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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(shí)用其處理模擬鉻污染水源水,考慮不同因素對(duì)絮凝效果的影響。結(jié)果表明,該絮凝劑除鉻較好,可使出水的六價(jià)鉻濃度低于0.05mg/L,符合《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。通過(guò)與聚合氯化鋁(PAC)和聚合硫酸鐵(PFS)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知,PSFA的除鉻效果明顯優(yōu)于這兩種常規(guī)絮凝劑。可見(jiàn),PSFA可作為水廠水源水鉻污染應(yīng)急處理的新方法。
【關(guān)鍵詞】聚硅酸亞鐵鋁;制備;除鉻機(jī)理;鉻污染
鉻元素有+2、+3、+6三種氧化態(tài):Cr(Ⅱ)在自然環(huán)境中不能穩(wěn)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(shí)對(duì)某些糖尿病具有一定的調(diào)節(jié)作用[1];Cr(Ⅵ)是劇毒物質(zhì),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(yè)的發(fā)展,含鉻廢水的排放量日益增多[2]。近幾年全國(guó)鉻污染事件時(shí)有發(fā)生,水源水存在被鉻污染的潛在危險(xiǎn)。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于含鉻廢水的處理方法較多,常用的有電解還原法、化學(xué)沉淀法、離子交換法等[3],而處理鉻污染水源水的研究報(bào)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(duì)混凝除鉻除濁效果的影響。
1實(shí)驗(yàn)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(guò)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(yè)級(jí);實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。儀器:85-2磁力加熱攪拌器;雷磁PHS-3CpH計(jì);DZKW-4電子恒溫水浴鍋;TA6-2程控混凝實(shí)驗(yàn)攪拌儀;U-3900紫外可見(jiàn)分光光度計(jì);WGZ-2濁度計(jì)。
1.2儲(chǔ)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(lái)水的錐形瓶中,每次試驗(yàn)前充分振蕩搖勻。(2)鉻標(biāo)準(zhǔn)貯備液:稱于120℃干燥2h的重鉻酸鉀(優(yōu)級(jí)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(jià)鉻。(3)模擬鉻污染水源水:取適量自來(lái)水儲(chǔ)存于10L玻璃瓶中,靜置過(guò)夜;每個(gè)燒杯取1L混勻自來(lái)水,加入10mL高嶺土貯備液,用玻璃棒攪拌均勻后,取20mL水樣測(cè)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(jì)),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(diào)節(jié)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(diào)至3.0~3.1之間,靜置隔夜使用[5]。所制成的絮凝劑為淡藍(lán)色的均一穩(wěn)定的液態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),適當(dāng)增加Al、SiO2含量有利于除濁,而適當(dāng)提高亞鐵含量有利于除鉻,且能提高礬花密實(shí)性與沉降速度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)
取自配的模擬水源水置于六桿攪拌儀中進(jìn)行燒杯實(shí)驗(yàn)。先預(yù)攪拌2min,轉(zhuǎn)速200rpm,再迅速加入一定量的絮凝劑,經(jīng)快速攪拌2min,轉(zhuǎn)速200rpm,慢速攪拌10min,轉(zhuǎn)速60rpm(實(shí)驗(yàn)中另外說(shuō)明攪拌時(shí)間的除外),并沉淀10min后,取水樣分別測(cè)量其濁度、水中剩余鉻濃度。原水樣的pH通過(guò)投加H2SO4或NaOH進(jìn)行調(diào)節(jié)。
1.5分析方法
濁度:用濁度計(jì)進(jìn)行測(cè)量;六價(jià)鉻:二苯碳酰二肼分光光度法;總鉻:采用過(guò)硫酸銨分光光度法進(jìn)行測(cè)量,即先用過(guò)硫酸銨將Cr(Ⅲ)氧化成Cr(Ⅵ),再加熱分解過(guò)量的氧化劑,然后按測(cè)六價(jià)鉻的方法測(cè)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(diào)節(jié)酸度進(jìn)行顯色測(cè)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(jì)算質(zhì)量總和計(jì)。
2結(jié)果與討論
2.1不同因素對(duì)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(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性,認(rèn)為最佳投加量為70mg/L,此時(shí)總鉻去除率為91.50%;當(dāng)投加量大于30mg/L時(shí),處理后水中的六價(jià)鉻含量均低于0.05mg/L,符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。
2.1.2pH值的影響
pH<7時(shí),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(guò)10后,總鉻去除率隨pH值的增大而降低,且水中六價(jià)鉻殘留量也隨著pH的升高而增加。在水樣pH較低時(shí),絮凝劑的絮凝作用與三價(jià)鉻的沉淀作用都較弱,總鉻去除率較低;當(dāng)pH大于10之后,由于氫氧化鉻是兩性氫氧化物,故三價(jià)鉻的沉淀作用減弱,三價(jià)鉻的去除率隨之降低。因此根據(jù)相平衡原理,Cr6+在氧化還原反應(yīng)中向Cr3+的轉(zhuǎn)化率將降低,而此時(shí)溶液中氧離子對(duì)亞鐵的氧化競(jìng)爭(zhēng)作用就顯得更加突出,在多方面作用下,導(dǎo)致處理后水中的剩余六價(jià)鉻含量增加。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察到,pH=5時(shí)在慢攪后期才產(chǎn)生細(xì)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(xiàn)象表明,pH的增大促進(jìn)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(dāng)溫度高于35℃后,效果稍微降低。這是由于沉淀的溶解反應(yīng)多數(shù)是吸熱反應(yīng),溫度升高,沉淀的溶解度增大[11],從而導(dǎo)致三價(jià)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(wú)機(jī)鹽水解多數(shù)是吸熱反應(yīng),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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明,水溫為5℃時(shí),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(shí)間的影響
本組實(shí)驗(yàn)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(shí)間對(duì)絮凝除鉻效果的影響。實(shí)驗(yàn)一,控制快攪時(shí)間為2min,研究不同慢攪時(shí)間對(duì)混凝除鉻效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:適當(dāng)延長(zhǎng)慢攪時(shí)間能夠提高總鉻去除率,當(dāng)慢攪時(shí)間大于20min后,繼續(xù)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間對(duì)絮凝并無(wú)明顯的促進(jìn)作用,因此將最佳慢攪時(shí)間定為20min。實(shí)驗(yàn)二,控制慢攪時(shí)間為20min,研究不同快攪時(shí)間對(duì)混凝除鉻效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:延長(zhǎng)快攪時(shí)間對(duì)絮凝除鉻效果沒(méi)有明顯的影響,考慮到如果快攪時(shí)間過(guò)長(zhǎng),有可能將絮體打破,因此將最佳快攪時(shí)間定為2min。在最佳攪拌組合方式時(shí),GT值為1.32×104左右,總鉻去除率可達(dá)92.41%。
2.2PSFA絮凝性能研究
與PFS和PAC絮凝劑的對(duì)比:該組實(shí)驗(yàn)分別用PSFA、PFS和PAC處理模擬鉻污染水樣進(jìn)行對(duì)比。從結(jié)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(dāng)其投加量大于20mg/L時(shí),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(shí),其總鉻去除率也僅為11.66%,遠(yuǎn)低于PSFA的89.83%的總鉻去除率。可見(jiàn),PSFA除鉻效果明顯優(yōu)于這兩種常規(guī)絮凝劑。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察到,PAC所形成的礬花呈灰白色,沉降較慢;PFS與PSFA的現(xiàn)象類似,礬花呈紅褐色,沉降快。
2.3結(jié)論
實(shí)驗(yàn)制備得到的新型絮凝劑PSFA對(duì)鉻污染水源水具有很好的除鉻效果,且明顯優(yōu)于常規(guī)絮凝劑PFS和PAC,可使出水的六價(jià)鉻濃度低于0.05mg/L,符合《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。可見(jiàn),聚硅酸亞鐵鋁可適用于多數(shù)水廠現(xiàn)存的常規(guī)處理工藝,且不需增加任何設(shè)備,可作為水廠水源水鉻污染應(yīng)急處理的一種新方法。
參考文獻(xiàn)
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作者:肖光雨 馮婧 單位:湖南大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司