，由于氫氧化鉻是兩性氫氧化物，故三價鉻的沉淀作用減弱，三價鉻的去除率隨之降低。因此根據相平衡原理，Cr6+在氧化還原反應中向Cr3+的轉化率將降低，而此時溶液中氧離子對亞鐵的氧化競爭作用就顯得更加突出，在多方面作用下，導致處理后水中的剩余六價鉻含量增加。從實驗現象觀察到，pH=5時在慢攪后期才產生細小礬花，呈灰白色；pH值大于10，水樣加入絮凝劑后迅速變黃，快速形成大礬花，呈紅褐色。這一現象表明，pH的增大促進了鐵離子的水解與亞鐵的氧化。

2.1.3水溫的影響

絮凝劑除鉻效果隨著溫度的升高而提高；而當溫度高于35℃后，效果稍微降低。這是由于沉淀的溶解反應多數是吸熱反應，溫度升高，沉淀的溶解度增大[11]，從而導致三價鉻的去除效果變差。出水的剩余濁度先隨著溫度的升高而降低，在20℃后，隨著溫度的升高而增大。這可能是由于無機鹽水解多數是吸熱反應，絮凝后水中的殘留鐵離子隨著溫度的升高而加速水解形成膠體，從而使水樣濁度增加。實驗現象表明，水溫為5℃時，礬花粒徑較小，沉淀速度較慢；礬花顏色隨著溫度的上升而逐漸加深。

2.1.4攪拌時間的影響

本組實驗中控制快攪速度為200rpm，慢攪速度為60rpm，絮凝劑投加量為70mg/L研究不同的攪拌時間對絮凝除鉻效果的影響。實驗一，控制快攪時間為2min，研究不同慢攪時間對混凝除鉻效果的影響。實驗結果表明：適當延長慢攪時間能夠提高總鉻去除率，當慢攪時間大于20min后，繼續延長攪拌時間對絮凝并無明顯的促進作用，因此將最佳慢攪時間定為20min。實驗二，控制慢攪時間為20min，研究不同快攪時間對混凝除鉻效果的影響。實驗結果表明：延長快攪時間對絮凝除鉻效果沒有明顯的影響，考慮到如果快攪時間過長，有可能將絮體打破，因此將最佳快攪時間定為2min。在最佳攪拌組合方式時，GT值為1.32×104左右，總鉻去除率可達92.41%。

2.2PSFA絮凝性能研究

與PFS和PAC絮凝劑的對比：該組實驗分別用PSFA、PFS和PAC處理模擬鉻污染水樣進行對比。從結果可以看出，PFS除濁效果比PAC差，而PSFA的除濁效果介于它們兩者之間，當其投加量大于20mg/L時，剩余濁度約為0.9NTU；PFS的除鉻效果比PAC略好，但投加量為60mg/L時，其總鉻去除率也僅為11.66%，遠低于PSFA的89.83%的總鉻去除率。可見，PSFA除鉻效果明顯優于這兩種常規絮凝劑。從實驗現象觀察到，PAC所形成的礬花呈灰白色，沉降較慢；PFS與PSFA的現象類似，礬花呈紅褐色，沉降快。

2.3結論

實驗制備得到的新型絮凝劑PSFA對鉻污染水源水具有很好的除鉻效果，且明顯優于常規絮凝劑PFS和PAC，可使出水的六價鉻濃度低于0.05mg/L，符合《生活飲用水水質標準》（GB5749-2006）。可見，聚硅酸亞鐵鋁可適用于多數水廠現存的常規處理工藝，且不需增加任何設備，可作為水廠水源水鉻污染應急處理的一種新方法。

參考文獻

[2]葛俊森，梁渠.水中重金屬危害現狀及處理方法[J].廣州化工，2007，35（5）：69~71.

[3]張小慶，王文洲，王衛.含鉻廢水的處理方法[J].環境科學與技術，2004，27：111~113.

[4]欒兆坤，宋永會.聚硅酸金屬鹽絮凝劑的制備和絮凝性能[J].環境化學，1997，16（6）：534~539.

[5]張孟存.聚合硅酸硫酸鋁鐵的研制及其絮凝性能[J].水處理技術，2008，34（9）：61~64.

[6]樂華斌，羅廉明，劉善新.分光光度法同時測定水中Cr（Ⅵ）、Cr（Ⅲ）和總鉻的條件優化[J].工業水處理，2007，27（5）：73~75.

作者:肖光雨 馮婧 單位:湖南大學設計研究院有限公司