聚合氯化铝铁PAFC絮凝剂的性能研究

聚合氯化铝铁（PAFC）絮凝剂的性能研究2005年城市生活污水处理率已达到38.5%,但这还不能满足控制生活污水中污染物质排放总量的要求,因此,还须加快城市污水处理厂的建设。选取常用的铝盐、铁盐系列混凝剂,以pH、浊度、碱度、ＣＯＤ、总氮、总磷等为检测指标,试验不同混凝剂投加量、原水不同pH值等变化对处理效率的影响，进行研究具有迫切性。在水处理中,絮凝是一种重要而被广泛采用的工艺方法。它是通过化学机理把胶体物质和小的悬浮粒聚集成大的集合体,以提高这些集合体对溶解的各种杂质的吸收,从而有利于在随后的沉积/浮选过滤过程中排除这些物质。Kuo和Wamser首先合成了复合型混凝剂——聚碱式氯化铝铁(简写PAFC),发现该聚合物具有较好的混凝效果。聚合氯化铝铁(PAFC)是一种新型，高效无机阳离子复合絮凝剂，PAFC既具有铝盐絮凝剂矾花大、水处理面宽、除浊效果好、对设备管路腐蚀性小等优点；还具有铁盐絮凝剂絮题沉降快、易于分离、低温水处理性能好、水处理PH值范围大等特点。目前，PAFC已成功用于饮用水、工业用水及多种工业废水的处理。1.絮凝剂的作用机理1.1胶体颗粒失去稳定性的过程称为脱稳过程。脱稳即意味着液体中原来均匀分散的固体微粒结合成了较大的颗粒，从液体中沉淀下来。这种现象即称为凝聚。在凝聚的程度上可分为凝结和絮凝；聚集程度不大，甚至通过简单的搅拌可以使固体微粒重新分散的这种可逆性聚集被称为絮凝，而凝结则是在固体微粒间距离相对较小时发生的聚集，这种聚集是不可逆的，仅用简单的搅拌是不可能使固体微粒重新分散的。投加絮凝剂可以加速水中胶体颗粒凝聚成大颗粒，其作用机理的解释有以下几种：a.压缩双电层与电荷中和作用b.高分子絮凝剂的吸附架桥作用c.絮体的卷扫沉淀作用1.2PAFC的作用机理聚合氯化铝铁由廉价的氯化铝的和氯化铁共聚合而成。因此它兼具铝盐和铁盐的絮凝特性。铝盐和铁盐在水处理过程中发生水解和聚合反应过程，水中的胶体颗粒能强烈吸附水解和聚合反应过程中出现的各种产物：各种Al3+和Fe3+的化合物和多种多核羟基络离子。被吸附的带正电的多核羟基络离子能够压缩双电层，降低动电位（ζ电位），同时进行着架桥作用。多核聚合物为两个以上的胶体颗粒所共同吸附，将两个或多个胶体颗粒架桥连接等。这些属于胶体颗粒的聚集作用，从而逐步形成絮凝体，絮凝剂最终形成的聚合度很大的Al(OH)3或Fe(OH)3将使絮凝过程加速，絮凝体由小变大。1.3影响絮凝剂作用效果的工艺条件无论是天然的絮凝剂,还是人工合成的絮凝剂，除了非离子型的絮凝剂以外，都是电解质。所有的电解质都具有絮凝作用，只是絮凝作用的大小各有不同而已。絮凝作用是复杂的物理和化学过程。因此，影响絮凝剂作用的因素也是复杂的和多方面的。例如，溶液的pH值、温度、搅拌速度、搅拌时间以及絮凝剂本身的性质、结构特点、分子量大小和用量多少，所采用的分离方法、工艺设计条件等，另外被絮凝的固体粒子的性质和直径大小及ζ电位大小等等，这些因素都会对絮凝效果产生直接的影响，有时甚至是决定性的影响。1.4复合无机高分子絮凝剂无机高分子絮凝剂（InorganicPolymerFlocculent）作为第二代无机絮凝剂，比传统凝聚剂（如硫酸铝、氯化铁等）效能更优异，比有机高分子絮凝剂（OPF）(PAM)价格低廉等优点，成功地应用在给水、工业废水以及城市污水的各种流程（包括前处理、中间处理和深度处理）中，现已成为主流絮凝剂。复合型无机高分子絮凝剂(见表1)是指含有铝盐、铁盐和硅酸盐等多种具有絮凝或助凝作用的物质，它们预先分别经羟基化聚合后再加以混合，或先混合再加以羟基化聚合，形成羟基化的更高聚合度的无机高分子形态，具有较单一无机高分子絮凝剂更为优异的絮凝性能和对胶体颗粒的混凝沉降效果的产品。目前国内主要有以下品种，见表1表1各种复合型絮凝剂类型名称简称程序配比Al+Fe+Cl聚合氯化铝铁PAFCAl+Fe+OHSi+Al+SO42-聚合硅酸硫酸铝PASSAl2(SO4)3+PSiAl+Si+Cl聚合硅酸铝PASCPAC+PSi;Al+Si+OH[Al]/[Si]≥5Fe+Si+Cl聚合铁硅酸PFSiCPFC+PSi;Fe+PSi+OH[Fe]/[Si]1.0Si+Fe+Cl聚合硅酸铁PSiFCFe+PSi+OH[Fe]/[Si]1.0Al+Fe+Si+Cl聚合硅酸铁铝PAFSiAl+Fe+PSi+OHAl+PAM聚合铝-聚丙烯酰胺PACMPAC+PAMFe+PAM聚合铁-聚丙烯酰胺PFCMPFC+PAMAl+PCh聚合铝-甲壳素PAPCHPAC+PChAl+PCat聚合铝-有机阳离子PCATPAC+PCat2实验部分2.1主要仪器与试剂实验药品:三氯化铁、三氯化铝、氢氧化钠、重铬酸钾、试亚铁灵指示液、聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铝铁等；实验仪器:722型分光光度计、PHS—3C精密pH、500毫升全玻璃回流装置等、恒温培养箱及玻璃仪器(滴定管、烧杯等)；2.2COD的测定方法（重铬酸钾法）2.2.1原理：在强酸的溶液中，准确加入过量的重铬酸钾标准溶液，加热冷凝回流，将水样中的还原性物质氧化，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂，用硫酸亚铁铵回滴，根据所消耗的重铬酸钾计算水样的化学需氧量。2.2.2标定方法：准确吸取10.00ml的重铬酸钾溶液于500ml的锥形瓶中，加水稀释至110ml左右，缓慢加入30ml浓硫酸，冷却后，加入3滴试亚铁灵指示剂。用硫酸亚铁铵滴定。溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点。C=0.2500×10.00/V试中的：C代表硫酸亚铁铵标准溶液的浓度V代表硫酸亚铁铵标准溶液的用量滴定测得C=0.098mol/l2.2.3测定步骤：取20ml的混合水样（或适量水样稀释至20ml）置于250ml的磨口回流锥形瓶中，准确加入10.00ml重铬酸钾标准溶液及沸石数粒，连接磨口锥形瓶，从冷凝管的上口慢慢加入30ml硫酸-硫酸银溶液，轻轻摇动锥形瓶使溶液混合均匀，冷凝回流2小时。冷却后，用90ml的水冲洗冷凝管壁，取下锥形瓶，溶液的总体积不得少于140ml，否则因酸度太大，滴定终点不明显。溶液再冷却后，加3滴试亚铁灵指示剂，用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，溶液的颜色由黄色经蓝绿色至红褐色即为终点，记录硫酸亚铁铵标准溶液的用量。测定水样的同时，取20.00ml蒸馏水，按同样的操作步骤作空白实验，记录空白时硫酸亚铁铵的用量。COD=(V-V0)×C×8×1000/VC:硫酸亚铁铵标准溶液的浓度（mol/l）V0:滴定空白时硫酸亚铁铵标准溶液的用量（ml）V1:滴定水样时硫酸亚铁铵标准溶液的用量（ml）V:水样的体积（ml）8:氧的摩尔质量（g/ml）2.3浊度标准曲线的绘制：2.3.1硅藻土的浊度标准液的配制：称取10g的硅藻土，于研体中加入少许蒸馏水调成糊状并研细，移至1000ml量筒中，加水至刻度。充分搅拌，静置24h，用虹吸法仔细将上层800ml悬浮液移至第二个1000ml量筒中。向第二个量筒内加水至1000ml，充分搅拌后再静置24h。虹吸出上层含较细颗粒的800ml悬浮液，弃去。下部沉积物加水稀释至1000ml。充分搅拌后贮于具塞玻璃瓶中，作为浑浊度原液。取上述悬浊液50ml置于已恒重的蒸发皿中，在水浴上蒸干。于105℃烘箱内烘2h，至干燥器中冷却30min，称重。重复以上操作，即，烘1h，冷却，称重，直至恒重。求出每毫升悬浊液中含硅藻土的重量（mg）。吸取含250mg硅藻土的悬浊液，置于1000mL容量瓶中，加水至刻度，摇匀。此溶液浊度为250度。吸取浊度为250度的标准液100ml，置于250ml容量瓶中，用水稀释至标线，此溶液浊度为100度的标准液。2.3.2浊度标准曲线的制作：取7个250ml容量瓶，分别加入0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120mL250NTU的浊度标准储备液，用去离子水定容后摇匀。以去离子水作参比，用722型分光光度计在340nm波长处测定吸光度A，所得结果见表2。表2浊度标准曲线值标准储备液加入量/ml浊度/NTU吸光度00010100.07520200.10330300.12140400.13250500.17660600.19170700.21280800.24190900.2721001000.2951101100.3491201200.408根据上表数据绘制标准曲线(见图1)，求得标准曲线回归方程如下：浊度=吸光度(A)×384.3941-13.0627γ=0.993007(相关系数)3.PAFC的絮凝实验：实验所用的生活污水来源于上海瑞威机电设备有限公司旁边的河内，原水样水质分析：取200ml生活污水水样，用UV755B型分光光度计分别于330nm和340nm处测其吸光度值，根据吸光度值计算出原水相应的指标值如表3：表3原水水质情况COD（mg/l）浊度NULpH颜色224.0546.67.4黑褐色3.1搅拌速度和搅拌时间对絮凝效果的影响搅拌速度和时间选择的恰当，可以加速絮凝作用，从而有利于絮凝剂发挥作用，提高絮凝效果。取4份200ml的废水样于烧杯中，先用pHS—3C精密pH计调节PH值到8.0，再加入0.15g/200mlPAFC絮凝剂，用78-1型磁力加热搅拌器搅拌。第一个烧杯以50r/min转速搅拌2min，第二个烧杯以100r/min转速搅拌2min，第三个烧杯以150r/min转速搅拌2min，第四个烧杯以200r/min转速搅拌2min,均静置沉降20min后取其上清液，测其浊度、pH值、COD值。结果如表4所示表4搅拌时间为2min时相应的指标值搅拌强度（r/min）浊度浊度去除率（%）CODCOD去除率（%）5073.486.5642.081.2510045.791.6548.078.5715026.895.1036.089.9320087.584.0064.071.43表5搅拌时间对PAFC絮凝效果的影响搅拌时间（min）浊度浊度去除率（%）CODCOD去除率（%）172.386.7742.081.25226.895.1038.089.04344.991.7944.080.36485.584.3762.072.32图3搅拌时间——浊度、COD去除率曲线图实验结果表明最佳搅拌时间和最佳搅拌强度分别为2min，转速为150r/min，此时PAFC絮凝剂的絮凝效果的各项指标值：浊度去除率达95.10%，COD去除率达89.93%。如果搅拌时间过长，搅拌速度过快，则会将能够沉降的颗粒被搅碎后变成不沉降颗粒，从而降低絮凝效果；如果时间过短，速度过慢，则会使絮凝剂和固体颗粒不能充分的接触，从而不利于絮凝剂捕集胶体颗粒，而且絮凝剂的浓度也分布不均匀，不利于发挥絮凝作用。3.2PAFC投加量对絮凝效果的影响实验所用的水样为生活污水，取五份200ml水样分别放置在500ml烧杯中加入一定量的聚合氯化铝铁，氯化铝铁的投加量分别为0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.25g、0.30g，后先用搅拌机快搅2min(搅拌速度为150r/min),再慢搅5min（搅拌速度为75r/min），静置沉降20min后取上清液用UV755B型分光光度计分别在330nm和340nm波长处测定吸光度值，由公式计算出相应的浊度和色度以及COD值和它门对应的去除率，由此确定最佳投加量。表6PAFC投加量对絮凝效果的影响PAFC投加量(mg/l)投药后的水质浊度去除率(%)COD去除率(%)CODcr浊度25040.072.786.7182.1450064.0163.470.1171.4275036.024.695.5087.93100048.085.384.3978.571250100.043.892.0055.36150044.0169.968.9280.36图4投药量—浊度去除率曲线图图5投药量—COD去除率曲线图试验结果表明，当PAFC投加量小时，COD去除率随PAFC的投加量变化没有显著的变化，而当PAFC投加量增加到0.